弱信号检测与转化技术.docx
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弱信号检测与转化技术
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目录
摘要：
1
Abstract：
2
引言：
3
任务与要求：
5
第一章放大电路6
1.1基本放大电路的工作原理6
1.3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：
13
第二章滤波电路14
2.1滤波电路概述14
2.2无源滤波电路15
2.3有源滤波电路16
2.4两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：
19
第三章转换电路20
3.1ADC0809的原理和功能介绍20
第四章单片机简介及运用22
4.18051单片机简介22
第五章转换与储存24
5.1ADC0809与8051的接口电路24
5.2ADC0809与8051的接口程序25
第六章总体设计电路26
6.1总体流程框图26
6.2设计电路原理图26
6.3总电路印刷板图30
第七章总结32
第八章谢辞33
第九章参考文献34
弱信号检测与转换电路的设计
——基于心电信号的设计
摘要：
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
Abstract：
Theweaksignalexaminationelectriccircuitisanexaminationthatcancompletetotheweaksignalthatakindofsparepartwithoriginalusageelectronicsconstitutes.Suchas:
Totheexaminationofhearttelecommunicationnumber.Itfromfilteranelectriccircuitandenlargeelectriccircuit,theA/Dconversionelectriccircuitandcalculatorsavingetc.parttoconstitute.
Passtoenlargeelectriccircuituscanwillinputoftheweaktelecommunicationnumberenlarge,canmakethelaterelectriccircuitcarryonaprocessingtoenlargetothesignal.Itpassestofilteranelectriccircuit,enlargingtheelectriccircuitcancomeoutveryweaktelecommunicationnumbercleareranalysis,andpasstoshowthemorecompleteandaccuratemanifestationofthemanifestationequipmentsoftheemulationsignalofamachineetc.tocomeout,andcanpasstheA/Dconversionelectriccircuit,deposittheemulationsignalintothecalculatorinthemiddle,islatersignalofprocessingwithagainappliedprovidenecessaryofpriorcondition.So,thesuccessof[with]designoftheweaksignalexaminationandconversionelectriccircuithasextremelyimportantfunctiontoexaminationandexploitationofhearttelecommunicationnumber,endhaveverygreatpushtothedevelopmentsofmedicalsciencesfunction.
Keyword:
TheweaksignalWeaksignalexaminationfiltersAnelectriccircuittoenlargeTheelectriccircuitA/Dconversionelectriccircuit
引言：
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，Ⅱ～Ⅴ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！
任务与要求：
1、信号来源于心电信号。
幅值为10
V~4mV，典型值为1mV，频率为0.05Hz~250Hz，频谱能量主要集中在0.25Hz~35Hz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（0~3.3V）。
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。
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：
=
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：
=
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。
可写为：
=20㏒∣
∣
=20㏒∣
∣
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=
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。
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：
η=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=
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，β=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=?
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＝
ICQ=βIBQ=50×0.08mA＝4mA
UCEQ=VCC－ICQRC=20V－4mA×2.5KΩ=10V
负载线方程为:
UCE=VCC－icRC=20－2.5ic
假设基极电流iB在Q点附近上下各变化40μA,即从iB2=40μA增加到iB1=120μA,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40μA增加到120μA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=Δu0/Δui=（UCE1－UCE2）/（UBE1－UBE2）=（5－15）/（0.73－0.67）=-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.
（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/RˊL
其中RˊL=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/RˊL,而不是－1/Rc了,我们把斜率为－1/RˊL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RˊL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
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=
（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
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：
（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
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：
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。
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=
ui
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。
令：
0=
则：
=
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=1/2∏RC。
此时︱Au︱=0.707︱Aum︱。
对于高于截止频率的高频信号，︱Au︱<0.707︱Aum︱。
由于集成运放引入的是电压串联负反馈，其输入电阻很大，它作为RC无源滤波电路的负载，对RC电路的影响可忽略不计，它的输入电阻很小，故负载能力强，其放大作用又使通带放大的倍数增加。
但通带与阻带之间仍无明显界限，幅频特性、滤波性能较差，一般只用于滤波要求不高的场合。
为了得到更好的滤波效果，可在一阶有源低通滤波电路前加一级RC滤波，组成二阶有源低通滤波电路，如图（b）所示，其幅频特性如图（b1）所示。
由图可以看出。
二阶低通滤波器的幅频特性比一
阶的好。
图b有源低通滤波电路图
图b1幅频特性图
2.3.2有源高通滤波电路
将图中的R和C的位置对换，就成为有源高通滤波电路，如图所示。
在图中，滤波电容接在集成运放输入端，它将阻隔、衰减低频信号，而让高频信号树立通过。
同低通滤波电路分析类似，我们可以得出有源高通滤波电路的下限截止频率为fH=1/2πRC，对于低于截止频率的低频信号，︱Au︱<0.707︱Aum︱。
一阶有源高通滤波电路带负载的能力强，并能补偿RC网络上压降对通带增益的损失，但存在过渡带较宽，滤波性能较差的缺点。
采用二阶高通滤波，可明显改变滤波性能。
将图中的R和C的位置对换，就成为二阶有源高通滤波电路。
滤波电路广泛应用于广播、通讯、测量和控制系统中，常用来选
二阶有源高通滤波电路图
取有用频率的信号，滤除无用频率的信号。
2.4两种滤波电路的优差和选用
由于无源滤波电路有以下等缺点：
（1）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。
所以我们在选用滤波电路时通常都用有源滤波电路来代替无源滤波电路。
总的来说，根据不同的电路选择的不同滤波，这样才能更好更充分的利用我们所学的知识来实践证明不同电路的特性争取在实验的过程中找出优缺点，不断学习不断改进，达到理想中的效果。
这样我们就能使电路的滤波效果达到更好。
2.5滤波过后的仿真波形示意图：
信号经过放大后的波形仿真示意图：
图2.5-1
信号滤波后的波形仿真示意图：
图2.5-2
第三章转换电路
3.1ADC0809的原理和功能介绍
ADC0809的结构和引脚
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器，带8个模拟量输入通道，芯片内带通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器，启动信号为脉冲启动方式，每一通道的转换大约100us。
图3-1是ADC0809的结构图。
ADC0809有两大部分组成：
一部分为输入通道，包括8为模拟开关.3条地址线的锁存器和译码器，可以实现8路模拟输入通道的选择；另一部分为一个逐次逼近型A/D转换器。
图3-1ADC0809的结构图
图3-2是ADC0809的引脚和通道地址码。
其中，
●IN0～IN7：
8个模拟通道输入端。
●START：
启动转换信号。
●EOC：
转换结束信号。
●OE：
输出允许信号。
信号由CPU读信号和片选信号组合产生。
●CLOCK：
外部时钟脉冲输入端，典型值为640KHz。
●ALE：
地址锁存允许信号。
●A，B，C：
通道地址线。
CBA的8种组合状态000～111对应了8个通道选择。
●VREF（+），VREF（-）：
参考电压输入端。
●VCC：
+5V电源。
●GN
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