作者：蘭 羽，周 茜
儀表放大器是精密差動電壓放大器，其源于運算放大器，但優(yōu)于運算放大器，具有低噪聲、高輸入阻抗、低線性誤差、高共模抑制比、低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點，使其在傳感器信號放大、數(shù)據(jù)采集、精密電子儀器設(shè)備、醫(yī)療儀器等方面廣泛被采用。采用分立元件構(gòu)成的儀表放大器作為血壓計中壓力傳感器前置放大電路，設(shè)計一低成本、低功耗、高增益、高信噪比的集成單元模塊放大電路。
1 血壓計原理
人體血壓指的是動脈血管中脈動的血流對血管壁產(chǎn)生的側(cè)向垂直于血管壁的壓力，主動脈血管中垂直于管壁的壓力峰值為收縮壓，谷值為舒張壓。血壓、心率是反映心血管系統(tǒng)狀態(tài)的重要生理參數(shù)。血壓計是通過充氣袖套阻斷上臂動脈血流來實現(xiàn)的，在袖套充氣的過程中，在氣袖壓力上將重疊與心搏同步的壓力波動，當(dāng)氣袖壓力遠高于收縮壓時，脈搏波消失，隨著袖套壓力下降，脈搏波開始出現(xiàn)，當(dāng)袖套壓力從高于收縮壓降到收縮壓以下時，脈搏波會突然增大，直到平均壓力達到最大值，然后又隨袖套壓力下降而衰減。血壓測量就是根據(jù)脈搏波振幅與氣袖壓力之間關(guān)系來估算血壓的，與脈搏波最大值對應(yīng)的是平均值，收縮壓和舒張壓分別由對應(yīng)脈搏波最大振幅的比例來確定。
血壓測量原理如圖1所示，壓力傳感器要求體積小，重量輕，采用固態(tài)壓阻式壓力傳感器，其功能是將血壓轉(zhuǎn)換成電阻的變化量；前置放大器要求高增益、高信噪比，系統(tǒng)采用儀表放大器；儀表放大器放大的信號經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換后，由單片機處理輸出，LCD顯示測量結(jié)果。
2 儀表放大器
2．1 設(shè)計原則
系統(tǒng)中壓力傳感器檢測到的信號為20～200 Hz，幅度為毫量伏級甚至微伏量級，夾雜大量干擾成份，因此要求前置放大器不僅具有高增益，還要有一定的抗干擾能力。同時儀表放大器電路能夠分辨的輸入信號越小越好，動態(tài)范圍越寬越好。因此前置放大器設(shè)計時注意：
1)系統(tǒng)中前置放大器必須是低噪聲的，因其身的就是一個噪聲源，而前端輸出的信號很小可能淹沒在放大器的噪聲中。
2)壓力傳感器與放大器連接時注意阻抗匹配，前置放大器才能獲得最佳的噪聲性能，使放大器噪聲才能達到最小。
3)放大器應(yīng)具有高增益且可調(diào)。
2．2 儀表放大器的設(shè)計
2．2．1 電路結(jié)構(gòu)
儀表放大器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其有兩部分構(gòu)成，第一級由A1、A2組成，均采用高阻抗同相輸入形式且結(jié)構(gòu)對稱，使得電路的漂移和失調(diào)都有互相抵消的作用；第二級由A3組成差動放大電路，同樣具有很高的共模抑制比、極高的輸入阻抗，與前級匹配。電阻R1=R2、R3=R4、R5=R6，調(diào)節(jié)Rp的電阻值，即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，在A1和A2可增設(shè)調(diào)零電位器VR1和VR2，電路差模電壓增益為：Au=R5／R3(1+2R1／Rp)由上式儀表放大器的增益即可由電阻R1、R3、R5預(yù)置，也可根據(jù)需要通調(diào)節(jié)RP設(shè)置儀表放大器的增益。
2．2．2 元件參數(shù)設(shè)計
核心器件可選用的集成運放相當(dāng)多，在選用運放時，首先應(yīng)選用低噪聲、輸入失調(diào)電流小、共模抑制比的運放：A1、A2運放的特性盡可能一致，電路采用了低噪聲集成OP-07。電阻、電容的確定，在低噪聲電路中，電阻選用低溫度系數(shù)的電阻精密金屬膜電阻，以獲得盡可能低的漂移其噪聲指數(shù)可達到0．2～1μV。放大器的放大倍數(shù)Au設(shè)定為10～10 000可kΩ，R5=R6=200 kΩ，Rp=2 kΩ足以滿足Au。電路中的C主要濾除信號中的高頻干擾成分，采用用云母電容或瓷片，均可降低電路噪聲。
2．3 電路仿真
采用Mltisim進行電路仿真，Mltisim是性能優(yōu)良電子仿真軟件，適合模擬／數(shù)字電路的設(shè)計仿真，其有強大元件庫，虛擬儀器庫，設(shè)計界面簡潔。仿真條件：輸入信號頻率在0．1～2kHz，幅度在1～5 mv，放大器增益10～90 dB，用Multisim設(shè)計電路如圖3所示，圖中集成運放采用的是通用運放μA741，如果采用低噪聲運放，效果會更好。用示波器觀察電路輸入輸出波形如圖4所示，圖中放大器輸入電壓峰值Uip=1 mV，輸出電壓峰值Uop=8．2 V。
3 儀表放大器安裝調(diào)試
3．1 電路安裝調(diào)試
在萬能板上安裝好電路。硬件電路如圖5所示，電路加±12 V電壓，當(dāng)輸入信號電壓峰峰值Uip-p=2 mV，頻率為1 kHz，增益調(diào)節(jié)到60 dB時，得到放大器的輸出電壓峰峰值Uop-p=1．98 V，用示波器測量輸出波形如圖6所示。測試表明：輸入信號帶寬控制在10 Hz～2 kHz內(nèi)，調(diào)節(jié)電位器Rp儀表放大器的增益可達90 dB。
3．2 電路安裝調(diào)試體會
1)儀表放大器安裝時，在運放A1、A2的反饋回路增加高頻消噪電容，以把電路自身噪聲系數(shù)降到最低。
2)電路電源的處理，電路用正負雙電源供電，電壓取±12 V，穩(wěn)定性要好。為了消除電源影響，可在正負電源引入端增加退耦電容，各并聯(lián)兩0．01 μF、0．33μF電容以消除電源對電路的影響。
3)接地的處理，電路由于兩接地點間或接地點與大地間有一定的阻抗，地回路中的電流，使它們形成一定的電位差，從而形成干擾源，習(xí)慣稱為浮地，解決的辦法是改多點接地為單點接地。
4 結(jié)論
目前儀表放大器已有專業(yè)的集成芯片，使用簡便，但價格較高，在這里根據(jù)血壓測量系統(tǒng)特點，采用分立元件設(shè)計制作出儀表放大器，通過對電路仿真，并在萬能板安裝測試表明：當(dāng)放大器輸入信號為毫伏級，放大器增益在60 dB時，放大器的輸出電壓達到伏級，帶寬，增益均符合系統(tǒng)要求。但從測試波形上看輸出信號還有高頻干擾，該信號經(jīng)過低通濾波處理，效果會更好。
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