毕业设计（论文）-弱信号检测与转换电路的设计.doc

目目 录录 摘摘 要：要： 1 abstract：2 引引 言：言： 3 任务与要求：任务与要求： 5 第一章第一章 放大电路放大电路 6 1.1 基本放大电路的工作原理基本放大电路的工作原理 6 1.3 负反馈功能和用途简介负反馈功能和用途简介 11 1.4 放大电路的信号仿真波形示意图：放大电路的信号仿真波形示意图： 13 第二章第二章 滤波电路滤波电路 14 2.1 滤滤波波电电路路概概述述 14 2.2 无源滤波电路无源滤波电路 15 2.3 有源滤波电路有源滤波电路 16 2.4 两种滤波电路的优差和选用两种滤波电路的优差和选用 18 2.5 滤波过后的仿真波形示意图：滤波过后的仿真波形示意图： 19 第三章第三章 转换电路转换电路 20 3.1 adc0809 的原理和功能介绍的原理和功能介绍20 第四章第四章 单片机简介及运用单片机简介及运用 22 4.1 8051 单片机简介单片机简介 22 第五章第五章 转换与储存转换与储存 24 5.1 adc0809 与与 8051 的接口电路的接口电路24 5.2 adc0809 与与 8051 的接口程序的接口程序25 第六章第六章 总体设计电路总体设计电路 26 6.1 总体流程框图总体流程框图 26 6.2 设计电路原理图设计电路原理图 26 6.3 总电路印刷板图总电路印刷板图 30 第七章第七章 总结总结 32 第八章第八章 谢谢 辞辞 33 第九章第九章 参考文献参考文献 34 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 1 弱弱信信号号检检测测与与转转换换电电路路的的设设计计 基于心电信号的设计 摘摘 要要： 弱信号检测电路是一种运用电子原器件组成的一个能够完成对弱信 号的检测。如：对心电信号的检测。它是由滤波电路、放大电路、 a/d 转换电路和计算机存储等部分组成。 通过放大电路我们可以将输入的微弱的电信号放大，使得以后的电 路能够对信号进行处理放大。它通过滤波电路，放大电路可以将很微弱 的电信号较清晰的分析出来，并通过示波器等模拟信号显示设备较完整 准确的显示出来，并可以通过a/d 转换电路，将模拟信号存入计算机 当中，为以后信号的处理和再次应用提供了必要的前提条件。所以，弱 信号检测与转换电路的设计的成功对心电信号的检测与利用有极为重要 的作用，最终对医学方面的发展起到了很大的推动作用。 关键词 ： 弱信号 弱信号检测 滤波电路 放大电路 a/d 转换电 路 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 2 abstract： the weak signal examination electric circuit is an examination that can complete to the weak signal that a kind of spare part with original usage electronics constitutes.such as:to the examination of heart telecommunication number.it from filter an electric circuit and enlarge electric circuit, the a/d conversion electric circuit and calculator saving etc. part to constitute. pass to enlarge electric circuit us can will input of the weak telecommunication number enlarge, can make the later electric circuit carry on a processing to enlarge to the signal.it passes to filter an electric circuit, enlarging the electric circuit can come out very weak telecommunication number clearer analysis, and pass to show the more complete and accurate manifestation of the manifestation equipments of the emulation signal of a machine etc. to come out, and can pass the a/d conversion electric circuit, deposit the emulation signal into the calculator in the middle, is later signal of processing with again applied provide necessary of prior condition.so, the success ofwith design of the weak signal examination and conversion electric circuit has extremely important function to examination and exploitation of heart telecommunication number, end have very great push to the developments of medical sciences function. key word: the weak signal weak signal examination filters an electric circuit to enlarge the electric circuit a/d conversion electric circuit 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 3 引引 言：言： 人体最重要的身体器官莫过于心脏，它是人体血液循环的动力源。它 的运动机能运动正确与否直接影响着整个人体能否正常运行，血液循环 不仅是为人体提供营养与氧的交换，还影响各个身体器官的运行状况， 所以说心脏是人体最重要的器官，也是最为重要的组成部分。 心脏病和肿瘤是发达国家患病率、死亡率最高的两种疾病，随着人口 老龄化，心脏患者呈逐渐上升的趋势。我国早在20 世纪 80 年代统 计数据表明心血管病死亡率为119.34/10 万，是总死亡的21.49%位 居第一。近年来，高血压心脏病和心率失常显上升趋势。 正常心脏处于胸腔内，它所处的位置，与周边脏器关系十分稳定。在 生理状况下，每个人心脏的大小、重量、容量都是相对稳定的，因此心 脏的生理过程容易用物理、生化、数学术语表示。心脏的生物信号易于 获取、规范化和解释。 以心动周期为例，心脏规律运动，使得心脏在运动各期的状态，各房 室腔内压力，心音节律和强弱、心电活动都有着恒定的规律。这样，我 们采集到的各种数据易于标准化，易于提取具有医学诊断的特征参数， 也易于对数据本身或其变化做出解释。心电图、心音图、房室腔压力曲 线就是计算机信息技术对临床数据应用的代表。 心脏的大小：医生可以通过扣诊心脏的浊音界而描绘心脏的大小和形 态。心浊音界的各数据是以前正中线为纵轴，为横轴形成坐标 点，各坐标点与前正中线的垂直距离构成了正常值数据。当我们将这些 坐标点相连，便显示正常心脏外形和大小，当心脏发生病变时，其外形 和大小常产生变化，这些坐标点随之产生位移，其连线构成的图形常显 示特征性病变。例如当心浊音界为“靴形 ”时提示可能为主动脉关闭不 全；为 “犁形 ”时，提示可能为二尖瓣狭窄；“烧瓶样 ”时，提示可能为 心包积液。计算机对这些数据的利用将自动地在病历描绘相应的心浊音 界图，并提示疾病可能。 心跳频率（每两次心跳间的时间）、心跳节律（心跳之间的间隔规 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 4 律） 、心音高低（音频赫兹数） ，以及异常心音产生的阶段，这些数据 都易于规范化定义。因此，医生都能够利用计算机处理这些数据，也可 以利用计算机信息技术处理这些生物信号，从而得到更为精确的心音图， 为临床诊疗服务。 心脏实验室检查项目很多，常见的有： 临床生化检查：如血液肌酸激酶及其同工酶、乳酸脱氢酶测定等，嵌 入计算机及应用软件的全自动生化分析仪可以快速准确地提供检测到的 数据。 心电图：是心脏科最常用的检测手段，也是使用计算机处理的结果， 运动心电图和24 小时连续记录心电图（holter）则是它的更进一步发 展。 此外，还有着冠状动脉造影、超声心动图等检测方法。而在心脏病的 治疗方面有着心脏科的电子病历以及心脏介入性治疗等，包括瓣膜球囊 扩张术、冠状动脉球囊扩张术、冠状动脉支架置入术、心律失常射频销 蚀术等，均可以通过血液数字减影（dsa）中的计算机系统，生成数 字图象，为远距离会诊的医生同步共享。 所以怎样将来源心脏的震动通过转换，变成电信号，再将电信号通过 特殊电路转换成能够被医疗机械识别的信号，这样就可以对心脏的机能 有大概的了解！ 我们所设计的电路就是将检测到的弱信号，经过滤波电路、放大电路、 a/d 转换电路和计算机存储等，使得相关信息可以很好的保存下来！为 其他提供可用的参数！ 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 5 任务与要求：任务与要求： 1、信号来源于心电信号。幅值为10v4mv，典型值为 1mv， 频率为 0.05hz250hz，频谱能量主要集中在0.25hz35hz 之 间。 2、将检测到的信号幅值经放大电路、滤波电路后信号幅值能达到a/d 转换器的输入信号幅值要求（03.3v） 。 3、将模拟信号转换为数字信号后存储于计算机中：设置其采样频率。 4、用 protel 画原理图与印制板电路图，用wave 编制相应程 序。 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 6 第一章 放大电路 1.1 基本放大电路的工作原理 放大电路的主要技术指标： 放大电路的性能如何是由它的性能指标来衡量的,而且性能指标 决定了放大电路的应用范围。放大电路的性能指标很多下面我们讨论几 个主要性能指标。 1.1.1 放大倍数 放大倍数又称为增益,是衡量一个放大电路放大能力的指标.放大 倍数愈大 ,则放大电路的放大能力愈强。 放大倍数定义为输出信号与输入信号的比值，根据输入输出端所取 的是电压信号或电流信号的不同又可分为电压放大倍数，电流放大倍数 等。 （1） 电压放大倍数au 输出电压对输入电压的比值，用au 表示 即： =ua ui uo 上式是不考虑输入信号通过放大电路时可能产生相位移的情况, 严格地说 ,应该是用输出电压和输入电压的相量之比表示电压放大倍数。 （2） 电流放大倍数ai 同理 ,可用输出电流的有效值与输入电流的有效值之比,用 ai 表 示,即： =ai ii io 在工程上 ,au 和 ai 常用以 10 为底的对数增益表示,这种表示方 法也称为放大倍数的分贝表示法。 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 7 可写为： =20ua ui uo =20ai ii io 当放大倍数小于1 时,则用分贝表示的增益为负数.用非分贝表示 的放大倍数公式中出现的负号,则表示输出与输入电压相位相反。 1.1.2 输入 电阻 ri 输入电阻是衡量一个放大电路向信号源索取的电流的大小。输入电阻 愈大，则放大电路向信号源索取的电流愈小，同时，输入回路的电路在 信号源内阻 rs 上的电压降又愈小，因次，放大电路输入端得到的电压 ui 与信号源电压us 的数值愈接近。 输入电阻是从放大电路输入端看进去的电阻： ri= ii ui 1.1.3 输出电阻 ro 输出电阻是一个表征放大电路带负载能力的参数。对于电压输出， ro 愈小，带负载能力愈强,即负载变化时放大电路输出给负载的电压基 本不变，而对于电流输出，ro 愈大，则带负载能力愈强,即负载变化 时放大电路输出给负载的电流基本不变. 输出电阻是从放大电路输出端看进去的电阻，当输入端信号电压us 等于零 ,输出端开路 ,即载电阻 rl为无穷大时，输出电压uo 与相应的 输出电流 io 之比，既： ro=uo/io (us=0;rl =) 1.1.4 最大输出幅度 uom 指当输入信号增大 ,使输出波形不失真时的最大输出幅度，用 uom表示，一般指输出正选交流信号的最大值。 1.1.5 最大输出功率与效率 放大电路的最大输出功率，表示在输出波形基本上不失真的情况下能 够向负载提供的最大输出功率，用pom表示。 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 8 前面已提大放大电路是利用三极管的控制作用将放大电路中智力电源 的能量转换为交流。 输出能量，既然放大的过程实质上是一个能量转换的过程,因此 肯定存在转换效率。 即： =pom/pv 式中 pv 指支流电源提供的功率。 1.1.6 失真系数 由于放大管输入。输出特性的非线形,即使工作在放大区内，输出 波形仍然难免出现或多或少的失真,这种失真叫非线形失真。集体表现 为，当输入一定频率的正选波信号时,放大电路的输出波形中，除了由 输入信号频率决定的基波成分外,还可以出现二次谐波，三次谐波甚至 更高次谐波成分。 定认失真系数为： thd= m n nm i i 1 2 2 式中 i1为输出电流的基波幅值，inm为二次谐波以上的各谐波分量 幅值。 1.1.7 通频带 通频带反映了放大电路对输入信号频率变化的适应能力。由于放大电 路中电抗元件的电抗值与频率有关，因此它的电压放大倍数的值和相位 都随频率发生变化 .通常在中间一段频率范围内，受电抗元件影响最小， 其放大倍数基本不变,而当频率过高或过低时，放大倍数都将下降。 我们把 放大 倍数 下降 到中 频放 大倍 数 aum的 0.707 倍的两个点所 限定的 频率 范围 称为 放大 电路 的通 频带，用符号fbw表示。 在图 2 的单管共射极放大电路中，=50,设三极管的输入 ，试用 图解法求放大电路的电压放大倍数au=? 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 9 图 2 单管共射极放大电路 本例虽然只要求放大电路的动态技术指标au,但分析的一般过程 仍应是先静态后动态。在确定静态工作点的基础上再求au. ibq=0.08ma rb vcc 240 20v icq=ibq=500.08ma4ma uceq = vccicqrc=20v4ma2.5k=10v 负载线方程为 : uce=vccicrc=202.5ic 假设基极电流ib在 q 点附近上下各变化40a,即从 ib2=40a 增 加到 ib1=120a,由图 2.2.5 中的输入特性曲线可知,当三极管的工作点 由 b 点移动到 a 点时 ,相应 ube的变化范围为从ube2=0.67v 增至 ube1=0.73v. 在图 2.2.6 所示的输出特性曲线上,当 ib由 40a 增加到 120a 时,三极管的工作点从b 点沿负载线移动到a 点,相应的集电极电压 uce则从 15v 减小到 5v,由此可求得放大电路的电压放大倍数为 au=u0/ui=(uce1uce2)/(ube1ube2)=(515) /(0.730.67)=-167 （1）交流信号在放大电路中的传输通路称为交流通路.画交流通路 的原则是 :在信号频率范围内 ,电路中耦合电容的容抗很小,可视为短 路;而直流电源的内阻一般很小,也可忽略 ,可视为短路 . 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 10 （2）交流通路可见 ,交流电 压 uce与交流电流 ic之间的关系 可 由下式表示 : ic=-uce/rl 其中 rl=rc/rl 上式表示的是交流量之间的关系,它也是一条直线 ,而此直线的斜 率是 1/rl,而不是 1/rc 了,我们把斜率为 1/rl 的这条直线 称为交流负载线 .它表示动态时工作点移动的轨迹.一般来说 ,由于 rl 小于 rc,由此交流负载线比支流负载线更陡. 但是仅仅知道交流负载线的斜率还不能完全决定这条直线的位置.为 此还必须确定该直线上的一个点.如图 2.10 所示 .经过分析可以知道 ,静 态工作点 q 一定也在交流负载线上.因为当放大电路加上正选输入电压 ui时,工作点将在交流负载线上移动,但是当输入电压ui的交流瞬时 值等于零时 ,相当于放大电路处于静态时的情况.所以 ,此时放大电路 的工作点既在交流负载线上,又在静态工作点q 上,可见交流负载 线必须通过 q 点. 1.2 多级放大电路多级放大电路 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 11 1.3 负反馈功能和用途简介 负反馈在电子电路中有着非常广泛的应用，虽然它使放大器的放大倍 数降低，但能在多方面改善放大器的动态指标，如稳定放大倍数，改变 输入。输出电阻，减小非线形失真和展宽通频带等。应此，几乎所用的 实用放大器都带有负反馈。 负反馈放大器有4 种组态，既电压串联.电压并联 .电流串联 .电 流并联。 此设计以电压串联 负反馈为例，分析负反馈对放大器各项性 能指标的影响。 1.3.1 电压串联负反馈放大器的主要性能指标 图 3-1 为带有负反馈的两极阻容耦合放大电路。在电路中通过 rf把输出电压 u0（c3的正极电压）引回到输入端，加在晶体管v1 的发射极上，在发射极电阻rf1上形成反馈电压uf。根据反馈的判断 法可知，它属于电压负反馈。 该负反馈放大器的主要性能指标如下： （1）闭环电压放大倍数： avf=av/（1+avfv ） 式中： av=u0/ui为基本放大器（无反馈）的电压放大倍数，既开环电压 放大倍数。 1+avfv为反馈深度，它的大小决定了负反馈对放大器性能改 善的程度。 （2）反馈系数 fv = )( 1 1 f f rrr r （3）输入电阻 rif=（1+avfv）ri 式中， ri为基本放大器的输入电阻。 （4）输出电阻 rof=r0/av0fv 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 12 式中： r0为基本放大器的输出电阻； av0为基本放大器在rl= 时的电压放大倍数。 1.3.2 测量基本放大器的动态参数 本设计还需要测量基本放大器的动态参数。然而。如何实现无反馈而 得到基本放大器呢？不能简单地断开反馈支路，而是要去掉反馈作用， 但又要把反馈网络的影响（负载效应）考虑到基本放大器中去。为此： 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 13 （1） 在画基本放大器的输入回路时，因为是电压负反馈，所以 可以将负反馈放大器的输出端交流短路，即令u0=0v，此时 rf相当 于并联在 rf1上。 （2）在画 基本放大器的输出回路时，由于输入端是串联负反馈， 因此需将反馈放大器的输入端（v1管的射极）开路，此时 （rf+rf1）相当于并接在输出端。由此可近似认为rf并接在输出端。 1.4 放大电路的信号仿真波形示意图： 心电原始信号的波形仿真示意图如图 1.4-1 所示： 图 1.4-1 信号前级放大后的波形仿真示意图 如图 1.4-2 所示： 图 1.4-2 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 14 信号后级放大后的波形仿真示意图 如图 1.4-3 所示： 图 1.4-3 第二章 滤波电路 2.1 滤波电路概述 所谓滤波，就是保留信号中所需频段的成分，抑制其他频段信号的过 程。 根据输出信号中所保留的频率段的不同，可将滤波分为低通滤波、 高通滤波 、带通滤波 、带阻滤波等四类。被保留的频率带称为“通带 ” ，被抑制的频率带称为“阻带 ”。 滤波电路的理想特性是： （1） 通带范围内信号无衰减地通过，阻带范围内无信号输出； （2） 通带与阻带之间的过渡带为零。 以下是低通滤波、高通滤波、带通滤波、 带阻滤波四种电路的幅 频特性图： 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 15 低通滤波 高通滤波 带通滤波 带阻滤波 我们根据电路组成的不同，将滤波电路分为了无源滤波电路和有源滤波电 路。 2.2 无源滤波电路 下图所示的 r, c 网络为无源滤波电路 . 图(a) 图(b) 图(a)电路中 ,电容 c 上的电压为输出电压,对输入信号中的高频信 号,电容的容抗 xc 很小 ,则输出电压中的高频信号幅值很小,受到抑制 ,为 低通滤波电路 。在图 (b)中,电阻上的电压为输出电压,由于高频时 容抗 很小 ,则高频信号能顺利通过,而低频信号被抑制 ,为高通滤波电路 ， 它们的幅频特性如图(a1),(b1)所示。 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 16 图（ a1） 图（ b1） 无源滤波电路结构简单，但有以下缺点： （1） 由于 r 及 c 上有信号压降，使输出信号幅值下降； （2）带负载能力差，当rl 变化时，输出信号的幅值随之改变， 滤波特性也随之变化。 （3） 过渡带较宽，幅频特性不理想。 2.3 有源滤波电路 为了克服无源滤波电路的缺点，可将rc 无源滤波电路接到集成 运放的同向输入端。因为集成运放为有源元件，故称这种电路为有源滤 波电路。根据其不同的用途和功能，我们将有源滤波电路分为：有源低 通滤波电路，有源高通滤波电路等。 2.3.1 有源低通滤波电路 图 2.1 为一阶有源低通滤波电路。 r 和 c 为无源低通滤波器，原算放大器接成同相比例放大组态，对 输入信号中各频率分量均有如下的关系： u0= audub=ub=ui1 () 1r rf 1 () 1r rf jwc r jwc 1 1 由上式可以看出，输入信号频率越高，相应的输出电压越小，而低 频信号则可得到有效的放大，故称为低通滤波器。 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 17 令： 0= rc 1 则： = ui u0 1 () 1r rf )0/(1 1 wwj 当= 0时， au=0.707(1+rf/r1)此电路的最大增益 aum。 我们将 h称为上限截止频率，也可用 fh，fh=1/2rc。此时 au=0.707aum。对于高于截止频率的高频信号， au #include #define uchar unsingned char 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 27 #define in0 xbyte0x7ff8 /*设置 ad0809 的通道 0 地址 */ sbit ad_busy=p33; /*即 eoc 状态 */ void ad0809(uchar idata * x) /采样结果放指针中的a/d 采集函数 */ uchar i; uchar xdata * ad_adr; ad_adr= for(i=0;i8;i+) /*处理 8 通道 */ *ad_adr=0; /启动转换 */ i=i; /延时等待 eoc 变低 */ i=i; while(ad_busy=0); /查询等待转换结束 */ xi= * ad_adr; /存转换结果 */ ad_adr+; /下一通道 */ void main (void) static uchar idata ad10; ad0809(ad); /*采样 ad0809 通道的值 */ 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 28 第六章 总体设计电路 6.1 总体流程框图 总体流程框图 6.2 设计电路原理图 6.2.1 原理图的设计步骤 我们运用 protel99 来设计电路图。它的设计步骤如下： （1） 创建一个文 本，并设定它的存储路径。 6.2.1-1 存储路径 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 29 进入后，创建一个新的文件，在进行图纸大小的设定，使得有一个 适合自己设计的图纸，如我们选用纸张大小为a4，这就比较适合 我 们的设计。 如图所示： 6.2.1-2 设定图纸 在设定好图纸的大小后,我们就可以开始进行电路原理图的设计! 在我们进行电路原理图时,我们应当熟悉元器件的位置。 所以我们应该认真阅读有关protel99 的相关书籍 ! （2）添加和创建器件 下面我们就进行原理图的编辑,但有些器件在现存的文件中没有 要进行添加 ,或者进行自己创建 .如图 6.2.1-3 所示 ： 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 30 图 6.2.1-3 元器件库的 填加方法 在进入元器件创建程序后,可以根据运用的不同需要,运用者进行 自己编辑 ,具体要求可以查看有关书籍. 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 31 按照原理图的设计，我们设计的原理图如图 6.2.1-5 所示 ： 图 6.2.1-5 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 32 在设计完原理图后，我们先进行电气检测，如果没有问题的话，我 们就将每个元器件的封装值给输入进去。输入完以后就可以进行建 立网络 表。 建立的网络表如 图 6.2.1-6： 图 6.2.1-6 通过网络表可以知道元器件之间的连线关系。是我们检查电路的另一 种方式。 生成网络表后就可以开始建立pcb 版。 6.3 总电路印刷板图总电路印刷板图 经过对电路的设计和修改，得到了我们这次设计的原理图。为了更为 直观详细的了解pcb 板的元器件，同时也让设计效果更加突出、明显！ 因此，我们通过机房的现有条件对其原理图进行版图转化得到电路板 的电路印刷板图。 印刷板图 如图 6.3-1 和图 6.3-2 所示： 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 33 图 6.3-1 图 6.3-2 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 34 第七章 总 结 弱信号检测与转换电路设计的成功，它将模拟电子技术、数字电子 技术、单片机接口板等有效的结合起来。其设计的成功使得我们能 够将很 微弱且较低频率的信号检测到，并经过放大、滤波将模拟信号得 到有效 的放大，使其频率集中在一个较小的范围内。滤去了其他频带的 干扰信 号，使得能够检测到的信号集中起来，便于检测。 根据不同的要求，我们可以将电路进行相应的修改使其在滤波和放大 环节上得到有效的提高，以达到相应的性能指标。这些都取决于所要检 测信号强弱的不同要求，并取决于当时社会技术发