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1、第一章 增益可调的高阻抗微电极放大器总体设计1.1 设计要求随着生命科学技术的发展，人们对脑细胞、心肌细胞等各类细胞组织的研究日益广泛，这就需要能插入生物细胞内的微电极技术以及高质量的高阻抗微电极放大器。生物细胞的电信号具有微弱、低频、内阻高、易受干扰等特点，因此实现对此信号的高质量采集和处理需要对放大器的设计有较苛刻的要求。本课题设计的微电极放大器可以达到较高的增益，且增益可调，以适应不同幅度的细胞电信号；并且在一定频率范围内对细胞电信号进行不失真地检测；有较高的输入阻抗以保证增益的稳定性。具体性能指标为：1）输入阻抗：1013；2）增益：101000倍可调；3）输入电压：0100mV4）频
2、率响应：010kHz5）共模抑制比：80dB1.2 硬件设计模块增益可调的高阻抗微电极放大器设计系统主要包括：89C51单片机、阻抗转换模块、低通滤波模块、陷波器模块、显示模块、键盘输入模块组成本系统的设计要求。系统硬件如图1.0所示 图1.0 系统硬件框图1.2 软件设计模块硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成。软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检
3、验错误排除故障的重要手段。由于编程多涉及到数值运算，比较复杂，需要多重选择判断，用我们平时常用的汇编语言编程是很难实现的，这里我们选用了移值性好、结构清晰、能进行复杂运算的C语言来实现编程基于89C51 单片机控制放大器增益的设计系统程序主要分为一下几个模块：单片机控制74HC4051位选选择放大倍数从10到1000倍可调、数码管显示放大倍数模块、独立键盘输入模块，主程序模块如图1.1所示。图1.1 主程序模块第二章 理论分析与计算2.1运算放大器的基本工作原理与增益量程的扩展图1.2 是一个由集成运算放大器组成的反相比例运算放大器电路，输入信号Vin经电阻R1 接到其反相输入端，同相输入端经
4、电阻 R2 接地，反馈电阻 接在其输出端与反相输入端，形成一个深度的电压并联负反馈电路。根据其工作在线性放大状态时具有“虚地”和“虚断”的特点，其增益为 （公式1.0）图1.2 反相比例运算放大器电路式中“-” 表示相位，决定于反馈电阻与R1 之比，而与其内部各项参数无关。由此可作出如下推断：假设(1.0) 式中 R1为定值，则放大器增益就直接由反馈电阻决定，改变就能改变放大器的增益。但在实际运用中常被设计为定值，所以，放大器增益也是固的，限制了放大器的使用范围。如果设计中能将 分为不同阻值，并按照一定规律排列，用开关分别接入放大器电路，构成多个增益量程的运算放大器，就可随时根据具体情况，通过
5、开关选择适当的增益，满足信号对放大器增益的要求。如图1.3所示，阻值不同，各量程的增益也不同，显然，分别闭合、开关，反馈电阻、.、就分别接入了放大器电路，各量程的增益分别为： （公式1.1） （公式1.2） （公式1.3） 电路中起量程转换作用的是开关，如果用电子模拟开关代替、 、 ，用单片机分别控制的接通与断开，用软件控制放大器增益，就是用单片机控制放大器增益的基本设计思路和方法。 图1.3 多量程反相比例运算电路2.2 工频信号陷波器设计理论分析陷波器的实现方法有很多，本次设计采用的是电路比较简单，易于实现的双T型陷波器。双T型带阻滤波器的主体包括三部分内容：选频部分、放大器部分、反馈部分
6、。此陷波器具有良好的选频特性和比较高的Q值。图3.1.2双T型陷波器电路图中，用作放大器，其输出端作为整个电路的输出。接成电压跟随器的形式。因为双T网络只有在离中心频率较远时才能达到较好的衰减特性，因此滤波器的Q值不高。加入电压跟随器是为了提高Q值，此电路中，Q值可以提高到50以上，调节、两个电阻的阻值，来控制陷波器的滤波特性，包括带阻滤波的频带宽度和Q值的高低。在图2中，, ， ，令， 对节点A列KCL方程，得： （1）同样，对节点B列KCL方程，得： （2）同样，对节点C列KCL方程，得： （3）由式（1）、（2）、（3）可得到电路的传递函数为： （4）令，得： （5）由带阻滤波器的标准形
7、式： （6）可得： ,其中当时，当远大于，或者远小于时，增益接近1。令，可以求得： （7） （8） （9） （10）因此，当 时，Q值极高，BW接近于零，所以我们可以改变K的值来调节带宽，Q值越大，带阻曲线越窄，限波效果约好，但是实际应用中Q值不能无限大，如果Q值过大，会引起电路的振荡，不稳定。 双T陷波器的幅频特性如图3.1.3所示图3.1.3 双T陷波器的幅频特性其中心频率的计算公式为： （11）因此T型结构中的电容和电阻用来确定中心频率的值，可以通过改变这些电容和电阻来选择需要滤除的频率值。第三章 增益可调的高阻抗微电极放大器硬件设计3.1单片机最小系统单片机采用的89C51含有MCS-
8、51内核，片内有1个串行口、5个中断源、128字节RAM、4KB Flash、最高工作频率可达12MHz，满足本系统的设计需要。单片机基本系统主要由单片机、晶振电路、复位电路组成。单片机最小系统电路图如图1.4所示。图1.4 单片机最小系统3.2 阻抗转换模块U23333AD620提供优于“自制”三运放仪表放大器设计的性能，同时具有较小的尺寸、较少的元件和低10倍的工作电流。在图1.5所示的典型应用中，要求增益为100，在-40C至+85C的工业温度范围内放大20mV满量程桥式电路输出。U13333U33333 图1.5 阻抗转换模运放A1、A2、A3构成三运放测量放大器通过计算对输入的电压信
9、号进行10倍的放大：U3=(1+R5/R4)*R6/(R3+R6)*U2-R5/R4*U1=U2-U1=(R1+R2+R3)/R2*Vin10Vin无论用于何种系统，AD620都能以更低功耗和更低成本提供更高的精度且输入阻抗达到了10G。在简单的系统中，绝对精度和漂移误差显然是最重要的误差来源。在含有智能处理器的较复杂系统中，白动增益自动归零周期将消除所有的绝对精度和漂移误差，仅留下增益、非线性度和噪声的分辨率误差，因此可以获得完全14位精度。但是考虑到该设计不需要那么高的精度和成本问题，因此，本人设计一个三个OP07运放放大器等效AD620差模输入，输入电压失调和噪声的OPO7技术规， 这是
10、因为三运放型分立仪表放大器有两个运放在其输入端，二者均对总输入误差有影响。3.2 滤波模块滤波电路是一种能使有用频率通过，同时抑制无用成分的电路。滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，有一定的放大能力和带负载能力。由于受到集成运算放大器特性的限制，有源滤波器主要用于低频场合。有源滤波器有低通、高通、带通和阻带等电路。低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能够通过的电路，高频滤波电路则与低频滤波电路相反，带通滤波电路是指某一段的信号能通过而该频段之外的信号不能通过的电路，带阻滤波器和带通滤波器相反，即在规定的频带内，信号不能通过（或
11、受到很大衰减或抑制），而在其余频率范围，信号则能顺利通过。低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。图1.6 低通滤波器如图1.6所示，为二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。本文采用microchip公司的FilterLab 2.0软件，FilterLab2.0是一款专门为单片机应用而开发的,有源滤波器设计软件。可以设计低通、带通、高通滤波器。为了简化设计,该软件使用了两种最简单的电路模式,既SallenKey和MFB。可以根据实际需要输入待设计电路的主要参数如图1.7所示的设置,软件会自动生成原理
12、图和元件参数,并对电路做幅频、相频分析。当把低通滤波器的参数设置好后，就会生成对应的电路、对应电容、电阻的参数，本设计选择截止频率为1000HZ的信号，将高于1000HZ电压信号滤除。选择二阶低通滤波器如图1.8。图1.7 低通滤波器参数设计图1.8 二阶低通滤波器电路图1.9 电路仿真图经过这个软件仿真图1.9所示，参数一一对应给出R21=7.87K、R22=13.7K、C21=0.033uf、C22=0.01uf。其截止频率为： （公式1.4）3.3 陷波器模块陷波器也称带阻滤波器（窄带阻滤波器），它能在保证其他频率的信号不损失的情况下，有效的抑制输入信号中某一频率信息。所以当电路中需要滤
13、除存在的某一特定频率的干扰信号时，就经常用到陷波器。在我国采用的是50hz频率的交流电，所以在平时需要对信号进行采集处理和分析时，常会存在50hz的工频干扰，对我们的信号处理造成很大干扰，因此50Hz陷波器在日常成产生活中被广泛应用，其技术已基本成熟。工频陷波器不仅在通信领域里被大量应用，还在自动控制、雷达、声纳、人造卫星、仪器仪表测量及计算机技术等领域有着广泛的应用。50Hz工频信号对信号采集有很大影响，必须除去。本设计采用双T有源滤波器来滤除50Hz的工频信号，电路图如图1.10所示。电路的中心频率： （公式1.5）图1.10 双T陷波器对于f f0 的高频信号，两个串联的电容C阻抗很低，
14、信号可经过电容直接传输到运放的同相输入端即Ui=U+；对于f f0 的低频信号，电容2C的阻抗非常高，信号可经两个串联的电阻R直接传输到运放的同相端即Ui=U+；只有当f=f0的信号输入时，分别经过两个通道传输：从高通滤波通道（两个电容C和一个电阻R/2构成）输出的电压比输入电压超前一个略小于/2的相位；从低通滤波通道（两个电阻R和一个电容2C构成）输出电压比输入电压落后一个略小于/2的相位。两路传输到同相输入端的电压正好大小相等、相位相反，相互抵消，因此放大器输出电压近似为零。结合可用的电容电阻，决定R、C值。于是先选定C3值约为10/500.2 uF，于是C1=C2=0.1uF则可以求出R： 这里可选电阻为R31.8k（考虑电阻精度偏差可选取），但实际上由于元件精度与及元件非理想元件，这会使得陷波的中心频率不是落在50Hz，因此为减少实际的误差，Q不宜取太大。3.4 程控放大电路主体电路主电路主要由OP07集成运算放大器、74H
