心电放大器电池供电电路测试报告 2.docx
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心电放大器电池供电电路测试报告 2.docx
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心电放大器电池供电电路测试报告2
心电放大器(电池供电)电路测试报告
心电放大器(电池供电)电路测试报告
一、实验概述
从心电放大器(电池供电)电路的最初设计、到答辩时按照李刚教授的指导所进行的修改,以及后续的焊接、检测,整个心电检测装置调试为期一个多月。
在这一个多月中,自己从最初仅仅对电路的大致理解,到对电路的分模块分析,明白其原理,最到到用实验验证理论,从实践中检验自己的所学。
由于自己单片机的知识相对薄弱,没能采用单片机进行信号的精确处理。
因此在整个心电放大器设计中,以硬件电路为主,尽可能的采用一些方法减小噪声,以生成比较完美的心电图。
二、实验电路
实验伊始,先按照最初的设计来进行电路的连接。
连接完测试时,发现一个比较重要的问题——噪声过大。
基于整体电路的设计没有问题,对部分电路进行了改动,以减少噪声的干扰,尤其是工频干扰的影响。
所采取改良的措施:
1、将前置放大电路中的四个OP07改用为OPA4251。
OPA4251相比于OP07有如下的优点:
1)集成性好
2)低功耗(Iq=25μA)
3)轨到轨rail-to-rail能够增加动态范围、抑制非线性失真、支持低电压
4)高共模抑制比(124dB)
2、尽量减少至于电路上方的电路线,防止其产生电场干扰。
并且通过焊接线将各个芯片的正负地等等引脚相连、
3、将芯片的正负电源同地之间分别加电容,起到耦合作用。
加入耦合电容之后,能够有效地抑制电磁干扰信号的传入,对容易受干扰的器件或电路加以屏蔽。
4、更换前置电路的相关参数,改变放大倍数。
第一级的放大倍数由原先的4倍改变到7倍。
增大此倍数的原因是能够在第一级就可以将提取的的信号放大,不至于因为放大太小而导致在随后的电路中信号衰减过多。
第二级放大倍数由原先的26倍改变到15倍左右,使得整个前置的放大倍数能够在110倍左右。
5、将低通改在后级放大之后,进而能够有效的滤除高频噪声的干扰。
经过实际检测相比于低通在陷波、低通之前,产生的波形的噪声更小。
6、将能够使电源取反的芯片由TI7660换成ltc660,使整个负端的电压输出电流的能力增强。
7、将后级放大电路做了比较大的变动,增加了隔直电容与滤波电容。
通过数次的修改电路,所得到的比较好的波形如下所示:
(其中,左图为本次实验电路板及其产生的心电波形
右图为保存的输出较为完美的心电波形图)
经过修改后的实验最终电路如下:
1)前置:
原理图:
实际焊接图:
在前置放大电路设计的时候,将最初的放大倍数改成了整体放大117倍左右。
其中:
第一级放大7倍
第二级放大倍数约为17倍。
更改参数的原因是,希望第一级放大能够将心电的信号在最开始的时候放大足够多的倍数,避免后续电路的损耗过多。
同时,整个前置的放大倍数希望能控制在100左右,避免将噪声放大的过多。
2)50Hz陷波
原理图:
实际焊接图:
整体电路按照最初电路焊接,准确的陷波点利用电位器进行调试。
3)低通
实际焊接图:
低通依旧采用MAX291,希望能够利用其高阶巴特沃斯滤波器的性能进行低通滤波。
4)后级放大
原理图:
实际焊接图:
整个后级放大进行了比较大的变动。
将电阻的参数进行了改动,同时新增了电容:
增添隔直电容,滤去前面的直流信号;同时采用低通与高通滤波,进一步滤去一些低频和高频的信号。
整个电路焊接的布局如下:
注:
上图从上到下,从左到右依次是:
电源、前置、50Hz陷波、低通和后级放大
(信号流经的过程为:
前置、50Hz陷波、后级放大、低通)
第一个板子的右侧为采用OP07搭建的前置,经过测试后发现其因为对称性等原因,最后产生的波形噪声比较大(也可能跟其他原因有关,但总体的电路性能不好)。
因此在第二个板子上焊接了另一个由OPA4251搭建的前置。
下图为一开始产生的噪声过大的心电图
在最初焊接第一个前置时,由于采用了OP07单运放放大器,因此整个电路板的布局十分纠结,排列的线也“错综复杂”,并且兼于自己焊接电路水平有限,焊接完成的电路板的确不敢恭维,导致在最后测试的时候发现整个电路噪声过大,严重干扰了自己的检测。
于是,自己静心开始采用OPA4251这个四运放放大器进行前置的搭建。
在这次焊接的时候,事先设计了整个电路的排布,想好了如何减少用线,如何发挥整个电路板的整个空间。
在整个焊接的过程中认真仔细,最终焊接成功了一个用线少,看起来比较美观的前置放大电路。
看到自己焊接成功的前置放大,有一种成就感和满足感,我想,这也就是工科女最为自豪的事情吧。
三、性能指标测试
1、前置放大电路相应参数测量
在最后一级输出端测量输出信号的幅值
1)差模信号
输入17Hz(人体心电信号能量最为集中的频率)差模信号。
Vi/mV
(峰峰值)
4
10
50
120
140
Vo/V
(峰峰值)
0.45680
1.10884
5.61
9.10
9.19
图像性质
放大无失真
放大无失真
放大无失真
开始失真
失真
放大倍数
差模增益
114
111
112
/
/
相应图像
Vi/mV
(峰峰值)
160
300
400
800
2000
Vo/V
(峰峰值)
9.19
9.19
9.19
9.18
8.96
图像性质
失真
失真
失真
失真
失真近似方波
放大倍数
差模增益
/
/
/
/
/
相应图像
观察测量的图像,可以看到在比较低的差模输入信号下,可以得到不失真的放大输出。
放大倍数在120倍左右。
当输出出信号超过9V左右的时候,图像开始出现失真。
随着输入信号幅值的增大,其失真程度越来越大,最后失真成方波。
在这次测试的时候,发现随着所加电压的增大(0.8V~2V),输出信号的幅值会有略微减小(9.18V降到8.96V)。
2)共模信号
输入17Hz(人体心电信号能量最为集中的频率)共模信号。
Vi/mV
(峰峰值)
4
10
50
120
140
Vo/mV
(峰峰值)
1.00
2.04
6.60
15.44
18.60
放大倍数
共模增益
0.25
0.204
0.132
0.129
0.129
相应图像
Vi/mV
(峰峰值)
160
300
400
800
2000
Vo/mV
(峰峰值)
17.76
21.63
27.60
50.42
107.12
放大倍数
共模增益
0.111
0.072
0.069
0.063
0.053
相应图像
观察测量的图像,可以看到共模输入信号下,输出信号的幅值比较小。
在最开始信号幅值比较小时,增益比较大。
其原因可能是示波器的显示不能显示有一定的误差,或者是加入了噪声。
3)差模信号&共模信号
差模信号的放大倍数可以达到114倍,共模信号的放大倍数可以达到0.053倍,因此其共模抑制比为:
2151。
换算成分贝可以得到67dB
可以观察到,在正常不失真放大的情况下,前置电路的共模抑制比比较高。
因此能够有效的去除共模干扰。
能够达到比较高的共模信号的主要原因可能在于:
a)采用了高共模抑制比的OPA4251,并且很好的利用了他的对称性。
b)连接电路的时候尽量减少了电路线,并且有效的利用了对称性。
c)采用了耦合电容,能够或多或少降低了电磁场干扰,去掉一些干扰信号
前置放大电路中的高通电路部分测试:
测试的电路如下:
输入幅值为1V的正弦信号,改变其频率,测量其输出信号。
测试所得数据如下:
频率/mHz
10
20
30
40
50
60
70
Vo/mV
31.08
118.80
166.32
213.64
261.36
304.92
352.44
增益
0.031
0.118
0.166
0.213
0.261
0.304
0.352
频率/mHz
80
90
100
110
120
130
140
Vo/mV
388.08
427.68
459.36
498.96
526.68
554.40
582.12
增益
0.388
0.427
0.459
0.498
0.526
0.554
0.582
频率/mHz
150
160
170
180
190
200
210
Vo/mV
609.84
625.68
653.40
669.24
689.04
704.88
736.56
增益
0.609
0.625
0.653
0.669
0.689
0.704
0.736
频率/mHz
220
230
240
250
260
270
280
Vo/mV
752.40
760.32
784.08
784.08
799.92
799.92
815.76
增益
0.752
0.760
0.784
0.784
0.799
0.799
0.815
频率/mHz
290
300
310
320
330
340
350
Vo/mV
823.68
831.60
847.44
855.36
863.28
855.36
871.20
增益
0.823
0.831
0.847
0.855
0.863
0.855
0.871
频率/mHz
360
370
380
390
400
420
440
Vo/mV
871.20
879.13
887.04
887.04
887.04
894.96
918.72
增益
0.871
0.879
0.887
0.887
0.887
0.894
0.918
频率/mHz
460
480
500
520
540
560
580
Vo/mV
910.80
926.64
926.64
934.56
934.56
942.08
942.48
增益
0.910
0.926
0.926
0.934
0.934
0.942
0.942
频率/mHz
600
620
640
660
680
720
760
Vo/mV
950.40
950.46
958.32
958.32
958.32
966.24
974.16
增益
0.950
0.950
0.958
0.958
0.958
0.966
0.974
频率/mHz
780
800
850
900
1000
1200
1400
Vo/mV
974.16
974.16
980.12
982.08
990.00
997.92
997.92
增益
0.974
0.974
0.980
0.982
0.990
0.997
0.997
频率/mHz
1600
1800
2000
Vo/mV
1010
1010
1010
增益
1.01
1.01
1.01
根据数据得到波形如下:
由上图可以看到高通部分的截止频率在0.2Hz左右,能够有效的滤除低频信号和直流信号。
总体来说,前置时心电检测装置非常重要的一部分。
需要尽量提高其共模抑制比,是的心电信号能够在最初的时候得到合适的放大。
焊接电路的时候要充分利用芯片的对称性,尽量减少线,尽量做到美观。
2、50Hz陷波
输入峰峰值为1.00V的正弦信号,通过调节频率,可以观察输出波形的峰峰值。
频率/Hz
1
5
10
15
17
Vo/V
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
增益
1.01
1.01
1.01
1.01
1.01
频率/Hz
20
25
30
35
40
45
46
Vo/V
0.998
0.99
0.902
0.839
0.571
0.348
0.237
增益
0.998
0.99
0.902
0.839
0.571
0.348
0.237
频率/Hz
47
48
49
50
51
52
53
Vo/V
0.190
0.134
0.083
0.053
0.089
0.143
0.182
增益
0.190
0.134
0.083
0.053
0.089
0.143
0.182
频率/Hz
54
55
56
57
58
59
60
Vo/V
0.222
0.269
0.308
0.349
0.380
0.412
0.451
增益
0.222
0.269
0.308
0.349
0.380
0.412
0.451
频率/Hz
65
70
75
80
85
90
95
Vo/V
0.563
0.665
0.736
0.792
0.824
0.855
0.879
增益
0.563
0.665
0.736
0.792
0.824
0.855
0.879
频率/Hz
100
105
110
115
120
125
130
Vo/V
0.902
0.919
0.927
0.935
0.935
0.942
0.950
增益
0.902
0.919
0.927
0.935
0.935
0.942
0.950
频率/Hz
140
150
160
170
180
190
200
Vo/V
0.958
0.963
0.974
0.982
0.982
0.990
0.990
增益
0.958
0.963
0.974
0.982
0.982
0.990
0.990
频率/Hz
210
220
230
240
250
260
270
Vo/V
0.990
0.990
0.990
0.990
0.990
0.990
1.01
增益
0.990
0.990
0.990
0.990
0.990
0.990
1.01
其对应的图像为:
该电路的截止频带在37~72Hz的范围内,截止频带比较宽。
在50Hz处能够做到陷波至53mV。
能够下降25dB。
其优点为:
能够防止电路产生振荡,同时又能尽量滤除干净50Hz左右的一些噪声。
缺点为:
某一些频率点的幅值发生了衰减,会导致心电信息的衰减。
50Hz陷波模块是心电检测装置中最为重要的一个模块,他能有效的去除工频干扰。
但是,在实际电路中,采用理论参数是无法得到比较好的陷波效果(陷波点不对或者是Q值不合适)。
因此,在焊接电路时,应当注意采用电位器。
并且将电位器调节到理论的参数值,便于后续的调节。
在进行调节时,注意先调节前三个相互匹配的电位器,将50Hz的那一点调到最小(必须要三个同时调节,以达到最好的效果)。
然后,调节剩余的那一个电位器,改变Q值,使得17Hz处能够达到增益为1,不能调节Q值过高,否则会使得整个电路振荡。
在进行50Hz调节时,收获最大的是:
一定要平心静气,静下心来去观察随着电阻的变化,示波器输出幅值的变化;所有的性能其实都是相互关联的,但是不能达到共同提升,必须通过舍弃一个性能的某一个量去换的另一个性能的提高,我们要做的就是尽量使这两者达到比较好的协调,最终使得整体的性能达到接近完美。
3、后级放大
输入17Hz(人体心电信号能量最为集中的频率)的正弦信号,改变幅值,观察输出。
Vi/V
(峰峰值)
1.00
1.10
1.13
1.20
1.50
Vo/V
(峰峰值)
8.63
9.42
9.74
9.74
9.74
图像性质
放大无失真
放大无失真
放大无失真
开始失真
失真
放大倍数
差模增益
8.63
8.56
8.62
/
/
相应图像
……
Vi/V
(峰峰值)
2.00
5.00
10.00
15.00
20.00
Vo/V
(峰峰值)
9.74
9.70
9.44
9.36
9.28
图像性质
失真
失真
失真
近似方波
失真
近似方波
失真
近似方波
放大倍数
差模增益
/
/
/
/
/
相应图像
……
……
整个后级放大模块能够很好的实现放大的功能,并且采用了TLC2252。
TLC2252是用德州仪器公司先进的LinCMOS工艺制作的双路运算放大器。
具有满电源电压幅度(rail-to-rail)输出性能。
相比于现有的CMOS运放具有更好的输入失调电压和更低的功耗,同时,噪声性能得到了很大的改进,共模输入电压范围比通常标准的CMOS类型的放大器。
呈现高输入阻抗和低噪声(在f=1kHz的情况下,典型值为19nV),很好的适用于高阻抗源。
并且由于地输入偏置电流(典型值1pA)、功耗低(每一通道35μΑTyp)。
因此,整个电路的噪声相对来说比较低,并且其动态范围比较宽。
可以从测得数据中看出,当输出电压幅值为9.7V时,依旧能够有效不失真的放大。
在后级放大电路的测试中,发现了一个比较有趣的现象,随着电压的升高(从2V到20V),输出电压的幅值有略微的减小(从9.74减小到9.28)。
这个现象在前置放大电路整体检测的时候也出现过。
自己分析,可能是因为示波器的显示问题,也可能是芯片本身的性质所导致。
后级放大较前面的设计做了比较大的改动后,具有了隔直的功能,观察到输出的心电波形略微稳定,同时具有了滤波功能,滤除了不需要的信号的干扰。
其满足的滤波特性如下如所示:
4、低通滤波
输入峰峰值为2.00V的正弦信号,通过调节频率,可以观察输出波形的峰峰值。
频率/Hz
1
5
10
17
50
80
90
Vo/V
2.04
2.06
2.04
2.04
2.06
2.04
2.00
增益
1.02
1.03
1.02
1.02
1.03
.02
1.00
频率/Hz
100
101
102
103
104
105
106
Vo/V
1.84
1.80
1.76
1.74
1.70
1.68
1.64
增益
0.92
0.90
0.88
0.87
0.85
0.84
0.82
频率/Hz
107
108
109
110
111
112
113
Vo/V
1.58
1.54
1.49
1.43
1.39
1.35
1.29
增益
0.79
0.77
0.745
0.715
0.685
0.675
0.645
频率/Hz
114
115
116
117
118
119
120
Vo/V
1.23
1.19
1.13
1.09
1.03
0.990
0.950
增益
0.615
0.595
0.565
0.545
0.515
0.495
0.475
频率/Hz
121
122
123
124
125
126
127
Vo/V
0.891
0.851
0.812
0.772
0.733
0.693
0.653
增益
0.4455
0.4255
0.406
0.386
0.3665
0.3465
0.3265
频率/Hz
128
129
130
131
132
133
134
Vo/V
0.614
0.594
0.574
0.534
0.495
0.475
0.455
增益
0.307
0.297
0.287
0.267
0.2475
0.2375
0.2275
频率/Hz
135
136
137
138
139
140
141
Vo/V
0.435
0.416
0.396
0.376
0.356
0.337
0.332
增益
0.2175
0.208
0.198
0.188
0,178
0.1685
0.166
频率/Hz
142
143
144
145
146
147
148
Vo/V
0.337
0.316
0.297
0.245
0.225
0.205
0.194
增益
0.1685
0.158
0.1485
0.1225
0.1125
0.1025
0.097
频率/Hz
149
150
151
152
153
154
155
Vo/V
0.194
0.186
0.180
0.168
0.154
0.150
0.144
增益
0.097
0.093
0.09
0.084
0.077
0.075
0.072
频率/Hz
156
157
160
165
170
175
180
Vo/V
0.136
0.133
0.120
0.097
0.089
0.073
0.065
增益
0.068
0.0665
0.060
0.0485
0.0445
0.0365
0.0325
频率/Hz
185
190
195
200
300
Vo/V
0.045
0.043
0.041
0.039
0.033
增益
0.0225
0.0215
0.0205
0.0195
0.0165
相应的图像为:
在进行低通测试的时候,因为采用了MAX291(八阶巴特沃斯低通滤波器),所以整个低通的效果总体来说是比较好的。
能够把100Hz以上的成分滤除
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- 心电放大器电池供电电路测试报告 放大器 电池 供电 电路 测试报告
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