學子專區—ADALM2000實驗：心跳監測電路
前言：
作者：ADI顧問研究員Doug Mercer 和 系統應用工程師Antoniu Miclaus
目標
本實驗活動透過目標在獲取心跳資訊的實際範例，介紹了如何使用放大器鏈實現增益和濾波。系統的結果提供相關輸出，而使用Scopy軟體工具可顯示該輸出。
在本實驗活動中，學生將學習如何驅動紅外線LED和光電電晶體，設計並理解低通濾波器的行為，同時探索不同配置情況下的運算放大器功能。
結合先前提到的電子裝置，本活動最終將展示如何利用最少的軟體和硬體設備設計實際應用。
背景知識
有一種心跳監測裝置是透過夾在指尖上的電路來即時監測心跳。該裝置讓光線穿過手指，經由測量被吸收的光有多少來實現此功能。因為當心臟驅動血液經過手指時，測量值會發生上下波動。實驗使用了紅外LED和光電電晶體，來使光學心跳監測器正常工作。LED發出的光穿過手指，由光電電晶體進行檢測。光電電晶體就像一個可變電阻，根據接收到的光來傳導不同大小的電流。
從光電電晶體的集電極可以獲取隨心跳變化的電壓。將獲得的小訊號用於電路的輸入，可以瞭解心跳監測器的行為。
為了獲得相關輸出，輸入訊號要經過多個迴路：
• 前置放大器：來自心跳監測設定的輸出訊號透過串聯電容解耦，並使用負反饋電阻(R4)放大
• 低通濾波器：去除高頻（雜訊）的RC濾波器
• 電壓跟隨器：緩衝低通濾波器的輸出，並以低輸出阻抗再現其電壓
• 具有低通濾波器的反相放大器：放大電壓訊號並去除高頻（雜訊）。
材料
• ADALM2000主動學習模組
• 無焊試驗板
• 跳線
• 一個OP484精密軌對軌I/O運算放大器
• 一個100 Ω電阻
• 一個470 Ω電阻
• 一個1 kΩ電阻
• 一個10 kΩ電阻
• 兩個47 kΩ電阻
• 兩個1 µF電容
• 一個47 µF電容
• 一個紅外線LED(QED-123)
• 一個紅外線電晶體(QSD-123)
描述
圖1.心跳監測電路
LTspice模擬使用了LTspice標準模型集中的OP284s。實際電路由ADALP2000類比零件套件中的四通道OP484FPZ建構，並由ADALM2000模組的±5 V電源供電（總電源電壓為10 V）。
紅外線LED
為了獲得不會損壞紅外線LED的恰當電流，需要串聯一個電阻來限制電流。在工作範圍內改變電流值，將會改變紅外線LED發出的訊號強度。以下公式透過5 V正電壓電源(Vp)、串聯電阻(R1)和LED上的正向壓降(VF)，計算出LED的正向電流(IF)的值：
光電電晶體
為了在光電電晶體(Q1)接觸紅外線時獲取相關資訊，實驗設計了一個共發射極放大器電路。當光電電晶體檢測到紅外線範圍內的光時，此電路會產生一個從高位準狀態轉換為低位準狀態的輸出。輸出是透過一個電阻(R2)產生的，該電阻連接在電壓源和元件的集電極接腳之間，其值透過實驗確定。
前置放大器
來自心跳監測設定的輸入訊號被饋送到差分放大器電路（C1、A1、R3）。電容會阻礙任何直流成分通過，C1和R3充當高通濾波器，可透過以下公式確定截止頻率FC1：
除了濾波外，該級還用於放大器，將電流(IA1)作為輸入，並在輸出端產生一個基於負反饋電阻(R3)的反相電壓(VA1)：
主動低通濾波器
主動濾波器的電路設計中包含主動元件，例如運算放大器。這些元件需從外部電源獲取能量，並借此增強或放大輸出訊號。主動低通濾波器的工作原理和頻率回應與簡單RC低通濾波器相同，唯一的區別在於其使用運算放大器進行放大和增益控制。
該一階低通主動濾波器（A2、R4、C2）僅包含一個被動RC濾波器，用於為同相運算放大器的輸入提供低頻路徑。
該濾波器目的在去除與雜訊訊號相對應的高頻成分。考慮到心率不超過每分鐘180次(bpm)，並且bpm和頻率之間存在以下關係：
所以高於3 Hz的頻率應被去除。RC低通濾波器針對上述頻率值設計，公式如下：
放大器配置為電壓跟隨器（緩衝器），其直流增益為1，AV = 1。
此種配置的優勢在於，運算放大器的高輸入阻抗可防止濾波器輸出端承受過大負載，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。雖然此種配置使濾波器具有良好的穩定性，但無法實現高於1的電壓增益，AV = 1。然而，由於濾波器級輸出阻抗遠低於其輸入阻抗，因此功率增益非常高。
具有低通濾波器的最終放大器
最後一級配置為具有直流增益控制功能的交流運算放大器積分器。簡而言之，該電路目的在對來自剩餘不必要頻率（即高於心跳最大頻率）的訊號進行低通濾波（R4、C2），並透過反相放大器放大有用訊號，增益(AV)由R6和R5的比率確定：
模擬
考慮LTspice中設計的電路，需進行兩種類型的模擬：
• 瞬態：在電路的輸入端連接一個波形產生源。配置該源產生幅度為500 µV、頻率為2 Hz、偏置500 mV的正弦波。觀察輸出訊號幅度，以圖形方式確定電路的總增益（圖2）。
圖2.輸出電壓瞬態分析
• 交流掃描：在電路的輸入端連接一個交流源。將該交流源的幅度配置為500 µV。觀察選定頻域（100 mHz至1 kHz）中的輸出訊號，以圖形方式確定輸出訊號在哪個頻率範圍的放大效果更佳（圖3）。
圖3.輸出電壓——交流掃描
硬體設定
使用ADALM2000模組中設定為5 V的可變正負電源為電路供電。使用示波器通道1監測VOUT集電極節點的電壓。
試驗板上實現的電路應該類似於圖4所示電路。藍色LED代表紅外線LED，灰色LED代表光電電晶體。
圖4.試驗板心跳監測電路
程式步驟
將指尖放在紅外線LED (D1)和光電電晶體(Q1)之間。發射器和接收器應對齊並且指向彼此。
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
啟動Scopy工具示波器功能的監測功能，以讀取所獲得訊號的頻率。如需將頻率轉換為bpm，則可使用實驗說明中的公式。
問題：
使用實驗說明中提供的值和公式計算以下參數：
• 通過紅外線LED的正向電流（使用QED-123數據手冊）
• 高通濾波器的截止頻率
• 第二級低通濾波器的截止頻率
• 第三級低通濾波器的截止頻率
• 第三級放大器的增益
• 如果修改R5，哪些參數會發生變化？
• 如果修改R6，哪些參數會發生變化？
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