模擬電路6

① 模擬電路課程設計：心電圖儀設計與製作

心電放大器

一、設計目的
1.1學習三運放電路工作原理與設計方法;
1.2 學習差模信號與共模信號;
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共模抑制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。因此一高阻抗、高增益的放大器是准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) 人體心電信號幅度一般在
50μV～5 mV ,屬於微弱信號,放大器輸出信號一般在- 5～ + 5V ,因此,要求放大器的差模電壓增益為100左右;
(2) 信號的頻率范圍(通頻帶) 一般為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,阻值一般為幾十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) 人體相當於一個導體,將接收空間電磁場的各種干擾信號,它們對放大器來說相當於共模信號,因此放大器的共模抑制比為60dB;
(5) 要求具有低雜訊和低漂移特性。
微小信號的放大方案設計:
(1)採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、共模抑制比和雜訊主要取決於前級,因此輸入級採用集成運放CF318構成前置放大器,該運放能實現高輸入阻抗和低雜訊。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。第二級採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
該放大器第一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，則它們的共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，所以它有很強的共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，但通帶里有較大波動。在不允許通帶里有較大波動的情況下，為了在通帶范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的干擾信號較強,故在濾波電路中,採取低通濾波濾出30Hz 以上的信號,這樣就能濾除30Hz以上的干擾信號。因此採用集成運放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， 由於在濾波電路中採用了RC 低通濾波電路,該電路具有較高的輸出阻抗,所以後級放大採用了同相放大電路,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),特徵角頻率
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一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，因為在該處要形成一組大小相等，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，經過第一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，因此功率不會超過一般電阻的額定功率。因此一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腳之間加一個調零電位器，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、 本電路要求共模抑制比大於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之間外接一個電位器對運放以及整個電路進行調零。
5、 電路要求共模抑制比為60dB，KCMR=|AVD/AVC|，此電路無法直接計算出共模電壓增益，只能通過測量的方法測出共摸電壓增益。測量方法：將兩輸入端接在一起和一個電壓為Vi的輸入信號相接，測量輸出端的電壓VO，可以得到AVC=VO/Vi，計算出共摸抑制比。
6、 30HZ二階巴特沃茲低通濾波電路
要求所測的信號的頻率范圍為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，因此這里選用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，溫度范圍-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。

② 學習模擬電路之前要會什麼基礎知識

學習模擬電路之前要掌握的基礎知識有：電路基礎，信號與系統，復變函數。

③ 模擬電路和數字電路的根本差別是什麼

一、兩者的特點不同：

1、模擬電路的特點：

（1）函數的取值為無限多個。

（2）當圖像信息和聲音信息改變時，信號的波形也改變，即模擬信號待傳播的信息包含在它的波形之中（信息變化規律直接反映在模擬信號的幅度、頻率和相位的變化上）。

（3）初級模擬電路主要解決兩個大的方面：放大、信號源。

（4）模擬信號具有連續性。

2、數字電路的特點：

（1）同時具有算術運算和邏輯運算功能。

（2）實現簡單，系統可靠。以二進製作為基礎的數字邏輯電路，可靠性較強。電源電壓的小的波動對其沒有影響，溫度和工藝偏差對其工作的可靠性影響也比模擬電路小得多。

（3）集成度高，功能實現容易。

二、兩者的概述不同：

1、模擬電路的概述：模擬電路是指用來對模擬信號進行傳輸、變換、處理、放大、測量和顯示等工作的電路。

2、數字電路的概述：用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱為數字電路，或數字系統。

三、兩者的應用不同：

1、模擬電路的應用：

（1）放大電路：用於信號的電壓、電流或功率放大。

（2）濾波電路：用於信號的提取、變換或抗干擾。

（3）運算電路：完成信號的比例、加、減、乘、除、積分、微分、對數、指數等運算。

（4）信號轉換電路：用於將電流信號轉換成電壓信號或將電壓信號轉換為電流信號、將直流信號轉換為交流信號或將交流信號轉換為直流信號、將直流電壓轉換成與之成正比的頻率。

（5）信號發生電路：用於產生正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波。

（6）直流電源：將220V、50Hz交流電轉換成不同輸出電壓和電流的直流電，作為各種電子線路的供電電源。

2、數字電路的應用：

數字電路與數字電子技術廣泛的應用於電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天等科學技術領域。

④ 在電子系統中，常用的模擬電路有哪些各有什麼功能

常見的模擬電路和功能如下：

（1）放大電路：用於信號的電壓、電流或功率放大。

（內2）濾波電路：用於信容號的提取、變換或抗干擾。

（3）運算電路：完成信號的比例、加、減、乘、除、積分、微分、對數、指數等運算。

（4）信號轉換電路：用於將電流信號轉換成電壓信號或將電壓信號轉換為電流信號、將直流信號轉換為交流信號或將交流信號轉換為直流信號、將直流電壓轉換成與之成正比的頻率。

（5）信號發生電路：用於產生正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波。

(4)模擬電路6擴展閱讀

模擬電路的特點如下：

1、模擬電路函數的取值為無限多個；

2、當圖像信息和聲音信息改變時，信號的波形也改變，即模擬信號待傳播的信息包含在它的波形之中（信息變化規律直接反映在模擬信號的幅度、頻率和相位的變化上）。

3、初級模擬電路主要解決兩個大的方面：1放大、2信號源。

4、模擬信號具有連續性。