如何使用最少的軟件和硬件設(shè)備實現(xiàn)實際應(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。當血液通過手指泵送時，它會上下波動。對于光學心跳檢測器的操作，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，并使用負反饋電阻（R4）進行放大

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 主動學習模塊

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電阻器

一個 470 Ω電阻器

一個1 kΩ電阻

一個10 kΩ電阻

兩個47 kΩ電阻

兩個 1 μF 電容器

一個47 μF電容

一個紅外指示燈 （QED-123）

一個紅外晶體管 （QSD-123）

方向

在無焊試驗板上，構(gòu)建心跳測量電路（設(shè)計在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標準模型集中。實際電路由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的適當電流，需要串聯(lián)增加一個電阻器以限制電流。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）與紅外光接觸時從光電晶體管（Q2）獲取信息，設(shè)計了一個共發(fā)射極放大器電路。該電路產(chǎn)生一個輸出，當光電晶體管檢測到紅外范圍內(nèi)的光時，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驗確定的。

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)計中包含有源元件，如運算放大器。它們從外部電源獲取電源，并用它來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)與簡單的RC低通濾波器相同，唯一的區(qū)別是它使用運算放大器進行放大和增益控制。

這種一階低通有源濾波器（A2、R4、C2）僅由一個無源RC濾波器級組成，為同相運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)點是，運算放大器的高輸入阻抗可防止濾波器輸出端負載過大，而其低輸出阻抗可防止濾波器的截止頻率點受到負載阻抗變化的影響。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)計的電路，進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)點上的電壓外.

在試驗板上實現(xiàn)的電路應(yīng)類似于圖4中的電路。藍色 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，請使用實驗室方向的公式。

審核編輯：郭婷