壹、設計目的
1.1學習三運放電路工作原理與設計方法;
1.2 學習差模信號與***模信號;
1.3熟悉巴特沃茲低通濾波器的設計。
二、設計內容與要求
2.1設計心電放大電路，技術指標如下：
2.1.1差模放大倍數AVD=100;
2.1.2***模抑制60dB;
2.1.3通頻帶0~30Hz。
2.1.4阻帶截止深度40dB.
三、心電放大器基本原理
心電放大器即心電圖( Electrocardiogram) 信號放大器。將Ag2AgCI 電極貼在病人左臂、右臂和大腿上,從體表獲得的心電信號經集成運放CF318 構成的前置放大器放大後,再經濾波處理,然後進入ADC 進行模數轉換,送記錄儀或液晶顯示。因此壹高阻抗、高增益的放大器是準確獲取心電信號的關鍵。心電放大器模擬部分如下圖所示：
確定心電放大器的性能指標
(1) 人體心電信號幅度壹般在
50μV～5 mV ,屬於微弱信號,放大器輸出信號壹般在- 5～ + 5V ,因此,要求放大器的差模電壓增益為100左右;
(2) 信號的頻率範圍(通頻帶) 壹般為0-30Hz;
(3) 人體內阻、檢測電極與皮膚的接觸電阻為信號源內阻,阻值壹般為幾十kΩ ,為了減輕微弱心電信號源的負載,要求放大器的差模輸入阻抗大於10 MΩ;
(4) 人體相當於壹個導體,將接收空間電磁場的各種幹擾信號,它們對放大器來說相當於***模信號,因此放大器的***模抑制比為60dB;
(5) 要求具有低噪聲和低漂移特性。
微小信號的放大
方案設計:
(1)采用多級集成運放實現差模電壓的高增益,且各級增益均衡分配。
(2)三運放放大電路：
由於輸入阻抗、***模抑制比和噪聲主要取決於前級,因此輸入級采用集成運放CF318構成前置放大器,該運放能實現高輸入阻抗和低噪聲。該放大電路分兩級，第1 級:A1 、A2 及相應電阻構成前置放大器。第二級采用差分式放大電路實現信號放大。兩級總的放大倍數為5倍。電路圖如下：
該電路輸出特性為：
當 =100k, =k=51k, = =100k時， Vo=-5Vi
該放大器第壹級是具有深度電壓串聯負反饋的電路，所以它的輸入電阻很高。如選用相同特性的運放，則它們的***模輸出電壓和飄移電壓也都相等，組成差分式電路以後，可以互相抵消，所以它有很強的***模抑制能力和較小的輸出飄移電壓，同時該電路可以有較高的差模電壓增益。
（3）二階巴特沃茲低通濾波放大電路：
具有理想特性的濾波器上很難實現的，只能盡量逼近理想特性，常用的逼近方法有巴特沃茲（Butterworth）最大平坦響應和切比雪夫（C h e b y s h e v ）等波動響應。切比雪夫濾波電路的截止頻率處衰減快，但通帶裏有較大波動。在不允許通帶裏有較大波動的情況下，為了在通帶範圍內可得到最平坦的幅頻曲線，選擇Butterworth 型二階低通濾波電路. 它結構簡單，帶內紋波小，濾波效率高。
由於50 Hz的幹擾信號較強,故在濾波電路中,采取低通濾波濾出30Hz 以上的信號,這樣就能濾除30Hz以上的幹擾信號。因此采用集成運放A4 及電阻、電容組成低通有源濾波器。為滿足帶寬要求該低通濾波器由C 、R10 構成,上限頻率為f H = 30Hz， 由於在濾波電路中采用了RC 低通濾波電路,該電路具有較高的輸出阻抗,所以後級放大采用了同相放大電路,該級差模增益為2倍 ,從而保證整個電路放大倍數為125倍左右。另外,由於該濾波器的特性參數對元器件的精度很敏感,因此在設計中需用精密的阻容元件來獲得較好的效果。電路原理圖如圖2 所示。
二階低通濾波器的傳遞函數
其中， ,等效品質因數Q=1/(3-A),特征角頻率
截止頻率f=30Hz,C=0.1uF, ，計算得R=53.1k，取標稱值為51k，
獲得的放大倍數為 ，為保證放大倍數A=2，取Rf k.=100KM,R1.=100K。
（4）反向比例放大電路：
用集成運算放大器A5構成的反向比例放大電路，應為該電路的輸入電阻比較大可以直接接在濾波電路後面，整體要求整個電路的放大倍數為100左右，因此此級放大電路的放大倍數約為5～6倍才能滿足設計要求。其電路圖如下：
對於這個電路，其放大倍數為AV=Rf/R1.可以取R1=R2=10K，Rf=51K。
（5）將以上三個電路合在壹起就組成整個電路的電路圖。如下所示：
四、器材選擇
1、 在三運算放大電路中，前面的兩個分壓電阻阻值應比較大且精度較高，因為在該處要形成壹組大小相等，相位相反的差模電壓，如果電阻阻值較低或者精度較低都會產生較大的誤差，經過集成運放放大後的誤差更大，從而影響的本來就很微弱的心電信號的測量。因此可以選金屬膜電阻器RJ型阻值為30M的高精度電阻。
2、 心電信號的大小大約在50?0?8V～5mV左右，經過第壹級三運放放大電路放大後的電壓也只是幾十毫伏，電壓較低，因此功率不會超過壹般電阻的額定功率。因此壹般的電阻都能夠滿足要求.可以選用碳膜電阻RT型。
3、 對於含有集成運放的電路，都必須要考慮調零的問題，而對於測量心電信號這樣的小信號，調零的必要性顯得尤為重要。調零方法：在1腳和5腳之間加壹個調零電位器，其阻值為0～10KΩ，將輸入端短接，測量輸出端電壓，調節電位器，使輸出電壓為零即可。
4、 本電路要求***模抑制比大於60dB，具有高精度，低漂移，溫度系數小，輸入電阻大等特點，綜合考慮可以選用CF318集成運放。對於集成運放CF318，其各腳功能如下：1，5既可以是調零又可以是相位補償，2為反相輸入端，3為同相輸入端，4為負電源，7為正電源，6為輸出端，8也是相位補償。因此用CF318可以直接在1和5之間外接壹個電位器對運放以及整個電路進行調零。
5、 電路要求***模抑制比為60dB，KCMR=|AVD/AVC|，此電路無法直接計算出***模電壓增益，只能通過測量的方法測出***摸電壓增益。測量方法：將兩輸入端接在壹起和壹個電壓為Vi的輸入信號相接，測量輸出端的電壓VO，可以得到AVC=VO/Vi，計算出***摸抑制比。
6、 30HZ二階巴特沃茲低通濾波電路
要求所測的信號的頻率範圍為0～30HZ，要求低通濾波器在0～30Hz
平坦特性比較好。巴特沃茲低通濾波器具有最大平坦特性。選用二階巴特沃茲低通濾波器的各元器件的參數如下：C1=C1=0.1?0?8F， R=5.1K,Rf=R1=100K.由於1?0?8F以上的電容大都為電解電容，濾波效果不好，而100pF以下的電容容易產生分布電容，因此這裏選用CT4型號的中的0.1?0?8F的無機介質電容，它的工作電壓為40～100V，溫度範圍-25～85度，完全滿足該電路的設計需要。對電阻的要求不是很高，可以選用最常用的碳膜電阻RT型。