目標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)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(dòng)中，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)

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(shí)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(dòng)血液經(jīng)過手指時(shí)，測量值會(huì)發(fā)生上下波動(dòng)。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(gè)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(gè)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(dòng)學(xué)習(xí)模塊

無焊試驗(yàn)板

跳線

一個(gè)OP484精密軌到軌I/O運(yùn)算放大器

一個(gè)100 Ω電阻

一個(gè)470 Ω電阻

一個(gè)1 kΩ電阻

一個(gè)10 kΩ電阻

兩個(gè)47 kΩ電阻

兩個(gè)1 μF電容

一個(gè)47 μF電容

一個(gè)紅外光LED(QED-123)

一個(gè)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(huì)損壞紅外LED的恰當(dāng)電流，需要串聯(lián)一個(gè)電阻來限制電流。在工作范圍內(nèi)改變電流值，將會(huì)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(shí)獲取相關(guān)信息，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)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(shí)，此電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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(huì)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(gè)基于負(fù)反饋電阻(R3)的反相電壓(VA1)：

有源低通濾波器

有源濾波器的電路設(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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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)射器和接收器應(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(huì)發(fā)生變化？

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