如何使用最少的軟件和硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用程序

一種心跳測量設(shè)備由電子電路組成，該電路通過夾在指尖上來監(jiān)測心跳。它通過手指照射光線并測量吸收了多少光來做到這一點(diǎn)。當(dāng)血液通過手指泵送時(shí)，它會上下波動。對于光學(xué)心跳檢測器的操作，使用紅外LED和光電晶體管。LED通過手指發(fā)光，并由光電晶體管檢測，光電晶體管就像一個(gè)可變電阻器，根據(jù)接收到的光傳導(dǎo)不同數(shù)量的電流。

電壓變化隨心跳而變化，并從光電晶體管的集電極獲取。獲得的小信號用作電路的輸入，獲得心跳檢測器的行為。

為了獲得相關(guān)輸出，輸入信號通過多個(gè)電路：

前置放大器：來自心跳測量設(shè)置的輸出信號通過串聯(lián)電容去耦，并使用負(fù)反饋電阻（R4）進(jìn)行放大

低通濾波器：切斷高頻（噪聲）的RC濾波器

電壓跟隨器：緩沖低通濾波器的輸出，并以低阻抗輸出再現(xiàn)其電壓

帶低通濾波器的反相放大器：放大電壓信號并切斷高頻（噪聲）。

材料

ADALM2000 主動學(xué)習(xí)模塊

無焊試驗(yàn)板

跳線

一個(gè)OP484精密軌到軌I/O運(yùn)算放大器

一個(gè) 100 Ω電阻器

一個(gè) 470 Ω電阻器

一個(gè)1 kΩ電阻

一個(gè)10 kΩ電阻

兩個(gè)47 kΩ電阻

兩個(gè) 1 μF 電容器

一個(gè)47 μF電容

一個(gè)紅外指示燈 （QED-123）

一個(gè)紅外晶體管 （QSD-123）

方向

在無焊試驗(yàn)板上，構(gòu)建心跳測量電路（設(shè)計(jì)在LTspice?） 如圖 1 所示。

圖1.心跳測量電路。

LTspice仿真使用OP284，OP484包含在LTspice標(biāo)準(zhǔn)模型集中。實(shí)際電路由ADALP2000模擬器件套件中的四通道OP5FPZ構(gòu)成，由ADALM2000模塊的±10 V供電（總電源電壓為<> V）。

紅外燈

為了獲得不會損壞紅外LED的適當(dāng)電流，需要串聯(lián)增加一個(gè)電阻器以限制電流。在工作范圍之間改變值將改變紅外LED發(fā)射信號的強(qiáng)度。以下公式表示正向電流（IF） 通過 LED，基于正電壓供電 5 V （VP）、串聯(lián)電阻 （R1） 和 LED 上的正向壓降 （VF):

光電晶體管

為了在光電晶體管（Q1）與紅外光接觸時(shí)從光電晶體管（Q2）獲取信息，設(shè)計(jì)了一個(gè)共發(fā)射極放大器電路。該電路產(chǎn)生一個(gè)輸出，當(dāng)光電晶體管檢測到紅外范圍內(nèi)的光時(shí)，該輸出從高狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低狀態(tài)。輸出是通過在電源和元件的集電極引腳之間連接電阻器（R<>）產(chǎn)生的，電阻器的值是通過實(shí)驗(yàn)確定的。

前置放大器

來自心跳測量設(shè)置的輸入信號被饋入微分器放大器電路（C1、A1、R3）。該電容阻斷任何直流成分、C1和R3，充當(dāng)截止頻率為F的高通濾波器C1由以下公式確定：

有源低通濾波器

有源濾波器在其電路設(shè)計(jì)中包含有源元件，如運(yùn)算放大器。它們從外部電源獲取電源，并用它來增強(qiáng)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)與簡單的RC低通濾波器相同，唯一的區(qū)別是它使用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大和增益控制。

這種一階低通有源濾波器（A2、R4、C2）僅由一個(gè)無源RC濾波器級組成，為同相運(yùn)算放大器的輸入提供低頻路徑。

濾波器旨在切斷與噪聲信號相對應(yīng)的高頻。考慮到心率不超過每分鐘 180 次 （bpm） 的值，并且 bpm 和頻率之間的依賴關(guān)系為：

放大器配置為電壓跟隨器（緩沖器），直流增益為1，A在= 1。

這種配置的優(yōu)點(diǎn)是，運(yùn)算放大器的高輸入阻抗可防止濾波器輸出端負(fù)載過大，而其低輸出阻抗可防止濾波器的截止頻率點(diǎn)受到負(fù)載阻抗變化的影響。雖然這種配置為濾波器提供了良好的穩(wěn)定性，但其主要缺點(diǎn)是它沒有高于1的電壓增益，A在= 1。然而，由于濾波器級輸出阻抗遠(yuǎn)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

最后級的配置代表具有直流增益控制的交流運(yùn)算放大器積分器。簡而言之，該電路的目的是低通濾波（R4，C2）來自高于心跳最大頻率的剩余不必要頻率的信號，并通過反相放大器放大具有增益（A在） 由 R6 和 R5 之間的比率確定：

模擬

考慮到LTspice設(shè)計(jì)的電路，進(jìn)行了兩種類型的仿真：

瞬態(tài)：在電路的輸入端連接波形發(fā)生源。配置源以產(chǎn)生幅度為500 μV、頻率為2 Hz、偏移為500 mV的正弦。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交流電源。將源的幅度配置為500 μV。 觀察所選頻域（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(gè)頻率范圍內(nèi)具有最大的放大（圖3）。

圖3.輸出電壓 – 交流掃描。

硬件設(shè)置

使用設(shè)置為2000 V的ADALM5模塊中的可變正負(fù)電源為電路供電。使用示波器通道1監(jiān)視V集電極節(jié)點(diǎn)上的電壓外.

在試驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)的電路應(yīng)類似于圖4中的電路。藍(lán)色 LED 代表紅外 LED，灰色 LED 代表光電晶體管。

圖4.面包板心跳測量電路。

程序

將手指頂部放在紅外 LED （D1） 和光電晶體管 （Q1） 之間。發(fā)射器和接收器應(yīng)對齊并相互指向。

觀察第三級運(yùn)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。

在Scopy工具的示波器功能中，激活測量功能以讀取所獲得信號的頻率。要將頻率轉(zhuǎn)換為 bpm，請使用實(shí)驗(yàn)室方向的公式。

審核編輯：郭婷