低成本心电放大器设计报告剖析.docx
《低成本心电放大器设计报告剖析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低成本心电放大器设计报告剖析.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
低成本心电放大器设计报告剖析
低成本心电放大器（交流供电）
设计与测试报告
作者姓名：
凌伟
学号：
3013202225
学院：
精密仪器与光电子工程学院
班级：
生物医学工程一班
指导教师：
李刚
天津大学
2015年1月
1.题目要求
交流供电低成本心电放大器：
要求与主要技术指标：
A.输入电阻>5M
B.共模抑制比>80dB
C.输出摆幅>2.5V（采用单片机采集时动态范围≧28）
D.频带：
0.05～75Hz
E.具有光电隔离
F.制作相应的稳压电源
2.总体设计方案
整体电路设计框图如下：
LA
RA
RL
220V交流
Vcc
Vee
其中前置放大电路中包含有高通滤波部分。
220V交流电经稳压电源整流滤波稳压后输出±Vcc，为光电隔离后的电路供电；DC/DC隔离电路将稳压后的±Vcc隔离并输出±Vee为前级电路供电。
总体电路实物图：
3.单元电路设计
1.稳压电源
稳压电源包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。
选用桥式整流电路，这儿选取元器件要注意二极管的极限电流和变压器的功率选择。
流经每个二极管的电流，变压器功率P=UI，由于电路中电流很小，变压器功率选择成本最低的3W，整流二极管选用1N4007，该二极管主要参数：
最大正向平均整流电流1.0A、最高反向耐压1000V、正向压降1.0V。
稳压电路选用三端集成稳压器7812和7912，用以稳定输出±12V，C1C2是滤波电容，容值大小由充放电时间和输出波纹系数决定，一般取容值较大的电容，此处耐压为15V，因此选取1000μF/25V的电容。
C3C4作用是缓解负载突变、改善瞬态响应，这儿取220μF/25V。
C5C6用来实现频率补偿、防止自激振荡、减少高频噪声，选取参数0.1μF/25V。
实物图：
测试结果：
如图，稳压电源能稳定输出﹢11.7V、﹣11.8V，此电压下运放能正常工作。
2.DC/DC隔离电路
由于在电路中加入了光电耦合放大器，则前后级之间不能有任何电的连接，因此需要DC/DC隔离电路为前级供电，而后级用稳压电源供电。
以下是一个隔离输出±12V的芯片，然而在实验室为了实验方便，在测试光电隔离部分电路时我直接用电池为前级供电。
3.前置放大电路
如图，前级放大倍数不能太高，一般为10倍左右，第一级为并联差动输入，此处放大倍数。
R4和R5用于取出共模信号至右腿驱动，之后接高通滤波，截止频率，则取R6=R7=10MΩ，C1=C2=0.33μF。
之后再通过AD620放大，放大倍数为，其中=10KΩ。
则前置放大级总的放大倍数为12倍。
AD620是一个低成本高精度的仪器放大器，具有98dB的高共模抑制比，大于10MΩ的输入阻抗，因此符合本实验电路的要求。
实物图：
测试结果：
测试时输入端接信号发生器，其中一个输入端要接地，输入正弦信号，用示波器检测输出幅值。
频率/Hz
输入/mV
输出/mV
1
50
506.3
5
50
619.2
20
50
617.8
由于信号发生器和示波器都有带宽限制，所以1Hz的测试数据不可靠。
4.右腿驱动电路
实物图：
从前级放大里的R4R5检出共模电压，通过具有缓冲隔离效果的跟随器，经反相放大器放大，再通过电阻R1反馈到右腿，减少位移电流的干扰。
5.光电隔离电路
实物图：
测试结果：
实际使用的光耦是PC817C，传输正弦时发现会有一定时间延迟，但是线性度还好
6.低通滤波电路
低通滤波电路的理论电阻阻值为21kΩ，实验调试时为将截止频率调到75Hz，将电阻换成图中阻值的电阻。
实物图：
测试结果：
频率/Hz
10
40
75
100
输入/mV
52.22
53.06
53.06
53.06
输出/mV
51.48
45.14
37.22
25.3
7.50Hz陷波电路
实物图：
测试结果：
频率/Hz
47
50
53
输入/mV
51.48
51.48
51.48
输出/mV
35.24
7.52
31.28
仅保存了较早的实验图片和数据，实际实验中通过不断调整R1R2的阻值，使得中心频率在50Hz，再调节电位器，最好的时候在50Hz处能陷到原输入幅值的1/30，输出的心电基本没有50Hz的工频干扰。
由于题中没有关于陷波带宽的要求，所以我的50Hz陷波适当将Q值降低，以获得更好的陷波效果。
8.后级放大电路
实物图：
测试结果：
测试时输入端接信号发生器，输入正弦信号，用示波器检测输出幅值。
由于刚开始后级放大只放大了100倍，发现心电幅值很小，后来又逐渐增大放大倍数至266倍，于是仅保存了之前放大100倍的图片。
4.性能指标测试
12/10/2015测试结果：
（第一次出心电！
！
！
太感人了！
！
）
12/15/2015测试结果：
50Hz干扰很严重
12/19/2015测试结果：
重新调整50Hz陷波，干扰小了很多
12/24/2015测试结果：
放大倍数已经达到要求，工频干扰也较小
12/31/2015测试结果：
跨年夜并没有带来好运，用自己做的稳压电源给电路供电后，50Hz干扰又爆炸了，即使陷波电路调整得较好，干扰还是很大。
猜想是稳压电源变压器没有屏蔽措施，或屏蔽得不好，磁通泄露产生了较强的电磁干扰，从而使电路工频干扰增大。
1/5/2016测试结果：
基本是最终输出结果了
题目要求的电路性能指标的测试结果：
除稳压电源的干扰问题没解决外，其他技术指标均达到要求。
5.总结与感想
对题目设计和测试结果进行总结：
刚开始设计电路时一头雾水，不知从何下手，之后咨询了上一届的学姐，自己也看了一遍医电书，在网上找了些论文，大致了解了心电图机的结构，于是便有了报告最开始的那个设计框图。
前置放大部分参考了医电书上的共模驱动电路和右腿驱动电路，低通、陷波和后级放大部分都是之前实验做过的，所以电路结构比较熟悉。
稳压电源参考了模电书上学过的知识。
然而实验之后才发现，设计的理论值与实验的实际值相差甚远，比如低通截止频率降到了71Hz，比如50Hz陷波的中心频率偏到了57Hz，又比如刚开始没有考虑到稳压电源里的耐压导致电容烧了几个。
这就印证了李老师的一句话，“怎么努力都不过分”，所有的电路都需要不断地实验不断地调试才能接近所要求的指标，例如陷波电路，要想将中心频率调至50Hz就得1K1K地增减电阻，找到最合适的阻值。
总体来说，还是基本达到了老师要求的指标。
稳压电源虽然能稳定输出直流，但验收那天我依然选择用实验室的直流电源供电，一方面是怕自己制作的稳压电源出故障烧坏电路…另一方面是依然没能解决稳压电源接入电路后工频干扰增大的现象。
我猜想可以给变压器加一个屏蔽盒，减少电压器引起的电磁干扰；也有可能是光电隔离部分做得不够好，电路的抗干扰能力比较差。
开题报告时的问题：
1.前置放大处的右腿驱动问题
开题报告时我的前置放大里没有共模驱动，而是直接从高通部分对称的10MΩ电阻处取出共模信号加至右腿驱动，老师说这样除非高通处电阻电容的精度足够高，对称性足够好，不然一点点偏置电流经过10MΩ，产生的电压就足够影响此处取出的共模电压，使得右腿驱动没意义。
之后我就在并联差动输入后接入两个10KΩ的电阻，取出共模信号，经过跟随器后一方面接至右腿驱动，另一方面接到高通的结点上，既可以成功检出共模电压，也可以降低高通电阻电容的精度要求。
2.光电隔离
我使用的PC817C光耦内部是由一个半导体发光二极管和一个光敏三极管组成，输入的电信号驱动二极管发光，被光探测器接受产生光电流，再经过放大后输出，实现光-电-光的转换，从而起到隔离作用。
光电隔离只能从输入流向输出，单向传输性提供了良好的抗干扰能力。
实验时需通过电位器调节静态工作点，使得三极管在正常线性工作区，才能保证光耦的传输呈线性。
3.50Hz陷波
陷波电路刚开始我只用了一个1M的电位器调节Q值，实验时发现基本调不了带宽，要么50Hz处陷得不好，要么带宽非常大，从十几Hz就开始衰减。
后来改用1K的电位器，再串联一个10K的电阻，这样相当于仅有20%的可调范围，可以较为精确地调Q值。
课程体会与感想：
首先要感谢老师这学期的教导，虽然刚开始在舆论影响下对老师很敬畏，每节课也努力地坐前排，但是后来发现这种模式的好处就是整整一节课都在全神贯注地听课，这是上大学以来第一次那么认真那么完整地听课。
而且每次课堂留的思考题，每次做实验遇到的问题都得自己翻书查资料，在这其中学到了不少知识，比如一个最简单的RC电路，根据不同阻值容值的搭配可以是很多不同的电路；又比如第一节课那个最初的问题，“运放有哪些参数”，虽然现在我也没把握把参数说全，但是这就告诉我们设计电路时需要考虑的因素有很多，让我对元器件的选择有了新的认识。
虽然老师一直在责备我们是“傻瓜式的学习”，但我却是挺认可的，因为实际做了实验才知道自己模电知识学得多么肤浅，不管是之前的实验还是最后的大作业，都得经常去实验室，不仅对示波器、信号发生器等基本仪器的使用变得熟悉，还深刻认识到理论和实际的差距，纸上的东西都是不靠谱的，别人所说的经验参数到自己这儿可能误差就非常大，所以还得自己动手去尝试。
“一个测量仪器的永恒目标是——更低的噪声、干扰，而不是多高的放大倍数。
”这句话在做心电放大器时感受最为深刻，当时心电信号太小，为了输出幅值能达到要求，我优先让放大倍数变大，但这样也放大了噪声，显示的心电特别难看。
之后才选择好好调试陷波电路，同时尽量少用导线，因为我感觉每根导线都有引入干扰的可能。
尽管过程很艰辛，但是最后验收时还是有满满的成就感。
总得来说，这门课让我体会到了设计测量电路的复杂与魅力所在，亲身体验了由理论设计到动手实践的过程，最关键的是我觉得我或多或少地还是学到了点真才实学。
升级会员 