【導讀】本實驗活動通過旨在獲取心跳信息的實際範例
，介紹了如何使用放大器鏈實現增益和濾波。係統的結果提供相關輸出

，使用Scopy軟件工具可顯示該輸出。

在本實驗活動中
，學生將學習如何驅動紅外LED和光電晶體管，設計並理解低通濾波器的行為，同時探索不同配置情況下的運算放大器功能。

結合前麵提到的電子設備，本活動最終將展示如何利用最少的軟件和硬件設備設計實際應用。

背景知識

youyizhongxintiaojianceshebeitongguojiazaizhijianshangdedianlulaishishijiancexintiao。gaishebeirangguangxianchuanguoshouzhi，ranhouceliangbeixishoudeguangyouduoshao
，youcibiannengshixiancigongneng。yinweidangxinzangqudongxueyejingguoshouzhishi
，celiangzhihuifashengshangxiabodong。shiyanshiyonglehongwaiLED和光電晶體管，來使光學心跳監測器正常工作。LED發出的光穿過手指

，由光電晶體管進行檢測。光電晶體管就像一個可變電阻
，根據接收到的光來傳導不同大小的電流。

從光電晶體管的集電極可以獲取隨心跳變化的電壓。將獲得的小信號用作電路的輸入，可以了解心跳監測器的行為。

為了獲得相關輸出
，輸入信號要經過多個回路：

●   前置放大器：來自心跳監測設置的輸出信號通過串聯電容解耦，並使用負反饋電阻(R4)放大

●   低通濾波器：去除高頻（噪聲）的RC濾波器

●   電壓跟隨器：緩衝低通濾波器的輸出，並以低輸出阻抗再現其電壓

●   帶低通濾波器的反相放大器：放大電壓信號並去除高頻（噪聲）。

材料

●   ADALM2000主動學習模塊

●   無焊試驗板

●   跳線

●   一個OP484精密軌到軌I/O運算放大器

●   一個100 Ω電阻

●   一個470 Ω電阻

●   一個1 kΩ電阻

●   一個10 kΩ電阻

●   兩個47 kΩ電阻

●   兩個1 µF電容

●   一個47 µF電容

●   一個紅外光LED(QED-123)

●   一個紅外晶體管(QSD-123)

Directions

在無焊試驗板上構建圖1所示的心跳監測電路，該電路在 LTspice® 中設計。

圖1.心跳監測電路

LTspice仿真使用了LTspice標準模型集中的OP284s。實際電路由ADALP2000模擬部件套件中的四通道OP484FPZ構建，並由ADALM2000模塊的±5 V電源供電（總電源電壓為10 V）。

紅外LED

為了獲得不會損壞紅外LED的恰當電流，需要串聯一個電阻來限製電流。在工作範圍內改變電流值
，將會改變紅外LED發出的信號強度。以下公式通過5 V正電壓電源(VP)
、串聯電阻(R1)和LED上的正向壓降(VF)
，計算出LED的正向電流(IF)的值：

光電晶體管

為了在光電晶體管(Q1)接jie觸chu紅hong外wai光guang時shi獲huo取qu相xiang關guan信xin息xi
，實shi驗yan設she計ji了le一yi個ge共gong發fa射she極ji放fang大da器qi電dian路lu。當dang光guang電dian晶jing體ti管guan檢jian測ce到dao紅hong外wai範fan圍wei內nei的de光guang時shi，此ci電dian路lu會hui產chan生sheng一yi個ge從cong高gao電dian平ping狀zhuang態tai轉zhuan換huan為wei低di電dian平ping狀zhuang態tai的de輸shu出chu。輸shu出chu是shi通tong過guo一yi個ge電dian阻zu(R2)產生的，該電阻連接在電壓源和器件的集電極引腳之間，其值通過實驗確定。

前置放大器

來自心跳監測設置的輸入信號被饋送到差分放大器電路（C1
、A1、R3）。電容會阻礙任何直流成分通過，C1和R3充當高通濾波器
，可通過以下公式確定截止頻率FC1：

除了濾波外

，該級還用作放大器

，將電流(IA1)作為輸入
，並在輸出端生成一個基於負反饋電阻(R3)的反相電壓(VA1)：

有源低通濾波器

有you源yuan濾lv波bo器qi的de電dian路lu設she計ji中zhong包bao含han有you源yuan元yuan件jian，例li如ru運yun算suan放fang大da器qi。這zhe些xie器qi件jian需xu從cong外wai部bu電dian源yuan獲huo取qu能neng量liang，並bing借jie此ci增zeng強qiang或huo放fang大da輸shu出chu信xin號hao。有you源yuan低di通tong濾lv波bo器qi的de工gong作zuo原yuan理li和he頻pin率lv響xiang應ying與yu簡jian單danRC低通濾波器相同，唯一的區別在於其使用運算放大器進行放大和增益控製。

該一階低通有源濾波器（A2、R4、C2）僅包含一個無源RC濾波器，用於為同相運算放大器的輸入提供低頻路徑。

該濾波器旨在去除與噪聲信號相對應的高頻成分。考慮到心率不超過每分鍾180次(bpm)，並且bpm和頻率之間存在以下關係：

所以高於3 Hz的頻率應被去除。RC低通濾波器針對上述頻率值設計，公式如下：

放大器配置為電壓跟隨器（緩衝器）
，其直流增益為1
，AV = 1。

zhezhongpeizhideyoushizaiyu，yunsuanfangdaqidegaoshuruzukangkefangzhilvboqishuchuduanchengshouguodafuzai，erqidishuchuzukangkefangzhilvboqidejiezhipinlvdianshoudaofuzaizukangbianhuadeyingxiang。suiranzhezhongpeizhishilvboqijuyoulianghaodewendingxing
，danwufashixiangaoyu1的電壓增益，AV = 1。然而，由於濾波器級輸出阻抗遠低於其輸入阻抗，因此功率增益非常高。

帶低通濾波器的最終放大器

最後一級配置為具有直流增益控製功能的交流運算放大器積分器。簡而言之，該電路旨在對來自剩餘不必要頻率（即高於心跳最大頻率）的信號進行低通濾波（R4、C2），並通過反相放大器放大有用信號，增益(AV)由R6和R5的比率確定：

仿真

考慮LTspice中設計的電路，需進行兩種類型的仿真：

●   瞬態：在電路的輸入端連接一個波形發生源。配置該源生成幅度為500 µV、頻率為2 Hz、偏置500 mV的正弦波。觀察輸出信號幅度，以圖形方式確定電路的總增益（圖2）。

圖2.輸出電壓瞬態分析

●   交流掃描：在電路的輸入端連接一個交流源。將該交流源的幅度配置為500 µV。觀察選定頻域（100 mHz至1 kHz）中的輸出信號，以圖形方式確定輸出信號在哪個頻率範圍的放大效果更佳（圖3）。

圖3.輸出電壓——交流掃描

硬件設置

使用ADALM2000模塊中設置為5 V的可變正負電源為電路供電。使用示波器通道1監測VOUT集電極節點的電壓。

試驗板上實現的電路應該類似於圖4所示電路。藍色LED代表紅外LED，灰色LED代表光電晶體管。

圖4.試驗板心跳監測電路

程序步驟

將指尖放在紅外LED (D1)和光電晶體管(Q1)之間。發射器和接收器應對齊並且指向彼此。

觀察第三級運算放大器(A3)輸出端的電壓波形。輸出波形的示例如圖5所示。

圖5.心跳輸出波形

激活Scopy工具示波器功能的監測功能，以讀取所獲得信號的頻率。如需將頻率轉換為bpm
，則可使用實驗說明中的公式。

問題：

使用實驗說明中提供的值和公式計算以下參數：

●   通過紅外LED的正向電流（使用QED-123數據手冊）

●   高通濾波器的截止頻率

●   第二級低通濾波器的截止頻率

●   第三級低通濾波器的截止頻率

●   第三級放大器的增益

●   如果修改R5
，哪些參數會發生變化？

●   如果修改R6，哪些參數會發生變化？

您可以在 學子專區論壇 上找到問題答案。

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