1、第三章第三章 信号处理信号处理l生物电信号前置放大器结构和特点生物电信号前置放大器结构和特点 三运算放大电路结构与特点三运算放大电路结构与特点l运算放大电路运算放大电路（同向、反向、差动、跟随器结构和特点）（同向、反向、差动、跟随器结构和特点）l运放滤波电路运放滤波电路（一阶，二阶滤波器）（一阶，二阶滤波器）l运放整形电路运放整形电路（整流、峰值检测等）（整流、峰值检测等）l提高共模抑制能力方法提高共模抑制能力方法（屏蔽驱动、右腿驱动）（屏蔽驱动、右腿驱动）l心电信号综合电路分析心电信号综合电路分析(模拟信号放大、滤波、变换模拟信号放大、滤波、变换)生物电信号采集输入回路参数 电极等效电路 电
2、路特点生物电前置放大器生物电前置放大器 电极形成直流电电极形成直流电 等效电阻等效电阻 等效电容等效电容电极等效电路电路形式电路形式与特点与特点 差动电路形式 电路对称性,抑制共模信号 抑制温度漂移能力强 双端输入抗干扰能力强前置电路要求前置电路要求 高输入阻抗，高输入阻抗，生物信号源为高内阻，弱信号生物信号源为高内阻，弱信号高输入阻抗有利于提取更大的信号高输入阻抗有利于提取更大的信号 心电生物信号源内阻复杂，约心电生物信号源内阻复杂，约100k 要求放大器的输入阻抗至少要求放大器的输入阻抗至少1M 脑电要求更高脑电要求更高5M，肌电，肌电100M Zi大，放大倍数大且稳定，对大，放大倍数大且
3、稳定，对Zs变化不敏感变化不敏感iddisZAAZZAd：放大器增益Ad：对生物信号的实际增益ABABcmiZZUUUZZi大大,有利于降低干扰电压有利于降低干扰电压Zs变化导致差模电压变化导致差模电压高共模抑制比高共模抑制比CMRR=Ad/Ac要求要求60-80dB，103-104 低噪声，低漂移低噪声，低漂移 前置放大器噪声对整个电路影响大前置放大器噪声对整个电路影响大 低频直流信号放大易造成零点漂移低频直流信号放大易造成零点漂移调制，调制种类，如何实现，解调调制，调制种类，如何实现，解调 保护电路保护电路，保护人体安全和仪器安全保护人体安全和仪器安全 快速校准电路快速校准电路 放大放大
4、具有一定的增益具有一定的增益 运算放大器概念、结构、优点、基本参数 线性运放电路2个重要特点 常见运放放大电路形式，电路结构 计算放大倍数，说明电路特点 运算放大器单、双电源运放特点 常见的运算放大器型号 运算放大器电路运算放大器电路运放电路基础 运算放大器是一种高增益直流放大器 电路简单、性能稳定、可靠性高、体积小、耗电量少 完成模拟信号放大、滤波、振荡、整形等运算放大器运算放大器LM74111.2.1 数字投音器数字投音器、运算放大器（运算放大器（operational amplifier，op-amp）是应）是应用得最为广泛的一类集成电路。用得最为广泛的一类集成电路。运算放大器基础运算放
5、大器基础双列直插小外形封装薄的缩小型 多级直流放大器 uA741:单运放LM324:四运算放大器LM358双运算放大器 适合于电源电压范围很宽的单电源使用输出阻抗输出阻抗+ROvov-v+vid输出输出输入阻抗输入阻抗反向输入反向输入同向输入同向输入vid=v+-v-输入信号输入信号l放大放大i+i-运算放大器的结构和参数运算放大器的结构和参数 A=RID=Ro=0 v+-v-=0 i+=i-=0 CMMR=Ac=0理想参数理想参数典型参数典型参数 主要指标主要指标 A 106 RID 50 M Ro 50 v+-v-10-6 V i+i-10-9 A CMMR60dB Ac1G1T，IB为几
6、皮安到几十皮安。利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。低温漂型低温漂型 在快速A/D和D/A转换器 高速型运算放大
7、器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、A715等，SR=5070V/us,BWG20MHz。高速型高速型低功耗型低功耗型 常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为2V18V，消耗电流为50250A。目前有的产品功耗已达W级，例如ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10mW，可采用单节电池供电高压大功率型高压大功率型 在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。D41集成运放的电源
8、电压可达150V，A791集成运放的输出电流可达1A。可编程控制型可编程控制型 程控运放控制引脚的电平来改变放大的倍数前置级共模抑制能力提高前置级共模抑制能力提高 差动输入级 提高输入阻抗 降低各种外围共模干扰 屏蔽驱动原理 右腿驱动原理降低各种外围共模干扰 C1,C2为导线对屏蔽层分布电容,屏蔽层接地 C1不等于C2，共模转化为差模 在两个输入端共模电压相等，若C1与C2不等造成，以及在运 放输输入端的分压，使得共模信号变为差模信号。外加屏蔽层外加屏蔽层,屏蔽层接地屏蔽层接地,消除外部干扰消除外部干扰 芯线本身对屏蔽层有分布电容芯线本身对屏蔽层有分布电容 两路信号的分布电容不相等两路信号的分
9、布电容不相等 造成共模电压在电阻造成共模电压在电阻,电容的分压不等电容的分压不等 共模信号向差模信号转化共模信号向差模信号转化 A1,A2,A3,A4作用 A点电压=？A接共模电压，保证接共模电压，保证C两端共模电压相等两端共模电压相等 不产生分流，相当于短路不产生分流，相当于短路 A1,A2提高输入阻抗 A3：隔离 A4：差动放大 VA=1/2(V1+V2)=1/2(uid/2+uic+uic-uid/2)=uic 右腿接法右腿接法 悬浮 接地 通过电阻接地 右腿驱动原理为什么右腿驱动降低共模电压等效电路解释A点电位=？A(uo2-ui2)/RF=(ui2-ui1)/RW=(ui1-uo1)
10、/RF uo2=(1+RF/RW)ui2-ui1.RF/RW uo1=(1+RF/RW)ui-ui2.RF/RW UA=(uo1+uo2)/2=(ui1+ui)/2=uic0 dcmFaR IUR12R 加一个负电压反馈到R0一端 Ucm=I0Rd-U 降低R0原来的电压共模电阻两端电位相等，相当于并联R/2引入负反馈反向电压，抵消I0Rd引入造成的人体共模电压cmaFddcmURRRIURIU200仪表放大器仪表放大器AD620 AD620是一种只用外部电阻就能设置放大倍数为11000的低功耗、高精度仪表放大器。尽管AD620由传统的三运放放大器发展规律而成的，但一些主要功能却优于三运放的仪
11、表放大器设计，电源范围宽（2.3V-18V），设计体积小，功耗非常低（最大供电电流仅为1.3mA）。因而使用于低电压、低功耗的应用场合。AD650，INA118：A1，A2，A3及及R集成在内部集成在内部叁数叁数:kRRkRRRG60 25 4321ININrefooutVvVvvVv12 Ref GINoRkVG501VVRefIN?RG 49.9.外接电阻外接电阻G 150.00049.91.003增益增益:集成仪器放大器集成仪器放大器RG:外接电阻外接电阻使用：使用：RG:外接电阻，外接去耦电容，电源，地外接电阻，外接去耦电容，电源，地AD620外接一个电阻即可生物信号滤波器生物信号滤波
12、器 过滤指定过滤指定频率的信号频率的信号，来自光学滤波，来自光学滤波 滤波是选择信号的重要手段 滤波对应频率的概念 滤波电路：RLC,RL,RCRC 低通滤波器低通滤波器：低频率的信号通过，将高频信号衰减。高通滤波器高通滤波器：高频信号通过，将低频信号衰减。带通滤波器：带通滤波器：一定频带范围内的信号通过带阻滤波器：带阻滤波器：阻止某一频带范围内的信号通过 PhotocellAmplifierFilterComparatorMCUDisplayPower Supply心电信号检测滤波器类型 高通 低通 带阻 50Hz滤波器 肌电滤波器（35Hz）前端高频滤波 滤波器的特性和分类RC，RL无源滤
13、波器LC 滤波器 LC 串、并联谐振回路 有源RC 滤波器LC低频范围内体积大，价格昂贵、衰减大 适合高频，如通讯集成运放和RC网络组成的有源滤波器 适用于低频，具有一定的增益 输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。RC有源滤波器普遍应用于低频、弱信号检测低通滤波器响应低通滤波器响应20dB10倍频程降低10倍40dB10倍频程降低100倍60dB10倍频程降低1000倍高通滤波器响应高通滤波器响应带通滤波器响应带通滤波器响应带阻滤波器（陷波器）带阻滤波器（陷波器）滤波器基本要求滤波器基本要求 会会分析滤波器电路的类型分析滤波器电路的类型 能计算滤波器参数（一阶掌握，二阶了解）能计算滤波器参数
14、（一阶掌握，二阶了解）(截止频率、带宽、品质因数、增益截止频率、带宽、品质因数、增益)初步设计滤波器初步设计滤波器一阶无源低通一阶无源低通（截止频率）（截止频率）计算一阶滤波器传输函数计算一阶滤波器传输函数s=j 截止频率幅度下降为0.707s=j 1()1A ssRC一阶无源一阶无源 有源滤波器有源滤波器（带有运算放大器）放大、提高输入阻抗放大、提高输入阻抗 改进频带特性等改进频带特性等 一阶一阶有源有源低通滤波器低通滤波器 （同向，反向）（同向，反向）传输函数及参数传输函数及参数2112fR C 一阶一阶有源有源高通滤波器高通滤波器3121()(1)1RRA sRRj C 3211()(1
15、)11RA sRj CR 112fRC21()1RA sRj C 211/()11RRA sj CR 112fRC 传输函数及参数传输函数及参数 心电测量系统中的滤波器及设计心电测量系统中的滤波器及设计心电信号的频率范围相对比较宽，将使用由低通滤波心电信号的频率范围相对比较宽，将使用由低通滤波器和高通滤波器串联所构成的带通滤波器，来实现某器和高通滤波器串联所构成的带通滤波器，来实现某个频段信号的通过。其中低通滤波器截止频率为个频段信号的通过。其中低通滤波器截止频率为150Hz,高通滤波器截止频率为高通滤波器截止频率为0.04Hz,电阻参数为：电阻参数为：高通滤波器，假定电容为高通滤波器，假定电
16、容为1F，则得电阻参数为：，则得电阻参数为：带通滤波器的频率特性曲线。带通滤波器的频率特性曲线。假定电容为假定电容为470nF1F=106uF=109nF=1012pF 频率高，C大，否则C小，以选合适电阻 心电测量的心电测量的带通带通滤波器滤波器 低通低通+高通（串联）高通（串联）两个一级滤波器级联两个一级滤波器级联两级两级RC电路构成电路构成实现更好的滤波特性实现更好的滤波特性 二阶滤波器二阶滤波器滤波器类型分析方法滤波器类型分析方法200220)(ssAsT20022)(ssAssT20020)(sssAsTLPHPBPBS2002202)()(sssAsTA,01Q二阶滤波器传输函数二
17、阶滤波器传输函数（s=j）：阻尼系数Q:品质因数表征滤波器过渡带衰减快慢23巴特沃斯切比雪夫vinRvoutCR4R3CRSallen-Key型二阶低通型二阶低通KRCssKsVsVnnninout31)()(22条件：K=1+R4/R30,否则自激2121212111212221211)1()(1)(CCRRsCCRRRCARRCsCCRRAsH)1(121210CCRR)2()1()(212111212CCRRRCARRCa341RRA条件：A3 电阻、电容任意的情况电阻、电容任意的情况 推导H(s)计算中心频率，品质因数，增益同相输入,输入阻抗高,输出阻抗低增益容易调节Q可以调节,得到期
18、望的滤波特性电阻与电容位置互换电阻与电容位置互换vinR1voutC1R4R3R2C2Sallen-Key高通滤波器高通滤波器 多路负反馈式二阶波器两路反馈通路反向输入二阶带通滤波器二阶带通滤波器独立改变品质因数独立改变品质因数Q、频率增益、频率增益Am、中心频率、中心频率 fm 高通滤波器213223321222311111)(RRCCsCCCCCRssCCsAuC1C2C3R1R231CCAuoccfCCRR212321323212111CCCCCRQc通带增益：截止角频率：高频时,C1,C3共同作用，反向器，C2短路低频时，v-=0,C1,C3,C2开路，R2短路，vo=0低通滤波器 等
19、效电路R1R2R3C1C2 2个低通串联AuiuoRpC3R1(a)R5C4R2312 带通滤波器带通滤波器 高频C1,C2短路，vo=v-=0，R1，C1，R3，R1R2C2低通，C1R3高通 低频C1,C2开路，R3无电流,vo=v-=0，C2，R31301221213212130)11(,)11(2RRAQfBCCCCRRRQRRCCR带阻滤波器带阻滤波器（也称为陷波器（也称为陷波器（notch filter）对某一频率的信号进行抑制对某一频率的信号进行抑制(阻抗很大阻抗很大)。常用的带阻。常用的带阻滤波器是一种如图示的双滤波器是一种如图示的双T陷波器。陷波器。（高（高+低通并联低通并联
20、=带阻）带阻）双双T陷波器的中心频率陷波器的中心频率由电路中的电阻由电路中的电阻R和电和电容容C两个参数来决定，两个参数来决定，计算式为：计算式为：假如假如R=13k、C=240nF，中心频率为：，中心频率为：还能得到远离中心频率时的增益为：还能得到远离中心频率时的增益为：滤波器设计过程滤波器设计过程根据系统要求的频率特性，确定滤波器种类根据系统要求的频率特性，确定滤波器种类选择电路结构选择电路结构,求解方程，计算求解方程，计算R R、C C元件值元件值 根据频率根据频率f0，A,Q 确定确定C1C2R1R2R3R4,C1=C2,R1=R3 C的容量不易超过1uF,大容量的电容器体积大，价格高
21、，应尽量避免使用,一般为0.1uF R：几K-几百K，不要太大，太小 最大值电路 (a)波形；(b)电路 运算放大其他电路运算放大其他电路 包络检波电路包络检波电路(峰值跟踪峰值跟踪)电路名称和输出uiurCUCCUEEuo0uiuourUoHUoL鉴别不灵敏区(a)(b)电压比较器的符号及传输特性电压比较器的符号及传输特性 特点：开环状态，无负反馈，非线性，无虚短特点：开环状态，无负反馈，非线性，无虚短 A很大，输出正向饱和，反向饱和很大，输出正向饱和，反向饱和 电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。高电平相当于数字
22、电路中的逻辑“1”，低电平相当于逻辑“0”。比较器输出只有两个状态，不论是“1”或是“0”，比较器都工作在非线性状态工作在非线性状态。“虚短路”概念不能随便应用 该电路也可用于该电路也可用于“整形整形”，用于记数或触发电路用于记数或触发电路 电压比较器电压比较器1.1.单限比较器单限比较器 过零比较器 波形-整形 Ui,Ur=0比较Ui,Ur三角波 专用比较器LM339 输出功率较大,驱动较大负载 翻转沿 电位器调整阈值 RCtw1.1555整型电路运算放大器电路总结运算放大器电路总结 线性电路：放大、滤波线性电路：放大、滤波 非线性电路：开环或有非线性器件非线性电路：开环或有非线性器件 如整
23、形电路如整形电路 有新的信号频率出现有新的信号频率出现 振荡电路（不要求）振荡电路（不要求）练习题练习题 设计一个门限电压检测电路，要求一个发光二极管显示,当输入电压在限定的范围内无输出，否则有指示输出，设门限范围UR1UR2两个运放，没有输出用二极管截至实现，否则相互影响两个参考比较电平分别为UR1和UR2，且假定UR2UR1C1C2UR2uiUR1Uo1Uo2V1V2uououi0UoHUR1UR2(a)(b)R 窗口比较器(a)电路；(b)传输特性UR2UR1，二基管起隔离作用否则高低电平相通，短路了应应 用用 报警电路，超过一定界限 心电图导联脱落报警（原理）如水位、温度等报警 电极脱
24、落时候，与人体不接触 导线悬空时外界干扰很大，输入高电压水池水位报警 水位置低于水面某一位置时候报警电路综合设计与分析一次心跳，二极管恒定发光0.2S一次放大、滤波等带通滤波器选取R波比较器输出方波(1)A1,A2，A3，A4的作用，各级的放大倍数(2)计算滤波器的截止频率(3)开关S1的作用(4)A1,A2,A3组成的前置级总的CMRR与哪些因素有关？如果第三级的CMRR为40dB,则系统总的CMRR是多少？一、下图为心电信号采集电路，试分析1:1:指出各组成单元名称，说明各部分原理及作用，整个电路的作用指出各组成单元名称，说明各部分原理及作用，整个电路的作用2:2:若输入为若输入为QRSQRS波输入，标出各点波形（波输入，标出各点波形（TP2,TP3,TP4,TP5,TP6)TP2,TP3,TP4,TP5,TP6)3:3:如果如果3.3M 3.3M 和和820k820k电阻位置互换电阻位置互换,输出信号有何问题输出信号有何问题二、下图为有干扰的心电信号处理电路，试分析以下问题 第三章第三章 总结总结1:生物电前置放大器等效电路、特点2:三运算放大器电路结构、特点3：前置级共模能力的提高方法，屏蔽驱动和右腿驱动4：各种模拟滤波器电路原理5：常见非线性电路原理和类型：检波、整型第三章作业第三章作业 P88:3-2，3-3，3-4，3-5
