精密仪器电路设计.docx

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精密仪器电路设计

一：

概述：

神经信号的特点：

人体大脑皮层的神经元具有自发的生物电活动，使得大脑皮层经常具有持续的节律性电位的改变，临床上利用双极或者单极记录方法在头皮上观察大脑皮层的电位变化，记录到的脑电波称为脑电图。

脑电图机就是用来研究大脑神经细胞活动的精密电子仪器，它迅速而准确地记录大脑两半球电活动的曲线。

由于脑电信号属于低频微弱的自然信号，其幅值一般在0.5-100uV，频率在0.5-100Hz左右，具有不稳定性和非线性的特点，容易受到各种噪声的干扰，为了对其进行处理，记录及显示，必须首先把电极检测到的脑电信号放大到所要求的强度，因而信号放大器就成为脑电图机的关键环节及设计的主要内容。

其中设计中常遇到的技术困难如下：

（1）脑电信号十分微弱，一般只有50uV左右，因此它要求放大增益比一般仪器高得多

（2）脑电信号频率低，这使得放大器的低频截止的选择非常困难，当受到尖峰脉冲干扰时放大器容易出现堵塞现象；

（3）存在工频50Hz和极化电压等强大的背景干扰，其中工频50Hz干扰主要以共模形式存在，幅值较大，所以脑电信号放大器必须具有很高的共模抑制；。

（4）由于人体是一个高内阻信号源，其内阻抗既易于变化，又可能各支路不平衡，所以脑电信号放大器的输入阻抗必须在几兆欧以上；

可见，要设计出高质量的脑电信号放大器，要求前置放大器必须具有输入阻抗高，共模抑制比高，噪声低，非线性度小，抗干扰能力强等特点。

二放大电路设计的整体框架

关键框架设计要领：

1前置差分放大电路：

前置放大设计在“三运放”的基础上，通过采用新型的电路结构，巧妙地利用了仪器放大器共模抑制比与增益的关系，并结合阻容耦合电路，共模驱动技术等，可以在抑制直流干扰的情况下提供较高的共模抑制比；

250Hz工频陷波电路

工频干扰是脑电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，但部分工频干扰是以差分信号形式进入电路的，且频率处于脑电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因素，前级电路输出的脑电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。

3电压放大电路

由于脑电信号频率低，因此该电路采用交流自举技术，使得在低频时也具有很高的输入阻抗，从而具有较强的交流耦合能力。

4低通滤波器

电路要求低通滤波器的通带尽可能平坦，滚降速率越快越好，以便获得较高的信噪比。

根据信号特点，选用巴特沃斯型三阶滤波器，截止频率为100Hz.

5带通滤波器

电路要求探测大脑内神经细胞活动，放大器的输出通道中第一个通道是记录actionpotentials，频段为300-5000Hz，因此需要设计带通滤波器频率在300-5000Hz之间，选择适当的电阻可以实现功能。

三整个放大电路设计的原理图

前置差分放大电路：

（引用论文）

50Hz工频陷波电路

如下图：

相关阻值确定：

采用OPA735构成正反馈的有源双T带阻滤波器，下式给出了由节点导纳方程求得其传递函数：

式子中R=R1=R3，C=C3=C4，β=R5/（R4+R5）,该电路的Q值随着反馈系数β的增大而增大，下式中给出了该电路中Q值与β（0<β<1）的关系：

随着Q值的增高，电路将会出现不稳定甚至自激，因此一般将Q值选在几至几十的范围内。

调节R4和R5可以改变Q值的大小，这里R4=470Ω,R5=10kΩ,β=0.96,Q=5.6

根据中心频率公式f=

计算出陷波器的中心频率为50.01Hz,与实际目的符合。

电压放大电路

电压放大电路的设计采用交流自举技术，，自举要发挥作用，必须在上图50Hz陷波滤波器的R1下端提供特别靠近其上端的电压。

这样，电阻R1上流过的电流就很小，因而阻抗就很大。

否则，发挥不了自举效果。

其输入阻抗为

由上图50Hz陷波电阻参数可以求得输入阻抗：

Z（1Hz）=188.46kΩ,Z（10Hz）=2MΩ，要想提高输入阻抗，则必须增大R1，R2，C2的数值，具体电阻数据如下图

低通滤波器的设计

低通滤波器的截止频率为100Hz，根据信号特点选择巴特沃斯型三阶滤波器，如下图所示，R1和C1构成第一阶低通滤波器，R2和C2构成第二阶低通滤波器，R3和C3构成第三阶低通滤波器

相关参数确定：

下式为三阶低通滤波器转移函数：

可以把它分解为一个一阶和一个二阶转移函数的乘积，即

其中

一阶转移函数可以用一阶有源RC电路来实现，

可以用二阶有源RC电路来实现。

（1）一阶有源电路如下图所示：

（2）二阶有源电路如下图所示：

上述电路两者级联而成三阶RC电路，见下图：

阻值电容参数确定：

去归一化三阶RC低通滤波器：

归一化主要包括频率归一化和阻抗归一化两部分。

所谓频率归一化是指选一个频率归一化因子ω，且ω=

显然，ω在数值上等于实际要求的截止角频率，但其为一个无量纲的数。

把实际频率除以ω便得到归一化频率，即ωn

所谓阻抗归一化，是指选一个阻抗归一化因子

且

把实际阻抗除以Z，便可以得到归一化阻抗值。

对于电阻：

Rn=R/Z.

对于电感和电容同理可以求得归一化的电感电容值。

因为题目要求设计100Hz截止频率的低通滤波器，则归一化角频率为ω=628.3rad/s,不妨选取R1=R2=R3=32kΩ,则阻抗归一化因子为：

Z=32k，由一阶二阶滤波器知识有：

三个电容的归一化值分别为：

C1=1，C2=2，C3=0.5;

所以有：

因此所有电阻值和电容值也就确定下来。

带通滤波器的设计：

要求设计带通滤波器频率段在300-5000Hz之间的滤波器，我们选择设计中心频率为1000Hz，通带频宽度为100Hz，则品质系数为10，通带电压放大倍数A=2；

理论知识：

选取如下图所示压控电压源二阶带通滤波电路；

由理论知识知道：

该电路的传输函数为：

参数设计：

通带中心角频率处的电压放大倍数为：

通带的中心角频率：

（1）

不妨取C=0.01uF，为使电路稳定工作必须要求Af<3,取Af=2，即R4=R5

由此可以算出电阻：

取标称值R1=160kΩ

将Af=2，

代入得：

R3=2R2

C=0.01uF,R1=160kΩ,R3=2R2代入以上

（1）式得R2=11656Ω，R3=23312Ω

取标称值：

R2=11.8kΩ。

至此压控电压源二阶带通滤波器无源器件参数基本确定。

四利用软件仿真电路检验设计情况

150Hz工频陷波电路

50Hz工频陷波电路仿真图

2电压放大电路

Multisim模拟电路如下图所示

输入信号振幅为10V，输出信号为522V左右，放大倍数在50倍左右，符合设计目的。

3低通滤波器的设计

Vi（v）

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

f（Hz）

5

10

15

30

60

100

150

200

300

400

V。

（v）

1.953

1.931

1.907

1.892

1.866

1.415

0．560

0.232

0.071

0.029

由仿真曲线看出在低通滤波器的截止频率为100Hz左右，符合设计要求，完成第二个通道记录micro-EEG的信号要求；

4带通滤波器的设计：

1利用multisim仿真电路

使用mulitism软件仿真图如上所示，仿真效果如下：

即放大倍数为输入信号的2倍；

由波特图仿真可以看出，得到的中心频率为987.118Hz,

以上两图得到模拟的两个截止频率分别为1040Hz和940Hz.

通过以上仿真得出结论：

仿真结果基本满足设计要求，所选器件参数没有错误，可以进行实际制作阶段。

2利用protel进行电路板的设计

1）电路原理图：

2）PCB布线

电路板的测试：

输入信号幅值为3V，输出电压与频率之间的对应关系的测量与处理如下图

根据表格可以看出中心频率为1140Hz,中心频率处的增益为2倍。

五心得体会：

通过对精密仪器电路仿真的学习并完成这个小论文，过程中学会了许多东西，包括对滤波器理论知识的学习和设计，使用各种仿真软件如multisim，ptotel电路板，electricsworkbench等，设计电路的检验，论文的写作，这些足以看出在实践中检验真理的定理，往往比在书本上学到的更多更牢，这是我对仿真论文设计的一点认识。