【導(dǎo)讀】本實驗活動通過旨在獲取心跳信息的實際范例，介紹了如何使用放大器鏈實現(xiàn)增益和濾波。系統(tǒng)的結(jié)果提供相關(guān)輸出，使用Scopy軟件工具可顯示該輸出。
在本實驗活動中，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何驅(qū)動紅外LED和光電晶體管，設(shè)計并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(jié)合前面提到的電子設(shè)備，本活動最終將展示如何利用最少的軟件和硬件設(shè)備設(shè)計實際應(yīng)用。
背景知識
有一種心跳監(jiān)測設(shè)備通過夾在指尖上的電路來實時監(jiān)測心跳。該設(shè)備讓光線穿過手指，然后測量被吸收的光有多少，由此便能實現(xiàn)此功能。因為當(dāng)心臟驅(qū)動血液經(jīng)過手指時，測量值會發(fā)生上下波動。實驗使用了紅外LED和光電晶體管，來使光學(xué)心跳監(jiān)測器正常工作。LED發(fā)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(jù)接收到的光來傳導(dǎo)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(jiān)測器的行為。
為了獲得相關(guān)輸出，輸入信號要經(jīng)過多個回路：
● 前置放大器：來自心跳監(jiān)測設(shè)置的輸出信號通過串聯(lián)電容解耦，并使用負(fù)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：緩沖低通濾波器的輸出，并以低輸出阻抗再現(xiàn)其電壓
● 帶低通濾波器的反相放大器：放大電壓信號并去除高頻（噪聲）。
材料
● ADALM2000主動學(xué)習(xí)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(gòu)建圖1所示的心跳監(jiān)測電路，該電路在 LTspice? 中設(shè)計。
圖1.心跳監(jiān)測電路
LTspice仿真使用了LTspice標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)建，并由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(dāng)電流，需要串聯(lián)一個電阻來限制電流。在工作范圍內(nèi)改變電流值，將會改變紅外LED發(fā)出的信號強度。以下公式通過5 V正電壓電源(VP)、串聯(lián)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)接觸紅外光時獲取相關(guān)信息，實驗設(shè)計了一個共發(fā)射極放大器電路。當(dāng)光電晶體管檢測到紅外范圍內(nèi)的光時，此電路會產(chǎn)生一個從高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換為低電平狀態(tài)的輸出。輸出是通過一個電阻(R2)產(chǎn)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(jiān)測設(shè)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(dāng)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，并在輸出端生成一個基于負(fù)反饋電阻(R3)的反相電壓(VA1)：
有源低通濾波器
有源濾波器的電路設(shè)計中包含有源元件，例如運算放大器。這些器件需從外部電源獲取能量，并借此增強或放大輸出信號。有源低通濾波器的工作原理和頻率響應(yīng)與簡單RC低通濾波器相同，唯一的區(qū)別在于其使用運算放大器進行放大和增益控制。
該一階低通有源濾波器（A2、R4、C2）僅包含一個無源RC濾波器，用于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(yīng)的高頻成分?？紤]到心率不超過每分鐘180次(bpm)，并且bpm和頻率之間存在以下關(guān)系：
所以高于3 Hz的頻率應(yīng)被去除。RC低通濾波器針對上述頻率值設(shè)計，公式如下：
放大器配置為電壓跟隨器（緩沖器），其直流增益為1，AV = 1。
這種配置的優(yōu)勢在于，運算放大器的高輸入阻抗可防止濾波器輸出端承受過大負(fù)載，而其低輸出阻抗可防止濾波器的截止頻率點受到負(fù)載阻抗變化的影響。雖然這種配置使濾波器具有良好的穩(wěn)定性，但無法實現(xiàn)高于1的電壓增益，AV = 1。然而，由于濾波器級輸出阻抗遠低于其輸入阻抗，因此功率增益非常高。
帶低通濾波器的最終放大器
最后一級配置為具有直流增益控制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余不必要頻率（即高于心跳最大頻率）的信號進行低通濾波（R4、C2），并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(shè)計的電路，需進行兩種類型的仿真：
● 瞬態(tài)：在電路的輸入端連接一個波形發(fā)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(tài)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范圍的放大效果更佳（圖3）。
圖3.輸出電壓——交流掃描
硬件設(shè)置
使用ADALM2000模塊中設(shè)置為5 V的可變正負(fù)電源為電路供電。使用示波器通道1監(jiān)測VOUT集電極節(jié)點的電壓。
試驗板上實現(xiàn)的電路應(yīng)該類似于圖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(jiān)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(fā)射器和接收器應(yīng)對齊并且指向彼此。
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(jiān)測功能，以讀取所獲得信號的頻率。如需將頻率轉(zhuǎn)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(shù)：
● 通過紅外LED的正向電流（使用QED-123數(shù)據(jù)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(shù)會發(fā)生變化？
● 如果修改R6，哪些參數(shù)會發(fā)生變化？
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