综合实验报告

综合实验报告课程名称医学信号采集与处理综合实验学生姓名学号专业班级生物医学工程11级指导教师2014年5月医学信号采集与处理综合实验报告一、实验目的本实验先设计前置放大级电路，带通电路，50HZ陷波电路，然后将其共同构成信号采集电路，并且进行仿真和电路搭建，对指脉波信号进行处理，旨在得到噪声较少，较平滑的脉搏波形。此外，需要掌握对示波器等硬件以及Multisim和medlab等软件的使用。二、实验设备信号发生器，示波器，直流稳压源，Medlab-U/4CS生物信号采集处理系统，生物医学信号处理实验箱，万用表，multisim2001,medlab6,导线以及各种接线三、实验步骤1、根据要求，先对电路进行熟悉，然后熟习软件。2、设计前置放大级电路，包括两部分，一部分是差动放大电路，另一部分是同向比例放大电路，然后利用Multisim进行调试，直到符合要求。3、设计带通电路，带通范围大概在50mHZ----200HZ，利用软件调试到符合要求。4、设计50HZ陷波电路，调试到符合要求5、将前置放大电路、带通电路以及50HZ陷波电路连接起来，利用软件调试至符合要求。6、在试验箱内进行实际电路搭建，利用信号发生器，示波器以及直流稳压源进行实际调试，直至每级电路以及总电路波形符合要求。7、利用生物信号采集系统对指脉搏进行采集处理，利用medlab软件得到脉搏波形。8、利用搭建的电路对获得的指脉搏信号进行处理，通过medlab软件得到波形，并与第七步得到的脉搏波进行比较分析，得出结论。9、分析实验结果，整理实验报告。四、电路设计实验结果1、前置放大电路V15mV100Hz0DegR12.0kohmR324kohmR224kohmR510kohmR410kohmR716kohmR616kohmR920kohmR820kohmU1LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-U3LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-U2LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-8VVCC-8VVDDoutinXBP1ABTGXSC1V25mV100Hz0Deg该图分为差动放大和同向比例放大两部分。差动放大中，放大倍数为：(R1+R2+R3)/R1=25比例放大中，放大倍数为R7/R6=1.6,则总共的放大倍数为25*1.6=40R8和R9用来增大输入阻抗，同时也有滤波作用。由波形图可以看出，输入为5mV，输出为200mV，放大倍数为40倍，符合要求。2、带通滤波器下图为带通滤波器的实验原理图，C1和R1决定高通滤波器的低截止频率，C2和R3决定低通滤波器的高截止频率。则有低截止频率：1/（2πr1c1）=45mHZ高截止频率：1/（2πr3c2）=221HZV11V1000Hz0DegR11.0MohmR21.0kohmR324kohmU1LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-8VVCC-8VVDDoutinXBP1C13.18uFC20.03uFABTGXSC1由波特图可以看出，带通范围在53mHZ到208HZ之间，基本符合要求。3、50HZ陷波器下图为50HZ陷波电路的电路原理图，是由一个高通滤波器和一个低通滤波器组成，两者的截止频率是相同的，所以起到陷波的作用，电路的截止频率为：1/（2π*0.8*3.9*0.001）=51HZ。V1120mV5Hz0DegV215mV50Hz0Deg123U1OPAMP_3T_VIRTUALC23.9uFABTGXSC1outinXBP1R50.8kohmR20.8kohmR11.6kohmR61.6kohmR30.8kohmC33.9uFR40.8kohm由波形图和波特图可以看出，50HZ波形被滤掉，符合要求。4，整体电路V11mV100Hz0DegR12.0kohmR324kohmR224kohmR510kohmR410kohmR716kohmR616kohmR920kohmR820kohmU1LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-U3LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-U2LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-8VVCC-8VVDDABTGXSC2outinXBP2V21mV50Hz0DegR101.0MohmR111.0kohmR1224kohmU4LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-8VVCC-8VVDDC23.18uFC10.03uF123U5OPAMP_3T_VIRTUALC33.9uFR140.8kohmR150.8kohmR161.6kohmR171.6kohmR180.8kohmC43.9uFR190.8kohm该电路图由前置放大电路，50hz陷波电路以及带通滤波器连接而成，其功能在于将输入的信号源放大，同时去掉50hz工频干扰以及对高频进行滤波，得到理想信号。由波形图可以看出，该电路很好的从原始信号源里面得到了需要的信号，对噪声信号进行了滤波处理。由波特图可以看出，该电路在53mhz到208hz之间对电路进行了滤波，且在50hz的时候进行了陷波。5，前置放大级+带通滤波电路原理图是将放大电路和带通滤波电路连接而成，然后对信号源输入稍作调整，得到下面的电路图。V11mV100Hz0DegR12.0kohmR324kohmR224kohmR510kohmR410kohmR716kohmR616kohmR920kohmR820kohmU1LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-U3LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-U2LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-8VVCC-8VVDDABTGXSC2outinXBP2V21mV50Hz0DegR101.0MohmR111.0kohmR1224kohmU4LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-8VVCC-8VVDDC23.18uFC10.03uF由波形图可以看出电路接近放大1000倍。由波特图可以看出在53mHZ和208HZ之间有明显滤波作用。6、前置放大级+50hz陷波电路原理图由前置放大电路以及50HZ陷波电路连接而成，并对输入信号源进行调整。V11mV100Hz0DegR12.0kohmR324kohmR224kohmR510kohmR410kohmR716kohmR616kohmR920kohmR820kohmU1LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-U3LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-U2LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-8VVCC-8VVDDABTGXSC2outinXBP2V21mV50Hz0Deg123U5OPAMP_3T_VIRTUALC33.9uFR140.8kohmR150.8kohmR161.6kohmR171.6kohmR180.8kohmC43.9uFR190.8kohmIO1IO2IO3IO4IO5IO6由波形图和波特图均可以看到，50HZ工频滤波被滤掉。7、带通滤波器+50hz陷波原理图由带通滤波电路和50HZ电路连接而成，通过不同输入源得到滤波效果。V150mV100Hz0DegR11.0MohmR31.0kohmR224kohmU1LF411ACH3247651BAL1BAL2VS+VS-8VVCC-8VVDDC13.18uFC30.03uF123U2OPAMP_3T_VIRTUALC43.9uFABTGXSC2outinXBP2R60.8kohmR50.8kohmR71.6kohmR81.6kohmR90.8kohmC23.9uFR100.8kohmV450mV50Hz0Deg由波形图和波特图可以看得到，滤波和陷波效果都符合要求。四、实际滤波效果1、Madlab系统的效果放大倍数：100上限频率：10HZ放大倍数：100上限频率：30HZ放大倍数：100上限频率：100HZ从以上几幅图来看，改变上限频率，信号中的噪声会发生变化，频率越低，噪声越少。而且噪声对指脉搏信号的干扰比较大，会影响对指脉搏信号的采集，生物信号采集处理系统内部拥有较好的滤波系统，能够很好地对信号进行采集。2．自己搭建电路的效果（1）自己搭建电路的基本参数第一部分，差动放大：所用电阻均为100kΩ，则理论上放大倍数为3倍。在输入正弦波进行实验时，实际的放大倍数为2.15倍，和理论值略有偏差。第二部分，同向比例放大电路：所用电阻为10kΩ，同向放大倍数为一倍。第三部分，带通滤波：低截止频率采用1µF与3.3MΩ，截止频率为45mhz；高截止频率采用0.1µF与10kΩ的组合，截止频率为159HZ。此外，带通滤波也会起到放大作用，实际电路中采用10kΩ与1kΩ的电阻，其放大倍数为（1+10）/1=11倍，则理论上搭建电路放大33倍，实际实验中，输入1V，100hz信号源，得到的输出信号为20.8V，且随着频率的不断增大，得到的输出信号幅值不断减小。（2）自己搭建电路的效果放大倍数：50上限频率：10HZ放大倍数：50上限频率：30HZ放大倍数：50上限频率：100HZ3、结果对比分析上面六幅图是用生物信号采集处理系统以及自己搭建的电路对指脉搏进行分析所得到的波形，很明显，在上限频率分别为10HZ、30HZ、100HZ时，其波形也是不同的。截止频率越高，其得到的波形噪声越大，脉搏信号就会不明显，这说明在采集的信号中，脉搏信号相对较弱，噪声对信号的干扰大，另外由于带通滤波器滤波效果不好，低频干扰很明显。从以上图中不是很明显的看出高频干扰的存在，但当上限频率继续增大时，高频干扰会很明显，当时没有截图，很抱歉。此外，用自己的搭建电路得出的波形图，很明显的有波形饱和的情况出现，这主要是因为电路放大倍数太大，适当改变放大倍数，可以使饱和情况得到改善，电路依然有很多的地方需要不断改进。五、实验总结本次实验结束时，觉得这次收获真的是挺多的。首先，是对Multisim以及medlab软件的熟悉，两个软件功能都很强大，分别在电路设计及信号采集方面发挥着作用，仿真很直观，效果明显。在设计电路图的时候，虽然电路原理大部分已给出，但依然还是要去分析，去知道每个原理及每个细节，特别是仿真或者电路搭建出现错误的时候，能够纠错才能算真正掌握，而对硬件的熟悉同样重要，因为有时候硬件的出错往往是硬伤，很可能浪费很长时间。最大的感受就是电路搭建的时候，因为放大级电路搭建了很多次才成功，所以，对于一些小零件，比如电阻和电容的改变，会影响每个参数的变化，这也是电路仿真和实际操作的最大区别，往往实际中并没有理想电路中的一些部件。还有就是在信号采集中，我进行的实验在最终输出端是有信号输出，但在放大级一端却出现直流，在老师的检测下得到了解决。在采集传感器方面，因为比较容易受到外界干扰，运动伪迹明显，这方面依然有待改进，但目前还没有很成熟的想法。总之呢，本次实验收获颇多，而且经过动手，对知识的掌握更牢固了。