基于eda技術(shù)的人體微弱信號(hào)檢測(cè)與抗噪研究

1、<p>　　莇蒅羀膄芃蒄蝕羇腿蒃螂膂肅蒂襖羅莄蒁薄膁芀薀蚆羃膆薀螈腿肂蕿袁羂蒀薈蝕螄莆薇螃肀節(jié)薆裊袃膈薅薅肈肄薄蚇袁莃蚄蝿?wù)剀低J袂衿膅螞薁肅膁蟻螄袈葿蝕袆膃蒞蠆羈羆芁蚈蚈膁膇芅螀羄肅莄袂膀莂莃薂羃羋莂蚄膈芄莁袇羈膀莁罿襖葿莀蠆聿蒞荿螁袂芁莈袃肇膇蕆薃袀肅蒆蚅肆莁蒅螈袈莇蒅羀膄芃蒄蝕羇腿蒃螂膂肅蒂襖羅莄蒁薄膁芀薀蚆羃膆薀螈腿肂蕿袁羂蒀薈蝕螄莆薇螃肀節(jié)薆裊袃膈薅薅肈肄薄蚇袁莃蚄蝿?wù)剀低J袂衿膅螞薁肅膁蟻螄袈葿蝕袆膃蒞蠆羈羆芁蚈蚈膁膇

2、芅螀羄肅莄袂膀莂莃薂羃羋莂蚄膈芄莁袇羈膀莁罿襖葿莀蠆聿蒞荿螁袂芁莈袃肇膇蕆薃袀肅蒆蚅肆莁蒅螈袈莇蒅羀膄芃蒄蝕羇腿蒃螂膂肅蒂襖羅莄蒁薄膁芀薀蚆羃膆薀螈腿肂蕿袁羂蒀薈蝕螄莆薇螃肀節(jié)薆裊袃膈薅薅肈肄薄蚇袁莃蚄蝿?wù)剀低J袂衿膅螞薁肅膁蟻螄袈葿蝕袆膃蒞蠆羈羆芁蚈蚈膁膇芅螀羄肅莄袂膀莂莃薂羃羋莂蚄膈芄莁袇羈膀莁罿襖葿莀蠆聿蒞荿螁袂芁莈袃肇膇蕆薃袀肅蒆蚅肆莁蒅螈袈莇蒅羀膄芃蒄蝕羇腿蒃螂膂肅蒂襖羅莄蒁薄膁芀薀蚆羃膆薀螈腿肂蕿袁羂蒀薈蝕螄莆薇螃肀節(jié)薆裊袃膈

3、薅薅肈肄薄蚇袁莃蚄蝿?wù)剀低J袂衿膅螞薁肅膁蟻螄袈葿蝕袆膃蒞蠆羈羆芁蚈蚈膁膇芅螀羄肅莄袂膀莂莃薂羃羋莂蚄膈芄莁袇羈膀莁罿襖葿莀蠆聿蒞荿螁袂芁莈袃肇</p><p><b>　　合 肥 學(xué) 院</b></p><p>　　本科生畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì)報(bào)告) </p><p>　　題目: 基于EDA技術(shù)人體微弱信號(hào)的檢測(cè)及抗噪研究</p>&l

4、t;p>　　-------信號(hào)檢測(cè)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) </p><p>　　系別: 電子信息與電氣工程系 </p><p>　　專業(yè): 電子信息工程 </p><p>　　年級(jí): 01級(jí) </p&

5、gt;<p>　　學(xué)號(hào): 010203028 </p><p>　　姓名: 朱 宏 亮 </p><p>　　導(dǎo)師: 譚 敏（副教授） </p><p><b>　　目

6、 錄</b></p><p>　　任務(wù)書 ……………………………………………………………………………………………3</p><p>　　開題報(bào)告……………………………………………………………………………………………4</p><p>　　摘要 ………………………………………………………………………………………………5</p><p

7、>　　1 背景介紹 ………………………………………………………………………………7</p><p>　　1.1生物醫(yī)學(xué)工程學(xué) ……………………………………………………………7</p><p>　　1.2生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理的意義 …………………………………………7</p><p>　　1.3生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn) ……………………………………………………

8、…7</p><p>　　1.4醫(yī)學(xué)電子儀器的國內(nèi)外進(jìn)展?fàn)顩r………………………………………………………8</p><p>　　2 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集處理系統(tǒng)概述 …………………………………………8</p><p>　　2.1生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集處理系統(tǒng)的特點(diǎn) ………………………………………8</p><p>　　2.2生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集處理系統(tǒng)

9、的原理 ………………………………………8</p><p>　　前置放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) …………………………………………………………9</p><p>　　3.1 生物電采集對(duì)前置放大器的要求……………………………………………9</p><p>　　3.2高精度儀表放大器AD620的原理…………………………………………9</p><p>　

10、　3.3 帶自舉電路的前置放大器 …………………………………………………11</p><p>　　3.4 前置放大器的具體實(shí)現(xiàn) …………………………………………………12</p><p>　　3.5 電路測(cè)試結(jié)果 ……………………………………………………………14</p><p>　　3.6 PCB制板 ………………………………………………………………

11、…16</p><p>　　濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ……………………………………………………………16</p><p>　　生物電采集系統(tǒng)對(duì)濾波器的要求………………………………………… 16</p><p>　　高通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ………………………………………………17</p><p>　　基于開關(guān)電容濾波器（SCF）的ADC抗混疊處理…

12、………………… 20</p><p>　　可控增益放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) …………………………………………………22</p><p>　　5.1 多路模擬開關(guān)CD 4051 ……………………………………………………22</p><p>　　5.2 可控增益放大器的原理分析………………………………………………… 22</p><p>　　6

13、 低噪聲設(shè)計(jì)原理 ……………………………………………………………………24</p><p>　　6.1 熱噪聲 ……………………………………………………………………24</p><p>　　6.2 低頻噪聲 …………………………………………………………………24</p><p>　　6.3 電子元器件的噪聲 …………………………………………………………24&

14、lt;/p><p>　　6.4 前置放大器與輸入源阻抗的合理匹配 ……………………………………25</p><p>　　6.5 反饋放大器噪聲分析 ………………………………………………………26</p><p>　　7 抗干擾技術(shù) ………………………………………………………………26</p><p>　　7.1 屏蔽技術(shù) …………………

15、………………………………………………27</p><p>　　7.2 接地技術(shù) ……………………………………………………………………27</p><p>　　7.3 電源濾波 ……………………………………………………………………28</p><p>　　8 工作電源電路 ……………………………………………………………………29</p>&l

16、t;p>　　9 結(jié)論 …………………………………………………………………………30</p><p>　　10 結(jié)束語 …………………………………………………………………………30</p><p>　　11 致謝詞…………………………………………………………………………30 </p><p>　　參考文獻(xiàn) …………………………………………………

17、…………………………31</p><p>　　附錄 1：前置放大器PCB板圖 …………………………………………………32</p><p>　　2：濾波器、可控增益放大器電路原理圖 …………………………………33</p><p>　　3: 模擬自適應(yīng)濾波器原理………………………………………………34</p><p>　　合肥學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

18、（論文）開題報(bào)告</p><p>　　學(xué)生：朱宏亮 班級(jí)：01電子本（3）班</p><p>　　基于EDA技術(shù)人體微弱信號(hào)的檢測(cè)及抗噪研究</p><p>　　-------------信號(hào)檢測(cè)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) </p><p><b

19、>　　摘 要</b></p><p>　　本論文的研究課題是院自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目。人體微弱信號(hào)的檢測(cè)及抗噪研究屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。本文根據(jù)人體生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)，基于EDA技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過醫(yī)用換能器采集微弱的人體生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大、模擬濾波器濾波、AD轉(zhuǎn)換后送給數(shù)字濾波器進(jìn)行抗噪處理。該系統(tǒng)由于采用了高精度的儀表放大器和現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處

20、理技術(shù)，采集的生物電信號(hào)相當(dāng)準(zhǔn)確，能夠滿足臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需求。</p><p>　　本文的主要內(nèi)容如下：</p><p>　　1. 提出了采用高精度的儀表放大器(Instrumentation amplifier)AD620設(shè)計(jì)一前置放大器對(duì)生物電信號(hào)進(jìn)行放大. 該放大器具有輸入阻抗高、共模抑制比高、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，在強(qiáng)噪聲背景下仍能準(zhǔn)確采集到微弱的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)。</p>

21、<p>　　2. 針對(duì)有用信號(hào)的頻譜范圍設(shè)計(jì)兩路有源高通濾波器HPF1與HPF2，截止頻率分別為0.05HZ和 20HZ，對(duì)前置放大器輸出的信號(hào)濾波，濾除直流分量和低頻干擾，提取有用信號(hào)。</p><p>　　設(shè)計(jì)一可控增益放大器，該可控增益放大器可以實(shí)現(xiàn)電平匹配，將輸出的任意幅度的信號(hào)放大或衰減為ADC的輸入電平范圍。</p><p>　　4. 為了滿足Nyqui

22、st采樣定理，保證ADC采樣不發(fā)生頻譜混疊現(xiàn)象，采用先進(jìn)的開關(guān)電容濾波器(SCF)設(shè)計(jì)一款抗混疊低通濾波器。該低通濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，參數(shù)易調(diào)，經(jīng)過測(cè)試，濾波效果很好。</p><p>　　經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理部分，采用基于EDA技術(shù)的自適應(yīng)濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗噪處理。</p><p>　　最后，在通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了一種模擬自適應(yīng)濾波器

23、。該濾波器可以通過純模擬的方法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波，在消除50HZ工頻干擾的同時(shí)保留50HZ信號(hào)分量，實(shí)現(xiàn)了帶阻陷波器無法實(shí)現(xiàn)的無損濾波。但由于時(shí)間有限，沒有進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，只是一種未成熟的想法，故將它安排在附錄中，本人會(huì)在今后的工作中實(shí)驗(yàn)并完善。</p><p>　　關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)工程、儀表放大器、前置放大器、高共模抑制比、低噪聲 、</p><p>　　開關(guān)電容濾波器、EDA技術(shù)、FPGA

24、、自適應(yīng)濾波器.</p><p>　　The acquisition and anti-chirp research for human body's weak signal based on EDA technology</p><p>　　--------- The design and realization of the signal acquisition part.&l

25、t;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The subject of research for this thesis is a project that is subsidized by the natural science foundation of the Hefei University. Biomedicine signal

26、 acquisition and processing belongs to the bio-medical engineering domain. According to the characteristics of the biomedicine signal, and based on the EDA technology, This paper has designed and realized a set of system

27、 to process biomedicine signal. This system acquires the weak bioelectrical signal through the medical transducer. After the signal</p><p>　　Firstly, the paper has put forward that adopting the high-accuracy

28、 instrumentation amplifier AD620 to design a pre-amplifier for amplifying the electric signal of living beings. Since this pre-amplifier have advantages of high input impedance, high common mode rejection and low noise a

29、ltogether, it can still acquire the faint electric signal of living beings accurately under the strong noise background.</p><p>　　Secondly, designing two active high-pass filter, carry on filtration to the s

30、ignal the pre-amplifier output, filters weight of direct current and the noise of low frequency. </p><p>　　Thirdly, Designs a gain controllable amplifier. This amplifier can realize the level match, free sco

31、pe signal will amplify or weaken to ADC input level range.</p><p>　　Fourthly, In order to satisfy the Nyquist sampling theorem, making sure that the ADC sampling does not have the phenomenon of the frequency

32、 spectrum aliasing, we use the advanced switch capacitor filter (SCF) to design an anti-aliasing low pass filter. </p><p>　　Through the sample of ADC, the analog signal acquired is converted into digital sig

33、nal. In the digital signal processing part, the auto-adaptive filter based on EDA technology is applied to carries on anti- chirp processing to the signal.</p><p>　　At last, on the basis of analysis observat

34、ion result of the experiment, we have proposed a kind of analog auto-adaptive filter implementation method. This filter can realize self-adaptation filtration through the pure analog method. Keep 50HZ signal weight while

35、 dispelling 50HZ interfere, it realized the no-loss filtration which notch can't realize. </p><p>　　Keywords: Biomedical engineering, Instrumentation amplifier, Pre-amplifier, High common mod

36、e rejection ratio, Low noise, Switch-capacitor filter, EDA technology, FPGA, Auto-adapted filter.</p><p>　　第1章 背景介紹</p><p>　　1.1 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)</p><p>　　生物醫(yī)學(xué)工程（Biomedical Engineering, BM

37、E）是綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的理論和方法而發(fā)展起來的新興邊緣學(xué)科，其基本任務(wù)是運(yùn)用工程技術(shù)手段，研究和解決生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問題，揭示人體奧秘，造福人類。其主要研究方向包括：生物系統(tǒng)建模與仿真、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與分析、生物醫(yī)學(xué)成像和圖像處理、電磁場(chǎng)生物效應(yīng)、人工器官以及相關(guān)的生命科學(xué)醫(yī)療儀器研制等。目前，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的主要分支領(lǐng)域有：生物力學(xué)和生物流變學(xué)，生物材料和人工器官，生物系統(tǒng)的建模和控制，生物醫(yī)學(xué)信息的檢測(cè)和處理，醫(yī)學(xué)或圖

38、像處理，現(xiàn)代醫(yī)療儀器的研制與開發(fā)，醫(yī)院信息管理，光子醫(yī)學(xué)生物學(xué)，計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)診斷等。</p><p>　　1.2 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理的意義</p><p>　　生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)與處理屬于生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)范疇，是它的一個(gè)主要分支領(lǐng)域。</p><p>　　人體含有大量醫(yī)學(xué)中有用的生理信號(hào)，諸如心電、肌電、腦電、心音、脈搏等生理信號(hào)，它們從一定程度上表征著人體的

39、健康狀況。以心音信號(hào)為例，心音信號(hào)是臨床評(píng)估心臟功能狀態(tài)的最基本方法，是心臟及大血管機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的反映，當(dāng)心血管疾病尚未發(fā)展到足以產(chǎn)生臨床及病理改變以前，心音中出現(xiàn)的雜音和畸變是主要的診斷信息。</p><p>　　生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)、分析和處理在醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷與治療中具有十分重要的意義。</p><p>　　1.3生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)</p><p>　　生物體

40、內(nèi)可興奮性細(xì)胞在進(jìn)行生命活動(dòng)的過程中，總是伴有電的變化，即生物電活動(dòng)。對(duì)于某一特定組織，其生物電活動(dòng)具有一定的規(guī)律性。這些常用的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，具有如下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）信號(hào)微弱：電壓低，僅為uV~mV數(shù)量級(jí)；電流小，達(dá)nA~pA水平。</p><p>　?。?）頻率低：約從0到1KHz。</p><p>　?。?）信號(hào)源內(nèi)阻高：包括組織電阻，細(xì)胞膜電

41、阻及微電極電阻等，</p><p>　　可達(dá)幾千歐~數(shù)萬千歐。</p><p>　?。?）隨機(jī)性強(qiáng),易為干擾和噪聲所掩蔽：</p><p>　?、偕镫娭g的相互干擾，如肌電對(duì)心電、肌電對(duì)腦電等的干擾。</p><p>　?、?0Hz（美國，日本為60Hz）交流電源產(chǎn)生的工頻干擾。</p><p>　?、垭姌O極化電壓的

42、干擾。</p><p>　?、芸臻g電磁波干擾，如汽車引擎火花塞的電磁波干擾，手機(jī)信號(hào)干擾等。</p><p>　　上述特點(diǎn)決定生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵是：前置放大器的設(shè)計(jì)。它必須具備高增益、高輸入阻抗、高共模抑制比、高安全性、低噪聲等性能。</p><p>　　表格 1.1 典型人體生理電信號(hào)的幅值和頻率范圍</p><p>　　

43、1.4 國內(nèi)外的進(jìn)展?fàn)顩r</p><p>　　技術(shù)上微電子化﹑智能化﹑組合化和遙測(cè)化成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)電子儀器的發(fā)展方向。信號(hào)處理的方式也從傳統(tǒng)的模擬技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，且數(shù)字處理方法多種多樣：如有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR），無限沖激響應(yīng)濾波器（IIR），整數(shù)型濾波器，自適應(yīng)濾波器等。這些年來，又發(fā)展出了基于獨(dú)立分量分析（Independent Component Analysis）方法進(jìn)行

44、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理。</p><p>　　國外已研制出多種高性能的生物信號(hào)采集處理系統(tǒng)。埃德儀器公司生產(chǎn)的PowerLab系列是較好的應(yīng)用于科研教學(xué)的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集處理系統(tǒng)。國內(nèi)也有南京美易科技有限公司生產(chǎn)的MedLab生物信號(hào)采集處理系統(tǒng)。</p><p>　　目前，國內(nèi)在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)方面還處在發(fā)展階段。</p><p>　　第2章 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集處理系統(tǒng)概

45、述</p><p>　　2.1 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集處理系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　生物醫(yī)學(xué)采集處理系統(tǒng)是一種可以檢測(cè)、分析和處理多種生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的多功能系統(tǒng)。它由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　通用性強(qiáng)，更換醫(yī)用換能器或電極可采集到如心電、肌電、心音、脈搏等多種生理信號(hào)。</p><p>　　前置放大器輸入阻抗高

46、、噪聲小、共模抑制比高、抗干擾能力強(qiáng)。</p><p>　　信號(hào)采集的頻譜范圍有限：大約在0.05Hz-1KHz之間。</p><p>　　軟件系統(tǒng)中有諸如平滑、濾波等功能的實(shí)時(shí)處理程序，且預(yù)留空間，允許用戶添加程序。</p><p>　　2.2 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集處理系統(tǒng)的原理</p><p>　　生物醫(yī)學(xué)采集處理系統(tǒng)一般由信號(hào)源、傳感器、信

47、號(hào)放大、信號(hào)處理、顯示</p><p>　　五部分組成、如圖2-1所示：</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的生物醫(yī)學(xué)采集處理系統(tǒng)由傳感器、前置放大器、模擬濾波器、程控增益放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP處理器和輸出顯示等幾部分組成。其原理方框圖如圖2-2所示：</p><p>　　生理信號(hào)由傳感器進(jìn)入前置放大器，經(jīng)前級(jí)放大后，由二階高通濾波器濾除直流或低頻成分干擾信號(hào)（該系

48、統(tǒng)含兩路高通濾波器，下截止頻率分別為0.05HZ和20HZ，可分別對(duì)脈搏和心音信號(hào)濾波。）。再經(jīng)程控增益放大器放大或衰減為ADC的輸入電平范圍。</p><p>　　為滿足奈奎斯特采樣定理，信號(hào)由八階低通開關(guān)電容濾波器進(jìn)行ADC的抗混疊濾波，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送給FPGA芯片進(jìn)行抗噪處理。FPGA芯片根據(jù)信號(hào)的幅值產(chǎn)生控制信號(hào)來控制程控放大器的增益以得到幅值大小滿足A/D采集要求的信號(hào)。信號(hào)進(jìn)入FPGA芯片后由基于現(xiàn)

49、代DSP技術(shù)的自適應(yīng)濾波器跟蹤濾除50Hz(美國、日本為60Hz)工頻干擾信號(hào)，得到較好的目標(biāo)信號(hào)。此時(shí)DSP處理器中若加入了用戶程序，則運(yùn)行用戶處理程序后將結(jié)果送到計(jì)算機(jī)顯示，否則直接送計(jì)算機(jī)顯示。</p><p>　　第3章 前置放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　3.1 生物電采集對(duì)前置放大器的要求</p><p>　　前置放大是生物電數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

50、。由于人體心電信號(hào)十分微弱，噪聲背景強(qiáng)且信號(hào)源阻抗較大，因此，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能，設(shè)計(jì)時(shí)一般都采用差分放大電路。</p><p>　　一般情況下,被采用的放大器主要是分立的三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器,和集成三運(yùn)放的儀表放大器.用集成的儀表放大器構(gòu)成的前置放大電路具有如下優(yōu)點(diǎn):</p><p><b>

51、　　1、共模抑制比高。</b></p><p>　　2、電路簡(jiǎn)單，可靠性高。</p><p>　　3、節(jié)省元器件，節(jié)省電路板空間。</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用集成儀用放大器AD620作為前置放大器。AD620輸入端采用超β處理技術(shù)，具有低輸入偏置電流、低噪音、高精度、較高建立時(shí)間、低功耗等特性，共模抑制比可達(dá)130dB，其增益可調(diào)（范圍約1~1000

52、倍），非常適合作為醫(yī)療儀器前置放大器使用。</p><p>　　3.2高精度儀表放大器AD620的原理</p><p>　　如圖3-1所示是內(nèi)部集成三運(yùn)放的儀表放大器AD620。它由兩級(jí)放大器組成，第一級(jí)是由運(yùn)放A1、A2和電阻R1、R2及外接增益調(diào)節(jié)電阻Rg組成的同相輸入式并聯(lián)差分放大器，具有非常高的輸入阻抗。第二級(jí)由運(yùn)放A3和電阻R4、R5、R6、R7組成的差分放大器，可將雙端輸入變?yōu)?/p>

53、單端輸出以適應(yīng)后級(jí)電路的要求。</p><p>　　表格 3.1 AD620的特性參數(shù)</p><p>　　圖 3.1 AD620的內(nèi)部簡(jiǎn)化原理圖</p><p>　　假設(shè)運(yùn)放A1、A2、A3都具有理想運(yùn)放特性，電阻R4=R5=R6=R7時(shí)，輸出電壓由下式確定：</p><p><b>　?。?-1）</b></p

54、><p>　　可見此電路對(duì)差模信號(hào)的增益為，對(duì)共模信號(hào)的增益為零，即電路的共模抑制比趨于無窮大。</p><p>　　實(shí)際上，運(yùn)放A1、A2、A3的共模抑制比有限，且R4、R5、R6、R7的阻值也不可能完全匹配?？紤]到這些因素的制約后，儀用放大器的共模抑制比可由下式確定：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><

55、;p>　　式中：=,為第一級(jí)放大器的差模增益，為第一級(jí)放大器的共模抑制比，為第二級(jí)放大器的共模抑制比。</p><p>　　由式（3-2）可見，儀用放大器的CMRR與、、有關(guān)，以及越大，則儀用放大器的CMRR也越大。</p><p>　　儀用放大器的第一級(jí)放大器的共模抑制比由式（3-3）確定：</p><p><b>　　（3-3）</b>

56、;</p><p>　　式中：CMRR1為A1的共模抑制比，CMRR2為A2的共模抑制比。</p><p>　　由式（3-3）可見， 的大小與A1,A2的匹配程度有關(guān)。</p><p>　　集成化的儀表放大器AD620，其A1，A2能達(dá)到很高的匹配程度。芯片封裝后，R4，R5，R6，R6通過激光微調(diào)技術(shù)提高電阻網(wǎng)絡(luò)的匹配程度。所以集成儀表放大器AD620具有很高的共

57、模抑制比。</p><p>　　3.3 帶自舉電路的前置放大器</p><p>　　為了使電路的共模抑制比進(jìn)一步提高，可采用圖3-2所示的帶共模自舉和屏蔽驅(qū)動(dòng)技術(shù)。</p><p>　　圖3.2 帶共模自舉和屏蔽驅(qū)動(dòng)技術(shù)的前置放大器</p><p>　　圖3-2中的集成運(yùn)放A4從兩只電阻R的中點(diǎn)取出第一級(jí)運(yùn)放輸出的共模電壓反饋到正負(fù)電源的公共

58、端，使運(yùn)放電源電壓跟隨輸入共模電壓浮動(dòng)，從而使各級(jí)偏置電壓都跟蹤共模輸入電壓。則各級(jí)共模信號(hào)大大削弱，使前置放大器的共模抑制比提高了CMRR4倍。</p><p>　　另外，儀表放大器輸入電阻很高，為防止外界改用一組浮置電源（不共地）供電。由圖可見，浮置電源公共端N點(diǎn)的電位與輸入共模電壓Uic相同，即UN=UM=(U01+U02)/2=(Ui1+Ui2)/2=Uic。因此，對(duì)于運(yùn)放A1、A2來說，輸入共模電壓相當(dāng)

59、于零，從而有效地消除了共模干擾的影響。</p><p>　　另外，儀用放大器輸入阻抗很高，為防止外界信號(hào)對(duì)輸入線的干擾，通常采用屏蔽并接地的方法來防止干擾。這樣輸入電纜的兩條芯線與屏蔽層之間形成了兩個(gè)分布電容C1和C2，兩條芯線存在著漏電阻Rs1和Rs2，設(shè)Rs1和Rs2中也包括了信號(hào)源內(nèi)阻。于是C1、Rs1和C2、Rs2在儀用放大器輸入端形成了RC分壓器。如圖3-3所示，若</p><p&g

60、t;　　，則交流共模干擾便會(huì)在儀用放大器的兩個(gè)輸入端之間形成差模誤差信號(hào)，儀用放大器的輸出信號(hào)中就會(huì)出現(xiàn)共模誤差電壓，降低了放大器的共模抑制能力。</p><p>　　圖3.3 分布參數(shù)對(duì)CMRR的影響</p><p>　　若電纜的屏蔽層不接地，如圖3-2所示那樣，接到圖中N點(diǎn)，形成共模驅(qū)動(dòng)屏蔽。這樣電纜屏蔽層上的電壓就能跟蹤輸入共模電壓的變化，兩條芯線與屏蔽層之間就沒有共模電壓差存在

61、，較好地解決了長線傳輸時(shí)交流共模干擾的問題。</p><p>　　3.4前置放大器的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　如圖3-4所示為前置放大器的具體實(shí)現(xiàn)電路圖。增益計(jì)算公式為：</p><p>　　，Rg=2R//R4 （3-4）</p><p>　　取R=10K，R4=50 ,則R

62、g=2R//R4=49.9.計(jì)算得差模增益Gain=1000。</p><p>　　并聯(lián)電容C可在信號(hào)到達(dá)運(yùn)放前旁路掉高頻噪聲。圖中運(yùn)放U2作為一個(gè)電壓跟隨器將第一級(jí)放大器輸出的共模電壓直接接到電源的公共參考點(diǎn)上，而正負(fù)電源的公共參考點(diǎn)不接地（浮地），這樣對(duì)于儀表放大器而言，工作電源隨共模電壓一起變化，從而抵消共模信號(hào)。同時(shí)，輸入換能器或電極的連線也與浮地點(diǎn)相連，達(dá)到共模驅(qū)動(dòng)的目的。這樣就大大的提高了共模抑制比。

63、</p><p>　　在電極提取生物電信號(hào)時(shí)，與電極接觸的是電解質(zhì)溶液，當(dāng)電流流過電極時(shí)，在電極溶液間存在數(shù)百毫伏的直流電位差，稱為電極的極化電壓。而輸入電極的極化電壓不可能完全相等，存在極化電壓差。此時(shí)若第一級(jí)放大倍數(shù)過大，會(huì)使第二級(jí)運(yùn)算放大器輸入差分信號(hào)過大，造成運(yùn)算放大器工作在非線性區(qū)，極大的限制了運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)工作范圍。因此必須在電路中加入濾除直流成份的高通濾波器。圖中運(yùn)放U3和電阻R11，R12，電容

64、C11，C22構(gòu)成二階高通濾波器HPF1，當(dāng)R11=225K,R12=450K,C11=C12=10時(shí),其上截止頻率是0.05HZ ，有效濾除極化電壓的影響，提高了運(yùn)放的動(dòng)態(tài)工作范圍，從而進(jìn)一步提高了共模抑制比，同時(shí)減少了1/f噪聲干擾。濾波器的詳細(xì)介紹將在第四章進(jìn)行。</p><p>　　圖3-4前置放大器電路原理圖</p><p><b>　　3.5電路測(cè)試結(jié)果</b&

65、gt;</p><p>　　通過測(cè)試得到前置放大器的各項(xiàng)指標(biāo)，如下所示：</p><p>　　共模抑制比CMRR127.5dB</p><p>　　輸入阻抗 Rin=1000M （AD620的輸入阻抗）</p><p>　　增益Gain=1~1000 （ 增益電阻開路時(shí)Gain=1,增益電阻取49.4時(shí) Gain=1000）<

66、;/p><p>　　均達(dá)到了論文任務(wù)書的要求。</p><p><b>　　具體測(cè)試過程如下:</b></p><p>　　差摸增益的測(cè)量：在增益電阻取50，電源電壓為12V時(shí)，輸入端加上</p><p>　　50HZ、峰-峰值2mV 的正弦波，測(cè)得輸出電壓峰-峰值為19.64V,計(jì)算得差模增益Gain=982。差模增益理論

67、計(jì)算值為990。誤差主要是由于電阻的誤差造成的。</p><p>　　共模增益測(cè)量：在電源電壓為12V時(shí)，聯(lián)接兩輸入端IN1 ,IN2, 加上50HZ，12V的共模電壓Vcom，如圖3-4所示，用示波器測(cè)得輸出電壓.共模增益為 </p><p>　　經(jīng)計(jì)算得共模抑制比為：</p><p>　　由于AD620的輸入阻抗高達(dá)1000M，而電極的輸出阻抗一般低于10M，&

68、lt;/p><p>　　脈搏和心音換能器的輸出阻抗一般為幾千歐至幾十千歐。所以信號(hào)源的阻抗對(duì)放大器幾乎沒有任何影響。 </p><p>　　圖3.5 共模增益的測(cè)量電路</p><p>　　在測(cè)試中，把脈搏換能器的輸出端接在前置放大器的輸入端，用存儲(chǔ)示波前置放大器的輸出端檢測(cè)到了清晰的脈搏信號(hào)，如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6(a)

69、 未加屏蔽驅(qū)動(dòng)和浮地技術(shù)時(shí)用存儲(chǔ)示波器測(cè)得</p><p>　　的前置放大器輸出的脈搏信號(hào)波形</p><p>　　圖3-6（b）加了共模驅(qū)動(dòng)和浮地技術(shù)時(shí)用存儲(chǔ)示波器測(cè)得</p><p>　　前置放大器輸出的脈搏信號(hào)波形</p><p>　　由圖可以看出來,未加屏蔽驅(qū)動(dòng)和浮地技術(shù)時(shí)輸出信號(hào)波形上疊加了很大的工頻干擾。</p>&

70、lt;p>　　采集心音信號(hào)時(shí)，直接從前置放大器的輸出端取出的信號(hào)是夾雜了很多其他低頻人體生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的模糊波形，心音信號(hào)已被淹沒，而且從圖3-6中可以看出波形含有很大的直流分量?？紤]到心音信號(hào)的頻譜范圍是20—600HZ ，將信號(hào)再經(jīng)過一路高通濾波器HPF2的濾波得到了較清晰的心音信號(hào)波形，消除了低頻干擾和直流成分，如圖3-6所示。</p><p>　　圖3.6（a）未加高通濾波器時(shí)采集系統(tǒng)輸出的心音信號(hào)（

71、被湮沒在噪聲中）</p><p>　　圖3.6(b) 加了高通濾波器時(shí)采集系統(tǒng)輸出的心音信號(hào) （脫穎而出） </p><p><b>　　3.6 PCB制板</b></p><p>　　檢測(cè)人體微弱信號(hào)的前置放大器對(duì)抗干擾性能要求很高，在制作其PCB板（Printed Circuit Board 印刷電路板）時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：<

72、/p><p>　　電源去耦電容盡量靠近芯片的VCC或VEE端。</p><p>　　輸出端與輸入端盡量遠(yuǎn)離。</p><p>　　放大器輸入阻抗很高，易受干擾，在布線時(shí)，應(yīng)使輸入線盡可能短且對(duì)稱。</p><p>　　接地線應(yīng)寬而短，以盡可能減小地阻抗，且要注意一點(diǎn)接地。</p><p>　　為了增加電路的抗干擾性能，在電

73、路板上布上大面積的柵格網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　共模驅(qū)動(dòng)運(yùn)放U3工作時(shí)熱量大，應(yīng)注意通風(fēng)散熱。</p><p>　　第4章 濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.1 生物電信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)濾波器的要求</p><p>　　在生物電信號(hào)采集過程中，不可避免的會(huì)混入各種干擾，因此想要得到清晰穩(wěn)定的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，濾波器的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。<

74、/p><p>　　干擾的來源主要有三類。第一類是各種電子設(shè)備輻射出的高頻噪聲。第二類是市電的50HZ工頻噪聲，這類噪聲很明顯。第三類是直流或低頻干擾，例如心電信號(hào)采集過程中，電極與皮膚之間產(chǎn)生的直流極化電壓；在脈搏信號(hào)采集過程中，病人手的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的低頻干擾信號(hào)（約零點(diǎn)零幾赫茲）造成有用信號(hào)的基線漂移；心音信號(hào)采集過程中，呼吸和肌肉的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生低頻干擾。</p><p>　　這些直流或低頻干擾幅

75、值很高，易使放大器進(jìn)入非線性區(qū)。為此需要設(shè)計(jì)多個(gè)濾波器對(duì)信號(hào)濾波。</p><p>　　本論文針對(duì)脈搏與心音信號(hào)的采集設(shè)計(jì)兩路高通濾波器和一路共用的低通濾波器（ADC的抗混疊濾波器）。工頻50HZ濾波處理將在數(shù)字濾波器部分介紹。采用的濾波器是基于EDA技術(shù)的自適應(yīng)濾波器。這種濾波器能夠抑制50HZ的工頻干擾而保留50HZ的信號(hào)分量。是一種新型的數(shù)字濾波器。</p><p>　　表 4.1

76、 本次設(shè)計(jì)的濾波器一覽表</p><p>　　4.2高通濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.2.1 低噪聲運(yùn)算放大器OP-27 </p><p>　　OP-27是高共模抑制比（CMRR）、低漂移、高速、低噪聲運(yùn)算放大器。工作電源電壓為±15v，在工作電壓為±15v，溫度25ºC的環(huán)境下，OP-27E的</p

77、><p>　　CMRR為126dB，在測(cè)試信號(hào)為10Hz時(shí)，輸入端等效噪聲En為3.5,等效電流In為1.7 。引腳圖如圖4-1所示。 </p><p>　　圖4.1 OP27引腳圖</p><p>　　4.2.2采用sallen-key拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的濾波電路</p><p>　　sallen-key結(jié)構(gòu)

78、的二階高通濾波器如圖4-2所示，這種結(jié)構(gòu)的濾波器的優(yōu)點(diǎn)是外圍元件的參數(shù)漂移對(duì)濾波器的性能</p><p>　　影響很小，使電路的穩(wěn)定性得到保證。（該濾波器也可以用軟件設(shè)計(jì) 。其軟件是：</p><p>　　Analog Filter v1.0 可以在wwww.analog.com/wizard/上在線設(shè)計(jì)。）</p><p>　　圖 4-2 二階高通濾波器<

79、/p><p>　　濾波器的傳遞函數(shù)是 （4-1）</p><p>　　電阻，電容的計(jì)算公式如下: </p><p>　　（1）. P=R2/R1 (4-2) （P值最好為0.1~10，P可以用于優(yōu)化元件值，或元件發(fā)散

80、比。例如可以改變P值，是C2等于期望值，便于購買）。 </p><p>　?。?）. (4-3) （3）. (4-4)</p><p>　?。?）.

81、 (4-5) （5）. (4-6)</p><p>　?。?）. （4-7）</p><p>　　通過選擇，，，,計(jì)算得HPF1的 R，C值為：R1=225K，R

82、2=450K，C11=10，C12=0，C3=10.</p><p>　　通過選擇，，，，計(jì)算得HPF2的 R，C值為：</p><p>　　R1=2.8K，R2=5.6K，C11=1.，C12=0，C13=1.</p><p>　　HPF2的頻響曲線如下</p><p>　　圖 4.2 HPF2的幅頻特性曲線</p><

83、;p>　　4.3基于開關(guān)電容濾波器（SCF）的ADC抗混疊處理</p><p>　　為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇合適的低通（抗混疊）濾波器可以根據(jù)Nyquist采樣定理，將濾波器的轉(zhuǎn)角頻率設(shè)為Nyquist采樣頻率的1/2即可。但是設(shè)計(jì)一款能瞬間從+1V/V增益轉(zhuǎn)換到零的“磚墻式” 濾波器是不切實(shí)際的。因此，實(shí)際應(yīng)用中常取采樣頻率為3~5倍的信號(hào)最高頻率或更高的頻率。也可以采用盡量逼近</p><

84、p>　　“磚墻式”的濾波器。如開關(guān)電容濾波器(SCF).</p><p>　　20世紀(jì)80年代技術(shù)改造一個(gè)重大課題是實(shí)現(xiàn)各種電子系統(tǒng)全面大規(guī)模集成（LSI）。使用最多的濾波器成為“攔路虎”，RC有源濾波器不能實(shí)現(xiàn)LSI，無源濾波器和機(jī)械濾波器更不用說了，于是，人們只能另辟新徑。50年代曾有人提出SCF的概念，由于當(dāng)時(shí)集成工藝不過關(guān)，并沒有引起人們的重視。1972年，美國一個(gè)叫Fried的科學(xué)家發(fā)表了用開關(guān)和

85、電容模擬電阻R，說SCF的性能只取決于電容之比，與電容絕對(duì)值無關(guān)，這樣才引起人們的重視。1979年一些發(fā)達(dá)國家單片SCF已成為商品（屬于高度保密技術(shù)）?，F(xiàn)在SC技術(shù)已趨成熟。SCF采用MOS工藝加以實(shí)現(xiàn)，被公認(rèn)為80年代網(wǎng)絡(luò)理論與集成工藝的一個(gè)重大突破。當(dāng)前MOS電容值一般為幾皮法至100pF之內(nèi)，它具有（10～100）×10-6/V的電壓系數(shù)與（10～100）×10-6/℃的溫度系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)幾乎接近理想的境界。

86、SCF具有下列一些優(yōu)點(diǎn)：SCF可以大規(guī)模集成；SCF精度高，因?yàn)槠湫阅苋Q于電容之比，而MOS電容之比的誤差小于千分之一；功能多，幾乎所有電子部件和功能均可以由SC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；比數(shù)字濾波器簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰狝/D、D/A轉(zhuǎn)換；功能小，可以做到小于10</p><p>　　4.3.1 開關(guān)電容濾波器MAX7480</p><p>　　本論文采用MAXIM公司的集成8階開關(guān)電容濾波器MAX74

87、80。MAX7480是一款低失真低功耗的8階Butterworth低通濾波器，工作于+5V的單電源電壓下，轉(zhuǎn)角頻率可以通過外加脈沖或外接電容設(shè)置為1~2KHz，</p><p>　　失真小于-73dB，輸出失調(diào)電壓小5mV，</p><p>　　工作模式下靜態(tài)電流小于2.9mA 關(guān)閉模式下靜態(tài)電流小于0.2.器件</p><p>　　引腳圖如圖4.5所示。<

88、/p><p>　　圖 4.5 MAX7480的引腳圖</p><p>　　4.3.2 具體電路實(shí)現(xiàn)</p><p>　　MAX7480使用極其方便，通過在CLK端外加時(shí)鐘脈沖就可以設(shè)置濾波器的轉(zhuǎn)角頻率。與的關(guān)系是：</p><p>　　=/100 (4-8)<

89、/p><p>　　或者也可以使用芯片內(nèi)部的振蕩器獲得時(shí)鐘頻率，這時(shí)需要在CLK端外接電容，與的關(guān)系是:</p><p>　　, (4-9)</p><p>　　由于本系統(tǒng)只需600HZ和1KHZ的轉(zhuǎn)角頻率,故采用外接電容法.通過跳線開關(guān) 選擇一個(gè)電容. 經(jīng)過計(jì)算得到分別為:</p><p>　　=

90、600HZ時(shí), =1060PF;</p><p>　　=1KHZ時(shí), =530PF 。</p><p><b>　　電路如圖4.6所示</b></p><p>　　圖 4.6 抗混疊濾波器實(shí)現(xiàn)原理圖</p><p>　　=1KHZ時(shí),電路的頻率響應(yīng)曲線如圖4.7所示：</p><p>

91、　　圖4.7 濾波器的頻率響應(yīng)曲線</p><p>　　通過存儲(chǔ)示波器觀察到前置放大器輸出的脈搏信號(hào)經(jīng)過低通濾波器濾波之后,疊加在信號(hào)波形上的毛刺(高頻噪聲)明顯減少.如圖4.8所示:</p><p>　　圖4.8(a) 未加低通濾波器時(shí)系統(tǒng)的輸出脈搏信號(hào)波形 （含有高頻噪聲）</p><p>　　圖4.8（b）加了低通濾波器后系統(tǒng)輸出的脈搏信號(hào)波形 （‘眉清目秀’

92、）</p><p>　　第5章 可控增益放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　在很多實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，前置放大器輸出的都是±１０Ｖ左右的雙極性信號(hào)，而現(xiàn)在大多數(shù)的ＡＤＣ和數(shù)字集成芯片則常常使用較低的單電源電壓來進(jìn)行供電。新型ＡＤＣ在低供電電壓時(shí)大多采用差分輸入方式以獲得較好的共模抑制比和較好的抗干擾性能，因此，具有±１０Ｖ輸入范圍的單端儀用放大器與只有＋５Ｖ差分輸

93、入范圍ＡＤＣ的級(jí)聯(lián)就成為一個(gè)比較棘手的問題，為此，設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減和平移，為此,我們針對(duì)本次設(shè)計(jì)的前置放大器輸出信號(hào)的幅度范圍設(shè)計(jì)了一款可控增益放大器.如圖5-1所示,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)可控衰減和平移的功能.</p><p>　　5.1多路模擬選擇開關(guān)CD4051</p><p>　　CD4051是單八通道雙向模擬選擇開關(guān)，電源電壓典型值是15V,導(dǎo)通電阻Ron=80,導(dǎo)通電阻路間差R

94、on=5,開關(guān)關(guān)斷下的漏電流I=0.08A，開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間=120s.功能如表5.1所示，</p><p>　　表 5.1 CD4051的功能表</p><p>　　5.2可控增益放大器的原理分析</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的可控增益放大器由兩級(jí)組成，如圖5.1所示：</p><p>　　圖 5.1 可控增益放大器的實(shí)現(xiàn)原理圖</p&g

95、t;<p>　　第一級(jí)的功能是通過FPGA的反饋信號(hào)或手動(dòng)按鍵調(diào)節(jié)放大器的增益，使第一級(jí)輸出電壓保持在-2.5 ~ +2.5V范圍之內(nèi)。第二級(jí)是一個(gè)加法電路，實(shí)現(xiàn)的功能是將第一級(jí)輸出電壓提升2.5V，輸出0 ~ 5 V電壓以便與ADC的輸入電壓相匹配。</p><p>　　采用手動(dòng)按鍵調(diào)節(jié)時(shí)，電路的工作過程是：手動(dòng)按鍵產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖給計(jì)數(shù)器74161，計(jì)數(shù)器的的輸出端Qc Qb Qa共產(chǎn)生8種輸出組態(tài)

96、，作為CD4051的控制信號(hào)。輸出Qd作為清零信號(hào)實(shí)現(xiàn)8進(jìn)制計(jì)數(shù)。</p><p>　　采用FPGA反饋信號(hào)來調(diào)節(jié)增益時(shí)，電路工作過程是：下載到FPGA的DSP處理程序根據(jù)信號(hào)的幅度反饋一個(gè)增益控制信號(hào)給CD4051的控制輸入端，實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)控制（AGC）。</p><p>　　CD4051的輸入控制信號(hào)CBA的8種組態(tài)分別控制8個(gè)通道接向公共I/O端，使放大器獲得8種反饋電阻值，實(shí)現(xiàn)8

97、種增益。</p><p>　　該系統(tǒng)的前置放大器輸出電壓幅度較大，可達(dá)10V，所以該級(jí)放大器主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)衰減。Rin取10K，～分別取 1K，2K，3K，3.9K，5.1K，6.8K，10K，20K。可實(shí)現(xiàn)的放大倍數(shù)為：0.1，0.2，0.3，0.39，0.51，0.68，1，2。</p><p>　　第二級(jí)加法電路實(shí)現(xiàn)電位提升的原理是：</p><p><

98、b>　　(5-1)</b></p><p><b>　　(5-2)</b></p><p>　　可控增益放大器輸出的0 - +5V信號(hào)先送至SCF MAX7480進(jìn)行抗混疊濾波后再送至ADC。</p><p>　　第6章 低噪聲設(shè)計(jì)原理 </p><p>　　噪聲是存在于電路內(nèi)部的一種固有的擾動(dòng)信號(hào)，它

99、是由于組成電路的器件材料的物理性質(zhì)以及溫度等原因引起電荷載流子運(yùn)動(dòng)發(fā)生不規(guī)則變化而產(chǎn)生的。它既不能精確的預(yù)見，也不能完全清除但可以控制。在微弱信號(hào)檢測(cè)時(shí)的前置放大器中，必須選用適當(dāng)?shù)脑骷O(shè)計(jì)合理的電路，來減少噪聲干擾。</p><p><b>　　6.1 熱噪聲</b></p><p>　　熱噪聲是導(dǎo)體中電荷載流子的隨機(jī)熱擾動(dòng)引起的。第一個(gè)觀察熱噪聲的是1927年

100、貝爾實(shí)驗(yàn)室的J.B.約翰遜。1928年H.乃奎斯特進(jìn)行了理論分析。因此，熱噪聲也叫約翰遜噪聲和乃奎斯特噪聲。</p><p>　　導(dǎo)體中的有效噪聲功率（Nt）與絕對(duì)溫度以及測(cè)量系統(tǒng)的帶寬成正比，用方程表示為：</p><p>　　Nt= (6-1)</p><p>　　其中 K — 波爾茲曼常數(shù)=1.38

101、X10-23J/ K</p><p>　　T — 導(dǎo)體所處的絕對(duì)溫度（K）</p><p>　　△f — 測(cè)量系統(tǒng)的噪聲帶寬（Hz）</p><p>　　有效功率就是信號(hào)源帶動(dòng)等于其內(nèi)阻的電阻負(fù)載時(shí)，能夠提供的功率。它可以表示成Et2/4R.，即：</p><p>　　Nt==Et2/4R

102、(6-2)</p><p>　　則求得電阻R上均方根噪聲電壓（Et）為</p><p>　　Et= (6-3)</p><p>　　其中R為電路的電阻阻抗的實(shí)部。</p><p>　　由上式可得以下幾點(diǎn)：</p><p>　　不管頻段的中心在哪里，噪聲電壓都正比于

103、帶寬的平方根。減小帶寬可以減小噪聲。</p><p>　　電擾分量不產(chǎn)生熱噪聲。</p><p>　　降低溫度可減小噪聲。</p><p><b>　　6.2 低頻噪聲</b></p><p>　　低頻噪聲又叫l(wèi)/f噪聲。這種噪聲的譜密度隨頻率的降低而無限增大?；蚍Q“紅噪聲”指的是功率　隨l/f2變化的噪聲，可通常等于１

104、，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，隨著器件的不同可取值為0.8-1.3。半導(dǎo)體器件中1/f噪聲的主要根源歸根結(jié)底是材料的表面特性。在很多低噪聲電路中，必須要選用l/f噪聲低的器件。</p><p>　　由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)頻率很低，其l/f噪聲不可忽視，在設(shè)計(jì)前置放大器時(shí)除選用低l/f轉(zhuǎn)角頻率的低噪聲運(yùn)放外，還應(yīng)設(shè)法減少或消除無用低頻及直流信號(hào)以降低l/f噪聲。</p><p>　　6.3 電子元器件的噪聲<

105、;/p><p>　　電子元器件是組成電子設(shè)備的基礎(chǔ)，電子線路內(nèi)部噪聲是由電子元器件產(chǎn)生的噪聲按照一定的規(guī)律疊加的結(jié)果，要設(shè)計(jì)或正確使用低噪聲放大器就必須對(duì)電子元器件的噪聲有所了解。</p><p>　　6.3.1 電阻的噪聲</p><p>　　所有的電阻都具有熱噪聲，它由乃奎斯特公式表示：</p><p>　　VN=

106、 (6-4)</p><p>　　式中R為電阻值或阻抗的實(shí)部，f為測(cè)量儀器的噪聲帶寬。熱噪聲是電阻的最低噪聲，不論是碳質(zhì)電阻、碳膜電阻、金屬膜電阻、線繞電阻都具有相同的熱噪聲。</p><p>　　此外，由于各種類型的電阻采用的材料不同，制造工藝不同，電阻器中存在不連續(xù)性，當(dāng)電流流過不連續(xù)的導(dǎo)體時(shí)，就產(chǎn)生過剩噪聲（又叫電流噪聲）。電阻中的過剩噪聲電壓　　的經(jīng)驗(yàn)公式

107、是：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中k=常數(shù)，與電阻材料和制作方法有關(guān)。電阻器越均勻，k值越?。?lt;/p><p>　　VDC — 加在電阻上的直流電壓；</p><p>　　— 流經(jīng)的信號(hào)頻率。</p><p>　　就電阻類型而言，碳質(zhì)電阻過剩噪聲最大，

108、在低頻時(shí)遠(yuǎn)大于熱噪聲，碳膜電阻小一些，金屬膜電阻再小一些，線繞電阻最小。</p><p>　　6.3.2 電容器的噪聲</p><p>　　如前所述，電阻的熱噪聲為Vt=,其噪聲大小與溫度、阻值、噪聲帶寬有關(guān)，不可忽視。如圖4-1所示是實(shí)際有耗電容器的等效電路，其輸出電壓：</p><p><b>　?。?-6）</b></p>

109、<p>　　可見R, 越大，噪聲越小。所以電容器不是一個(gè)熱噪聲源，其噪聲很小。在某些情況下，用電容器去旁路電阻的噪聲，能得到較好的效果。</p><p>　　6.4 前置放大器與輸入源阻抗的合理匹配</p><p>　　如圖4-2所示，放大器的等效輸入噪聲為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p>&

110、lt;p>　　式中：Ent為信號(hào)源電阻產(chǎn)生的熱噪聲，Ent=</p><p>　　En和In分別為放大器等效到輸入端的噪聲電壓和電流。</p><p><b>　　定義噪聲系數(shù)：　</b></p><p><b>　?。?-8） </b></p><p>　　為求出對(duì)應(yīng)最小噪聲系數(shù)F的最佳源

111、電阻Rs,對(duì)F求偏導(dǎo)，得</p><p>　　Rs=En/In (6-9)</p><p>　　此時(shí)： ?。?-10）</p><p>　　在檢測(cè)生物電時(shí)，人體內(nèi)阻與電極阻抗之和為放大器源阻抗，選擇放大器En/In在最佳