信号采集及放大电路设计new

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1、信号采集及放大电路的设计4信号采集及放大电路设计4.1引言根据前面章节的分析，本章设计了一个生物机能实验装置，包括硬件信号采集、滤波、转换、接口电路以及对采集信号的处理等，主要侧重于对生物机能信号的提取和滤波处理，为研制适合我国大专院校的生物机能实验系统做了准备和初步的探讨性工作。4.2信号采集放大电路概述根据生物体信号的特点.对于电信号和非电信号分别通过不同的引导装置将信号引出，将信号经过前级放大电路的初步放大后，再对信号进行二次放大，将放大后的信号进行滤波，完成信号的提取和放大。该部分的整体框图如图4-1所示:非电信号一前生传感器级物放体大电极电信号图4-I信号提取电路框图Fi

2、g4-ISignalExtractionBlockDiagram4.3信号采集及放大电路设计4.3.1电极和传感器的选择在生理学实验中，由于各种实验的具体要求不同，所选用的电极和传感器的类型也不一样。传感器主要有压力传感器〔测定压差)、张力传感器〔记录力和位移的变化)和光传感器〔测量位移或压力，还可测量小动物的自发活动及脉搏变化等)。选择电极时，为了防止极化电压的干扰，要选用乏极化电极、极化电位较小的金属来减少干扰，例如:铂金，银或铜，但考虑到性价比，选择铜、银作为电极材料。乏极化电极主要有银一氛化银电极、刚针电极和微电极。选取电极的尖端直径为0.1一。.2mm.如果尖端直径太小，

3、则记录的电位幅度小不敏感。尖端也不能太细，否则嗓声过大信噪比过小。4.3.2前置放大电路的设计由于生物体的电信号十分微弱，一般都是毫伏级.有的甚至是微伏级，所以必须经过前置放大器的放大，才能在示波器显示或记录仪上记录其波形。但是由于极化电压的存在，前级放大器的增益只能在几十倍以内，以免干扰信号同时被放大，同时生物体信东北农业大学工学硕士学位论文号属于微弱信号，所以适合选用仪表放大器进行放大。仪表放大器具有低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及体积小等优点，它既能对单端信号又能对差分信号进行放大。根据生物体信号大多都是差分信号的特点，本文选用了TI公司的INA12名，它是一种

4、低电压通用型仪表放大器，其特点如下:·低失调电压:50卜vmax。低漂移:0.5”v/℃max。低输入漂流:snAmax。高共模抑制比:120dBmin·宽通带:ZookHz(G二100)。输入过压保护:料OV。宽电源电压范围:出2.25~士18V·低静态电流:700叭·8脚塑料DIP和50一8封装由于特性优良，加之体积小，并可用一个外部电阻方便的从1到1o00设定增益，使得INA12S能够广泛应用于信号采集放大、医用仪器以及多通道系统等很多领域，可以在低至士2.25V的电源电压下工作并且静态工作电流很小，是便携式系统的理想器件。被提取上来的信号经过电压保护电路输入到仪表放大器IN

5、A128，具体电路如图4一2所示:叫叫.函。)]D、-J黛主_1、OllDjR3叮】百眼司宁C七扭二歌.占愧’以“仁卫1门图4一2前级放大电路Fig4一ZFore一stageAmPlifioationCircuit手1+竺竺旦放大实验中设定反馈电阻凡朽.IK。，根据IN人128的放大倍数计算公式气倍数约为拍倍.在对电路进行调试的过程中，籍要注意的问题主要有以下几个方面:信号采集及放大电路的设计1仪表放大器的正负电源引脚处，应该接滤波电容，以消除电源带来的干扰，图4-2中的CI,C4,2.仪表放大器的输出参考电压端(5脚)应该可靠接地。因为该引脚对地的电阻值对器件的共模抑制比有很大的

6、影晌，例如，50的阻值将导致共模抑制比衰减到80dB,3.供电电压的范围。仪表放大器INA128的输入电压范围很宽，可达到正负18伏，但是只有在输入共模电压小于供电电压的1.25伏左右时.才有较为理想的共模抑制比，所以在信号很弱时，应该选择小范围的供电电压.4.避免使用放大器的高增益段。尽管INA128的增益根据反馈电阻的值可以在1-1000之间变化，但是为了减小增益误差，弱信号要采用多级放大。4.3.3硬件滤波电路设计1.前置差分滤波电路在使用仪表放大器的数据采集系统中，当多个信号源的频带不一致的时候，差分信号相互之间存在干扰，这时需要考虑滤波器的设计。当干扰信号超过有用信号时，

7、必须考虑设计差分滤波器。差分滤波器必须满足差分输入差分输出.具有高的共模抑制比及低的输出阻抗。另外使用差分滤波器还可以增加仪表放大器所允许的共模愉入电压范围，图4-3是一个简单的由阻容元件构成的一阶差分滤波器，其中电阻R,=Rz，电容C,=C2-Vi-一一〔a-"一一一-Vo-凡图4-3一阶差分滤波器Fig4-3FirstOrderDiferenceFilter滤波器的频率特性由R,C确定。图中Ve表示差分输入信号，Yo表示差分输出信号，将滤波器看成一四端网络，则系统