目标

本实验活动通过旨在获取心跳信息的实际范例，介绍了如何使用放大器链实现增益和滤波。系统的结果提供相关输出，使用Scopy软件工具可显示该输出。

在本实验活动中，学生将学习如何驱动红外LED和光电晶体管，设计并理解低通滤波器的行为，同时探索不同配置情况下的运算放大器功能。

结合前面提到的电子设备，本活动最终将展示如何利用最少的软件和硬件设备设计实际应用。

背景知识

有一种心跳监测设备通过夹在指尖上的电路来实时监测心跳。该设备让光线穿过手指，然后测量被吸收的光有多少，由此便能实现此功能。因为当心脏驱动血液经过手指时，测量值会发生上下波动。实验使用了红外LED和光电晶体管，来使光学心跳监测器正常工作。LED发出的光穿过手指，由光电晶体管进行检测。光电晶体管就像一个可变电阻，根据接收到的光来传导不同大小的电流。

从光电晶体管的集电极可以获取随心跳变化的电压。将获得的小信号用作电路的输入，可以了解心跳监测器的行为。

为了获得相关输出，输入信号要经过多个回路：

► 前置放大器：来自心跳监测设置的输出信号通过串联电容解耦，并使用负反馈电阻(R4)放大

► 低通滤波器：去除高频（噪声）的RC滤波器

► 电压跟随器：缓冲低通滤波器的输出，并以低输出阻抗再现其电压

► 带低通滤波器的反相放大器：放大电压信号并去除高频（噪声）。

材料

► ADALM2000主动学习模块

► 无焊试验板

► 跳线

► 一个OP484精密轨到轨I/O运算放大器

► 一个100 Ω电阻

► 一个470 Ω电阻

► 一个1 kΩ电阻

► 一个10 kΩ电阻

► 两个47 kΩ电阻

► 两个1 µF电容 

► 一个47 µF电容

► 一个红外光LED(QED-123)

► 一个红外晶体管(QSD-123)

 

图1.心跳监测电路

说明

在无焊试验板上构建图1所示的心跳监测电路，该电路在LTspice®中设计。

LTspice仿真使用了LTspice标准模型集中的OP284s。实际电路由ADALP2000模拟部件套件中的四通道OP484FPZ构建，并由ADALM2000模块的±5 V电源供电（总电源电压为10 V）。

红外LED

为了获得不会损坏红外LED的恰当电流，需要串联一个电阻来限制电流。在工作范围内改变电流值，将会改变红外LED发出的信号强度。以下公式通过5 V正电压电源(VP)、串联电阻(R1)和LED上的正向压降(VF)，计算出LED的正向电流(IF)的值：

 

光电晶体管

为了在光电晶体管(Q1)接触红外光时获取相关信息，实验设计了一个共发射极放大器电路。当光电晶体管检测到红外范围内的光时，此电路会产生一个从高电平状态转换为低电平状态的输出。输出是通过一个电阻(R2)产生的，该电阻连接在电压源和器件的集电极引脚之间，其值通过实验确定。

前置放大器

来自心跳监测设置的输入信号被馈送到差分放大器电路（C1、A1、R3）。电容会阻碍任何直流成分通过，C1和R3充当高通滤波器，可通过以下公式确定截止频率FC1：

 

除了滤波外，该级还用作放大器，将电流(IA1)作为输入，并在输出端生成一个基于负反馈电阻(R3)的反相电压(VA1)：

 

有源低通滤波器

有源滤波器的电路设计中包含有源元件，例如运算放大器。这些器件需从外部电源获取能量，并借此增强或放大输出信号。有源低通滤波器的工作原理和频率响应与简单RC低通滤波器相同，唯一的区别在于其使用运算放大器进行放大和增益控制。

该一阶低通有源滤波器（A2、R4、C2）仅包含一个无源RC滤波器，用于为同相运算放大器的输入提供低频路径。

该滤波器旨在去除与噪声信号相对应的高频成分。考虑到心率不超过每分钟180次(bpm)，并且bpm和频率之间存在以下关系：

 

所以高于3 Hz的频率应被去除。RC低通滤波器针对上述频率值设计，公式如下：

 

放大器配置为电压跟随器（缓冲器），其直流增益为1，AV = 1。

这种配置的优势在于，运算放大器的高输入阻抗可防止滤波器输出端承受过大负载，而其低输出阻抗可防止滤波器的截止频率点受到负载阻抗变化的影响。虽然这种配置使滤波器具有良好的稳定性，但无法实现高于1的电压增益，AV = 1。然而，由于滤波器级输出阻抗远低于其输入阻抗，因此功率增益非常高。

带低通滤波器的最终放大器

最后一级配置为具有直流增益控制功能的交流运算放大器积分器。简而言之，该电路旨在对来自剩余不必要频率（即高于心跳最大频率）的信号进行低通滤波（R4、C2），并通过反相放大器放大有用信号，增益(AV)由R6和R5的比率确定：

 

仿真

考虑LTspice中设计的电路，需进行两种类型的仿真：

► 瞬态：在电路的输入端连接一个波形发生源。配置该源生成幅度为500 µV、频率为2 Hz、偏置500 mV的正弦波。观察输出信号幅度，以图形方式确定电路的总增益（图2）。

 

图2.输出电压瞬态分析

► 交流扫描：在电路的输入端连接一个交流源。将该交流源的幅度配置为500 µV。观察选定频域（100 mHz至1 kHz）中的输出信号，以图形方式确定输出信号在哪个频率范围的放大效果更佳（图3）。

 

图3.输出电压——交流扫描

硬件设置

使用ADALM2000模块中设置为5 V的可变正负电源为电路供电。使用示波器通道1监测VOUT集电极节点的电压。

试验板上实现的电路应该类似于图4所示电路。蓝色LED代表红外LED，灰色LED代表光电晶体管。

程序步骤

将指尖放在红外LED (D1)和光电晶体管(Q1)之间。发射器和接收器应对齐并且指向彼此。

观察第三级运算放大器(A3)输出端的电压波形。输出波形的示例如图5所示。

 

图4.试验板心跳监测电路

 

图5.心跳输出波形

激活Scopy工具示波器功能的监测功能，以读取所获得信号的频率。如需将频率转换为bpm，则可使用实验说明中的公式。

问题：

使用实验说明中提供的值和公式计算以下参数：

► 通过红外LED的正向电流（使用QED-123数据手册）

 高通滤波器的截止频率

 第二级低通滤波器的截止频率

 第三级低通滤波器的截止频率

 第三级放大器的增益

► 如果修改R5，哪些参数会发生变化？

► 如果修改R6，哪些参数会发生变化？您可以在学子专区论坛上找到问题答案。

关于作者

Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI)，获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问，为“主动学习计划”撰稿。2016年，他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师，从事ADI教学项目工作，同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生。他拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。