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          ADALM2000實(shí)驗(yàn):心跳監(jiān)測(cè)電路

          作者:Doug Mercer,顧問研究員; Antoniu Miclaus,系統(tǒng)應(yīng)用工程師 時(shí)間:2023-06-15 來源:ADI 收藏

          目標(biāo)

          本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/202306/447727.htm

          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(cè)設(shè)備通過夾在指尖上的電路來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心跳。該設(shè)備讓光線穿過手指,然后測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)。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(hào)用作電路的輸入,可以了解心跳監(jiān)測(cè)器的行為。

          為了獲得相關(guān)輸出,輸入信號(hào)要經(jīng)過多個(gè)回路:

          ●   前置放大器:來自心跳監(jiān)測(cè)設(shè)置的輸出信號(hào)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(hào)并去除高頻(噪聲)。

          材料

          ●   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)

          說明

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


          1686743114333612.png


          圖1.

          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(hào)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:


          1686743101676742.png


          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(cè)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(cè)設(shè)置的輸入信號(hào)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


          1686743086993825.png


          除了濾波外,該級(jí)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):


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          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(hào)。有源低通濾波器的工作原理和頻率響應(yīng)與簡(jiǎn)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(hào)相對(duì)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:


          1686743049912371.png


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


          1686743037552468.png


          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(shì)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(jí)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(jí)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(jiǎn)而言之,該電路旨在對(duì)來自剩余不必要頻率(即高于心跳最大頻率)的信號(hào)進(jìn)行低通濾波(R4、C2),并通過反相放大器放大有用信號(hào),增益(AV)由R6和R5的比率確定:


          1686743011374005.png


          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(hào)幅度,以圖形方式確定電路的總增益(圖2)。


          8.jpg


          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(hào),以圖形方式確定輸出信號(hào)在哪個(gè)頻率范圍的放大效果更佳(圖3)。


          9.jpg


          圖3.輸出電壓——交流掃描

          硬件設(shè)置

          使用模塊中設(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(cè)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。


          10.jpg


          圖4.試驗(yàn)板

          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(duì)齊并且指向彼此。

          觀察第三級(jí)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。


          11.jpg


          圖5.心跳輸出波形

          激活Scopy工具示波器功能的監(jiān)測(cè)功能,以讀取所獲得信號(hào)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(cè))

          ●   高通濾波器的截止頻率

          ●   第二級(jí)低通濾波器的截止頻率

          ●   第三級(jí)低通濾波器的截止頻率

          ●   第三級(jí)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。 

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          關(guān)于公司

          Analog Devices, Inc. (NASDAQ: )是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司,致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁,以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案,推動(dòng)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(duì)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(cái)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 Mercer1977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(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品,并擁有13項(xiàng)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(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問,為主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)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(xiàng)目工作,同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于20172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(xiàng)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。



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