目標(biāo)

　　本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)通過(guò)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(guò)夾在指尖上的電路來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心跳。該設(shè)備讓光線穿過(guò)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(guò)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(lái)使光學(xué)心跳監(jiān)測(cè)器正常工作。LED發(fā)出的光穿過(guò)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(lái)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(guò)多個(gè)回路：

　　▲前置放大器：來(lái)自心跳監(jiān)測(cè)設(shè)置的輸出信號(hào)通過(guò)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

　　▲ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

　　▲無(wú)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)47μF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(cè)電路

　　說(shuō)明

　　在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖1所示的心跳監(jiān)測(cè)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(lái)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(guò)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(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(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

　　前置放大器

　　來(lái)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(guò)，C1和R3充當(dāng)高通濾波器，可通過(guò)以下公式確定截止頻率F_C1：

　　除了濾波外，該級(jí)還用作放大器，將電流（I_A1）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（V_A1）：

　　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(wú)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。考慮到心率不超過(guò)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(duì)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，A_V = 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(guò)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(wú)法實(shí)現(xiàn)高于1的電壓增益，A_V = 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(lái)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(guò)反相放大器放大有用信號(hào)，增益（A_V）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500μV、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）。

　　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）。

　　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(cè)V_OUT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(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。

　　圖4.試驗(yàn)板心跳監(jiān)測(cè)電路

　　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(shuō)明中的公式。

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