心电图信号放大器的设计与仿真特性分析

1长春理工大学国家级电工电子实验教学示范中心学生实验报告——学年第学期实验课程实验地点学院专业学号姓名实验项目心电图信号放大器的设计与仿真特性分析2实验时间实验台号预习成绩报告成绩一、实验目的通过一个实例来说明Pspice对设计方案和具体电路进行分析的过程，理解电路的自上而下的设计方法。二、实验原理设计一个心电图信号放大器。已知:(1）心电信号幅度在50μV～5mV之间，频率范围为0.032Hz～250Hz。(2）人体内阻、检测电极板与皮肤的接触电阻(即信号源内阻)为几十千欧。(3）放大器的输出电压最大值为-5V～+5V。1、确定总体设计目标由已知条件（1)可知该放大器的输入信号属于微弱信号,所要求的放大器应具有较高的电压增益和低噪声、低漂移特性。由已知条件（2)可知,为了减轻微弱心电信号源的负载,放大器必须有很高的输入阻抗。另外，为了减小人体接收的空间电磁场的各种信号(即共模信号)，要求放大器应具有较高的共模抑制比。因此，最后决定的心电放大器的性能指标如下：差模电压增益：1000(5V/5mV)；差模输入阻抗：10MΩ；共模抑制比：80dB；通频带：0.032Hz～250Hz。2、方案设计根据性能指标要求,要采用多级放大电路，其中前置放大器的设计决定了输入阻抗,共模抑制比和噪声,可选用BiFET型运放,本设计采用了LF4111型运放(其中Avo=4105,Rid≈41011Ω,Avc=2)，由于单极同相放大器的共模抑制比无法达到设计要求(可通过Pspice仿真波形看出)，本设计采用了由三个LF411型运放构成的仪用放大器。第二级放大器的任务是进一步提高放大电路的电压增益，使总增益达到1000。其次为了消除高、低噪声，需要设计一个带通滤波器。因为滤波器没有特殊要求，本设计可采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波器构成的带通滤波器。3、详细设计根据上述设计方案，确定了心电放大电路的原理图，如图4-1所示。A1、A2、A3及相应的电阻构成前置放大器，其差模增益被分配为40，其中A1、A2构成的差放被分配为16，其计算公式为：Avd1=(Vo1-Vo2)/Vi=(R1+R2+R3)/R1，Avd2=Vo3/(Vo1-Vo2)=-R6/R4=1.6。为了避免输入端开路时放大器出现饱和状态,在两个输入端到地之间分别串接两个电阻R11、R22，其取值很大，以满足差模输入阻抗的要求。第二级由A4及相应的电阻、电容构成。在通带内，其被分配的差模增益应为(1000/40=25)，即Avd3=vo/vo3=1+R10/R9=25取R9=1KΩ，R10=24KΩ。C1、R8构成高通滤波器，要求fL=0.032Hz。取R8=1MΩ，则可算出C1=4.58μF，取标称值电容C1=4.7μF，算得fL=1/(2лC1R8)=0.034Hz。C2，R10构成低通滤波器,要求fH=250Hz。取R10=24KΩ,可算出C2=0.03316μF,取标称值电容C2=0.033μF，最后算出fH=1/(2лC2R10)=251.95Hz。可见满足带宽要求。3图4-1心电放大器原理图三、预习内容完成心电图信号放大器原理图的初步设计四、实验内容计算机仿真调试本调试要完成两个任务1、功能分析与指标测量。2、参数灵敏度分析及容差分析。五、实验步骤参考的输入网单文件如下：AAMPVI12AC1*VIl10AC1*VI220AC1*V14140AC1R111020000000R122020000000R1352KR23624KR35724KR461310KR571210KR6131416KR712016K*R817010000004*R91801K*R10181924K*C114174.7U*C218190.033UX113896LF411X22510117LF411X31213151614LF411*X41718202119LF411Vc1808Ve190-8Vc21008Ve2110-8Vc31508Ve3160-8*Vc42008*Ve4210-8.LIBEVAL.LIB.ACDEC101.0m1.0MEG.TFV(14)VI*.TFV(14)VIl.PROBE.END1、由直流小信号分析(即.TF语句)得到差模输入电阻为4107Ω,共模输入电阻为2107Ω。可见满足性能指标要求。2、由幅频特性分析(.AC语句)得到前置放大器的差模幅频特性和共模幅频特性如图4-2、4-3所示。可测得差模增益Avd=40，频宽BW=345151Hz,共模增益Avc=7.9510-6。可见,共模抑制比为40/（7.9510-6）≈5106=134dB，满足性能指标要求。3、由幅频特性分析得到第二级带通放大器的幅频特性如图4-4所示,可测得Av≈25,fL≈0.032Hz,fH=250Hz.满足设计要求。4、由差模输入阻抗仿真图4-5所示，可满足差模输入阻抗10MΩ的要求。5、通过蒙特卡罗容差分析，得到如下结论：只有在电阻R1～R7的精度为0.5%时，才能保证共模增益小于4×10-3，共模抑制比才能大于80dB，由此看出，仪用放大器的共模抑制比取决于电阻精度和A1与A2的匹配程度(对A1与A2的参数进行分析也能得到同样的结果)。但是要购买到精度这样高的电阻并不容易，实际上简单而有效的办法是在相应的支路上串接一个精密电位器，如图1中的Rp1、Rp2等，通过调节电位器将电路调整到最佳匹配状态。5图4-2前置放大器的差模幅频特性图4-3前置放大器的共模幅频特性图4-4第二级带通放大器的幅频特性6图4-5差模输入阻抗仿真图六、思考题1、改变通频带的下限频率和上限频率应调整什么器件的参数？其对放大倍数是否有影响？改变通频带的下限频率和上限频率，应调整A4的电阻R8或R10，C1、R8构成高通滤波器，该调整对放大倍数没有影响，C2、R10构成低通滤波器，对放大倍数有影响，因为Avd=Vo/Vo3=25。2、用语句如何描述共模和差模信号？共模信号即为两个或两个以上的幅值大小相等，相位相同，周期等参数均相同的信号；差摸信号即为两个或两个以上的幅值相等，相位相差180°的信号。七、总结分析根据测量值与理论数据相比较，掌握了该电路的特性，A1,A2,A3均用来放大信号，A4用于对信号频带的选择，对电路的设计有了一定的了解。