目標(biāo)

本實驗活動通過旨在獲取心跳信息的實際范例，介紹了如何使用放大器鏈實現(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。

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

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)計實際應(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，由此便能實現(xiàn)此功能。因為當(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。實驗使用了紅外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：

●   前置放大器：來自心跳監(jiān)測設(shè)置的輸出信號通過串聯(lián)電容解耦，并使用負(fù)反饋電阻(R4)放大

●   低通濾波器：去除高頻（噪聲）的RC濾波器

●   電壓跟隨器：緩沖低通濾波器的輸出，并以低輸出阻抗再現(xiàn)其電壓

●   帶低通濾波器的反相放大器：放大電壓信號并去除高頻（噪聲）。

材料

●   ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

●   無焊試驗板

●   跳線

●   一個OP484精密軌到軌I/O運算放大器

●   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)

說明

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

圖1.心跳監(jiān)測電路

LTspice仿真使用了LTspice標(biāo)準(zhǔn)模型集中的OP284s。實際電路由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)出的信號強度。以下公式通過5 V正電壓電源(V_P)、串聯(lián)電阻(R1)和LED上的正向壓降(V_F)，計算出LED的正向電流(I_F)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，實驗設(shè)計了一個共發(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，其值通過實驗確定。

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F_C1：

除了濾波外，該級還用作放大器，將電流(I_A1)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(V_A1)：

有源低通濾波器

有源濾波器的電路設(shè)計中包含有源元件，例如運算放大器。這些器件需從外部電源獲取能量，并借此增強或放大輸出信號。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)別在于其使用運算放大器進行放大和增益控制。

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。考慮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，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，A_V = 1。

這種配置的優(yōu)勢在于，運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，但無法實現(xiàn)高于1的電壓增益，A_V = 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）的信號進行低通濾波（R4、C2），并通過反相放大器放大有用信號，增益(A_V)由R6和R5的比率確定：

仿真

考慮LTspice中設(shè)計的電路，需進行兩種類型的仿真：

●   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)點的電壓。

試驗板上實現(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。

圖4.試驗板心跳監(jiān)測電路

程序步驟

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

觀察第三級運算放大器(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，則可使用實驗說明中的公式。

問題：

使用實驗說明中提供的值和公式計算以下參數(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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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動學(xué)習(xí)計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項目的理學(xué)碩士生。他擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。