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學(xué)子專區(qū)—ADALM2000實(shí)驗(yàn):心跳監(jiān)測電路

2023/07/10
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目標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)活動通過旨在獲取心跳信息的實(shí)際范例,介紹了如何使用放大器鏈實(shí)現(xiàn)增益和濾波。系統(tǒng)的結(jié)果提供相關(guān)輸出,使用Scopy軟件工具可顯示該輸出。

在本實(shí)驗(yàn)活動中,學(xué)生將學(xué)習(xí)如何驅(qū)動紅外LED和光電晶體管,設(shè)計(jì)并理解低通濾波器的行為,同時探索不同配置情況下的運(yùn)算放大器功能。

結(jié)合前面提到的電子設(shè)備,本活動最終將展示如何利用最少的軟件和硬件設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用。

背景知識

有一種心跳監(jiān)測設(shè)備通過夾在指尖上的電路來實(shí)時監(jiān)測心跳。該設(shè)備讓光線穿過手指,然后測量被吸收的光有多少,由此便能實(shí)現(xiàn)此功能。因?yàn)楫?dāng)心臟驅(qū)動血液經(jīng)過手指時,測量值會發(fā)生上下波動。實(shí)驗(yàn)使用了紅外LED和光電晶體管,來使光學(xué)心跳監(jiān)測器正常工作。LED發(fā)出的光穿過手指,由光電晶體管進(jìn)行檢測。光電晶體管就像一個可變電阻,根據(jù)接收到的光來傳導(dǎo)不同大小的電流

從光電晶體管的集電極可以獲取隨心跳變化的電壓。將獲得的小信號用作電路的輸入,可以了解心跳監(jiān)測器的行為。

為了獲得相關(guān)輸出,輸入信號要經(jīng)過多個回路:

材料

  • ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊
  • 無焊試驗(yàn)板
  • 跳線
  • 一個OP484精密軌到軌I/O運(yùn)算放大器
  • 一個100 Ω電阻
  • 一個470 Ω電阻
  • 一個1 kΩ電阻
  • 一個10 kΩ電阻
  • 兩個47 kΩ電阻
  • 兩個1 μF電容
  • 一個47 μF電容
  • 一個紅外光LED(QED-123)
  • 一個紅外晶體管(QSD-123)

圖1.心跳監(jiān)測電路

說明

在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖1所示的心跳監(jiān)測電路,該電路在LTspice?中設(shè)計(jì)。

LTspice仿真使用了LTspice標(biāo)準(zhǔn)模型集中的OP284s。實(shí)際電路由ADALP2000模擬部件套件中的四通道OP484FPZ構(gòu)建,并由ADALM2000模塊的±5 V電源供電(總電源電壓為10 V)。

紅外LED

為了獲得不會損壞紅外LED的恰當(dāng)電流,需要串聯(lián)一個電阻來限制電流。在工作范圍內(nèi)改變電流值,將會改變紅外LED發(fā)出的信號強(qiáng)度。以下公式通過5 V正電壓電源(VP)、串聯(lián)電阻(R1)和LED上的正向壓降(VF),計(jì)算出LED的正向電流(IF)的值:

光電晶體管

為了在光電晶體管(Q1)接觸紅外光時獲取相關(guān)信息,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個共發(fā)射極放大器電路。當(dāng)光電晶體管檢測到紅外范圍內(nèi)的光時,此電路會產(chǎn)生一個從高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換為低電平狀態(tài)的輸出。輸出是通過一個電阻(R2)產(chǎn)生的,該電阻連接在電壓源和器件的集電極引腳之間,其值通過實(shí)驗(yàn)確定。

前置放大器

來自心跳監(jiān)測設(shè)置的輸入信號被饋送到差分放大器電路(C1、A1、R3)。電容會阻礙任何直流成分通過,C1和R3充當(dāng)高通濾波器,可通過以下公式確定截止頻率FC1:

除了濾波外,該級還用作放大器,將電流(IA1)作為輸入,并在輸出端生成一個基于負(fù)反饋電阻(R3)的反相電壓(VA1):

有源低通濾波器

有源濾波器電路設(shè)計(jì)中包含有源元件,例如運(yùn)算放大器。這些器件需從外部電源獲取能量,并借此增強(qiáng)或放大輸出信號。有源低通濾波器的工作原理和頻率響應(yīng)與簡單RC低通濾波器相同,唯一的區(qū)別在于其使用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大和增益控制。

該一階低通有源濾波器(A2、R4、C2)僅包含一個無源RC濾波器,用于為同相運(yùn)算放大器的輸入提供低頻路徑。

該濾波器旨在去除與噪聲信號相對應(yīng)的高頻成分??紤]到心率不超過每分鐘180次(bpm),并且bpm和頻率之間存在以下關(guān)系:

所以高于3 Hz的頻率應(yīng)被去除。RC低通濾波器針對上述頻率值設(shè)計(jì),公式如下:

放大器配置為電壓跟隨器(緩沖器),其直流增益為1,AV = 1。

這種配置的優(yōu)勢在于,運(yùn)算放大器的高輸入阻抗可防止濾波器輸出端承受過大負(fù)載,而其低輸出阻抗可防止濾波器的截止頻率點(diǎn)受到負(fù)載阻抗變化的影響。雖然這種配置使濾波器具有良好的穩(wěn)定性,但無法實(shí)現(xiàn)高于1的電壓增益,AV = 1。然而,由于濾波器級輸出阻抗遠(yuǎn)低于其輸入阻抗,因此功率增益非常高。

帶低通濾波器的最終放大器

最后一級配置為具有直流增益控制功能的交流運(yùn)算放大器積分器。簡而言之,該電路旨在對來自剩余不必要頻率(即高于心跳最大頻率)的信號進(jìn)行低通濾波(R4、C2),并通過反相放大器放大有用信號,增益(AV)由R6和R5的比率確定:

仿真

考慮LTspice中設(shè)計(jì)的電路,需進(jìn)行兩種類型的仿真:

瞬態(tài):在電路的輸入端連接一個波形發(fā)生源。配置該源生成幅度為500 μV、頻率為2 Hz、偏置500 mV的正弦波。觀察輸出信號幅度,以圖形方式確定電路的總增益(圖2)。

圖2.輸出電壓瞬態(tài)分析

交流掃描:在電路的輸入端連接一個交流源。將該交流源的幅度配置為500 μV。觀察選定頻域(100 mHz至1 kHz)中的輸出信號,以圖形方式確定輸出信號在哪個頻率范圍的放大效果更佳(圖3)。

圖3.輸出電壓——交流掃描

硬件設(shè)置

使用ADALM2000模塊中設(shè)置為5 V的可變正負(fù)電源為電路供電。使用示波器通道1監(jiān)測VOUT集電極節(jié)點(diǎn)的電壓。

試驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)的電路應(yīng)該類似于圖4所示電路。藍(lán)色LED代表紅外LED,灰色LED代表光電晶體管。

程序步驟

將指尖放在紅外LED (D1)和光電晶體管(Q1)之間。發(fā)射器接收器應(yīng)對齊并且指向彼此。

觀察第三級運(yùn)算放大器(A3)輸出端的電壓波形。輸出波形的示例如圖5所示。

圖4.試驗(yàn)板心跳監(jiān)測電路

圖5.心跳輸出波形

激活Scopy工具示波器功能的監(jiān)測功能,以讀取所獲得信號的頻率。如需將頻率轉(zhuǎn)換為bpm,則可使用實(shí)驗(yàn)說明中的公式。

問題:

使用實(shí)驗(yàn)說明中提供的值和公式計(jì)算以下參數(shù):

通過紅外LED的正向電流(使用QED-123數(shù)據(jù)手冊)

  • 高通濾波器的截止頻率
  • 第二級低通濾波器的截止頻率
  • 第三級低通濾波器的截止頻率
  • 第三級放大器的增益

如果修改R5,哪些參數(shù)會發(fā)生變化? ? 如果修改R6,哪些參數(shù)會發(fā)生變化?您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問題答案。

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