心電放大器的設計與仿真

1、嵌旳雯鄉(xiāng)訓於大場HANGZHOU IDIANZf UNIVERSITY電子線路CADS學期 設計報告學院：電子信息學院學號：15041523班級：15040211姓名：盧虎林日期：2017年3月11日一、實驗目的通過一個實例來說明 Pspice 對設計方案和具體電路進行分析 的過程，理解電路的自上而下的設計方法。二、實驗原理設計一個心電圖信號放大器。已知 :(1 )心電信號幅度在 50卩V5mV之間，頻率范圍為 0.032Hz 250Hz。(2) 人體內阻、檢測電極板與皮膚的接觸電阻 (即信號源內阻 )為 幾十千歐。(3) 放大器的輸出電壓最大值為 -5V+5V。1 、 確定總體設計目標由已知

2、條件( 1)可知該放大器的輸入信號屬于微弱信號 , 所要求 的放大器應具有較高的電壓增益和低噪聲、低漂移特性。由已知條 件(2)可知,為了減輕微弱心電信號源的負載 , 放大器必須有很高的 輸入阻抗。另外，為了減小人體接收的空間電磁場的各種信號 (即共 模信號) ，要求放大器應具有較高的共模抑制比。因此，最后決定的 心電放大器的性能指標如下：差模電壓增益： 1000(5V/5mV)；差模輸入阻抗：10MQ;共模抑制比： 80dB；通頻帶： 0.05Hz250Hz。2 、方案設計根據(jù)性能指標要求 , 要采用多級放大電路，其中前置放大器的設 計決定了輸入阻抗，共模抑制比和噪聲，可選用BiFET型運放

3、,本設計 采用了 LF4111 型運放(其中 Avo=4 10 ,Rid 4 10 Q ,Avc=2)，由 于單極同相放大器的共模抑制比無法達到設計要求 ( 可通過 Pspice 仿真波形看出)，本設計采用了由三個LF411型運放構成的儀用放大器。第二級放大器的任務是進一步提高放大電路的電壓增益，使總 增益達到 1000。其次為了消除高、低噪聲，需要設計一個帶通濾波 器。因為濾波器沒有特殊要求，本設計可采用較簡單的一階高通濾 波器和一階低通濾波器構成的帶通濾波器。3 、 詳細設計根據(jù)上述設計方案，確定了心電放大電路的原理圖，如圖 5-1 所示。A1、A2、A3及相應的電阻構成前置放大器，其差模

4、增益被分 配為40,其中A1、A2構成的差放被分配為16,其計算公式為： Avd1=(Vo1-Vo2)/Vi=(R1+R2+R3)/R1 ， Avd2=Vo3/(Vo1-Vo2)=- R6/R4=1.6。為了避免輸入端開路時放大器出現(xiàn)飽和狀態(tài) , 在兩個輸入端到地 之間分別串接兩個電阻R11、R22,其取值很大，以滿足差模輸入阻 抗的要求。第二級由 A4 及相應的電阻、電容構成。在通帶內,其 被分配的差模增益應為 (1000/40=25) ,即Avd3=vo/vo3=1+R10/R9=25取 R9=1KQ, R10=24KQ。 C1、R8 構成高通濾波器,要求 f =0.05Hz。取R8=1M

5、Q，則可算出 8= 4.58卩F,取標稱值電容 C1=4.7 F,算得 fL=1/(2 ji C1 R8)=0.034Hz。C2, R10構成低通濾 波器，要求f =200Hz。取R10=24Q ,可算出C2=0.03316 F,取標稱 值電容 C2=0.033 F,最后算出 f =1/(2 j C2 R10)=251.95Hz?？?見滿足帶寬要求。4，實驗原理圖R11ImVac0VdcR12321k20MEG20MEGV2Voutj V3TitleSizeDocument NumberRevARevDate:Saturday , March 11, 2017ISheet1of1Code圖5-

6、1 心電放大器原理圖三、預習內容完成心電圖信號放大器原理圖的初步設計四、實驗內容計算機仿真調試，試計算：電壓增益；上限頻率，下限頻率和帶寬;差模輸入電阻；共模抑制比。五，實驗步驟1、由直流小信號分析得到差模輸入電阻為 4 10A7Q ,共模輸入 電阻為2 10人7Q?？梢姖M足性能指標要求。2、由幅頻特性分析得到前置放大器的差模幅頻特性和共模幅頻 特性如圖5-2、5-3所示?？蓽y得差模增益 Avd=40,頻寬 BW=345151Hz共模增益Avc=7.95 10人-6?？梢?，共模抑制比為40/(7.95 10-6 )5 106=134dB 滿足性能指標要求。3、 由幅頻特性分析得到第二級帶通放大

7、器的幅頻特性如圖5-4 所示，可測得Av25,f l0.032Hz,f h =200Hz.滿足設計要求。4、 由差模輸入阻抗仿真圖5-5所示，可滿足差模輸入阻抗10M Q的要求。5、通過蒙特卡羅容差分析，得到如下結論：只有在電阻R1R7的精度為0.5%時，才能保證共模增益小于4X 10-3，共模抑制比才 能大于80dB,由此看出，儀用放大器的共模抑制比取決于電阻精度 和A1與A2的匹配程度(對A1與A2的參數(shù)進行分析也能得到同樣的 結果)。但是要購買到精度這樣高的電阻并不容易，實際上簡單而有 效的辦法是在相應的支路上串接一個精密電位器，如圖1中的Rp1、Rp2等，通過調節(jié)電位器將電路調整到最佳匹配狀態(tài)。圖5-2前置放大器的差模幅頻特性3/ V|l|圖5-3前置放大器的共模幅頻特性圖5-4第二級帶通放大器的幅頻特性加逆叱?圖5-5差模輸入阻抗仿真圖六，總結想要獲得清晰穩(wěn)定的心電信