[转发]医用仪器放大滤波电路的性能评估

医用仪器放大滤波电路的性能评估

1 典型放大电路性能评估
1.1共模抑制比 设前置放大器的输入电位分别Vi1和Vi2
第一级的差模增益为：Kd1=1+2a
若输入共模电压，由Vi1=Vi2 V1=V2=Vi1=Vi2 则放大器仅跟随共模电压，不起放大作用。

第二级放大是个减法电路，其差模增益Kd2=β、共模增益K02=0，两级总增益的理论值为：Kd=Kd1×Kd2=(1+2a)β K0=0 CMRR=20*lg(Kd／K0)=∞

以上是理想情况的计算，实际电路的共模抑制比还受运放本身的共模抑制比及电阻误差的影响。因此选择运放和电阻是提高前置放大电路共模抑制比的关键。

将A1和A2的两个输入端短路，并输入+5V的共模电压，调节A6，使输出电压最小，最后测得放大器的输出电压为75mv，根据上述公式，则共模增益为：K0=0.075／5=0.015；而差模增益：Kd=200；因此，共模抑制比：CMRR=20*lg(Kd／K0) =20*lg(200/0.015)≈82.5dB

以上是直流共模抑制比，还须测50Hz共模抑制比，方法是输入峰一峰值为5V的50Hz共模信号，测得输出电压的峰一峰值为120mV，按照以上公式可算出50Hz共模抑制比为78dB。
该放大器的实测指标与设计指标有一定误差，主要有以下原因：
(1)放大器电路不对称

前级放大部分(A1、A2)虽然对共模信号不起放大作用，但在挑选A1、A2时应尽量使它们的电参数和极限参数相等，以避免由于运放参数指标不对称而引起的失调。在实验中挑选两只R时，应特别仔细，应尽量使它们相等，实测误差小于1％，故未发现明显的失调。
对整个电路的CMRR影响较大的是后级差动放大部分(A3)，差动放大器对共模信号的抑制能力由如下两部分组成：

(1)若差动运算放大器本身的CMRRA=∞时，差动放大器对共模信号的抑制能力主要取决于匹配电阻的匹配情况，用CMRRR表示匹配电阻对共模信号的抑制能力。
(2)若外接匹配电阻匹配良好，即CMRRR=∞，差动放大器对共模信号的抑制能力主要取决于集成运放本身的CMRRA。
若各匹配电阻的误差为δ1，δ2，δ3及δ4，则：
R4=R04×(1±δ1)
R5=R05×(1±δ2)
(R6)=(R06)×(1±δ3)
R7=R07×(1±δ4)
其中，R6=R6/+R6//，带0下标的电阻表示没有误差的理想电阻。若电阻网络处于最坏组合条件下，并设：δ1=δ2=δ3=δ4=δ
可推出如下公式：CMRR=CMRRR*CMRRA/（CMRRR+CMRRA）
由上述公式可知：

(1)在简单差动放大器中；，为获得较大的CMRR，应选用CMRRA高的运放，并严格选配外接电阻，要求R6／R4=R7／R5，在选配外接电阻时，应避免出现最坏的公差组合。在本设计中，采用四只固定电阻和一只低阻值可变电阻，当用可变电阻调节R时可以获得十分满意的共模抑制比，经实测能保证直流CMRR大于80dB，50HzCMRR大于75dB。
(2)差动放大器的差模增益越高对电阻的选配要求越低。
(a)运放的非理想性及分布参数的影响
运放在制作过程中并不是理想的，其共模抑制比受制作工艺的限制而有一定限度，使得整个放大器的共模抑制比受到限制。
其次，运放输入电容，电阻元件和印制电路板都存在分布电容，它们会影响放大器的相移，从而降低交流、特别是高频共模抑制比。
(b)最大增益误差
前置放大器的差模增益为200倍，但由于电阻网络存在误差，增益也会产生误差，现分析如下：

设电路中每个电阻的误差为占％，在第一级放大器中，ad1=(1+2a)×a，a为电阻误差的最坏组合，即：a=(1+δ)/(1-δ)-1或a=1-(1+δ)/(1+δ)即：ad1=(1+20) ×a=21a 在第二级放大器，ad2=β×a=10a总的最大增益误差为：(1+a) ×21× (1+2a) ×10-210=[(1+a)2-1] ×210总的最大增益误差百分率为：a总=[(1+a)2-1] × 100％

在本设计中，电阻的误差为5％，带人上面的公式，得：最大增益误差百分率为±21％。可见，在最坏误差组合情况下，增益误差最大可达±21％，但在批量生产中，只要合理搭配电阻，有可能控制增益的误差在很小的范围内。
2 滤波电路性能指标

巴特沃兹滤波器具有平坦的通过特性和比较陡峭的截止特性，虽然相移与频率的关系不够线性，但影响很小。我们在一项人体运动量测量的课题中采用了两个级联的二级巴特沃兹低通滤波器来滤除大于30Hz的干扰信号。
两个滤波器具有相同的截止频率，所以它们的组合特性相当于一个四阶巴特沃兹低通滤波器。
3 采用四阶滤波器滤波前后的身体加速度波形图。

可见，滤波前的加速度信号波形上带有很多密集的毛刺，滤波后，加速度波形变得清晰而光滑了，突出了身体的加速度，削弱了仪器零件，机壳及皮带扣振动引起的高频干扰。