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第13章 智能仪器设计实例 本章内容 13.1 数据采集系统设计 13.2 简易单回路温度控制器 首页 13.1 数据采集系统设计 数据采集系统的核心是计算机，它对整个系统进行控制和数据处理。 13.1.1 数据采集系统的组成与结构 数据采集系统的一般组成框图如图。前置放大器，滤波电路，主放大器及相关电路通常合称为信号调理电路。 被测信号一般先送入前置放大器初步放大到后续电路的工作范围内。 下 页 上 页 返 回 图13.1 数据采集系统的一般组成框图 对于比较大的被测信号，可通过衰减手段将其调整到相应的工作范围内。随后送入到滤波电路。 主放大器可将滤波后的信号进一步放大到合适范围，送到A/D转换器将信号变换为数字量。 13.1.2 数据采集系统设计考虑的因素 对于放大电路，如果是简单信号，采用一级放大或衰减电路将信号调整到适合后续电路工作的电压范围即可。而实际情况会复杂一些，往往要考虑抗干扰等因素，将其设计成多级放大电路，同时在各级放大电路之间加入必要的滤波电路。 如果是比较微弱的信号，还要求运算放大器具有低噪声、低漂移、低输入偏置电流、非线性度小等特点，避免在放大过程中引入干扰。 下 页 上 页 返 回 A/D转换器将原始的模拟信号转换成为计算机能够处理的数字信号。首先需要选择A/D转换器的位数，其次是转换速率。如果使用多次采样取平均值的数据处理算法，则采集系统应有较快采样速度。 采样/保持电路主要是配合A/D转换器工作。 经放大电路放大的原始信号含有各种噪声、干扰、耦合信号等等，需要采用信号调理电路进行必要的处理，信号调理电路经常采用各类滤波器对这些影响因素进行滤除，如低通滤波、高通滤波、带通滤波等。 下 页 上 页 返 回 13.1.3 心电数据采集系统设计 心电数据采集系统是心电图检测仪的关键部件。人体心电信号的主要频率范围为0.05～100Hz，幅度约为0～4mV。属于低频，微弱信号，且干扰较大。另外心电信号中通常混杂有各种生物电信号，加之体外以50Hz工频干扰为主的电磁场干扰，使得心电噪声背景较强，测量条件比较复杂。要求心电数据采集系统具有高精度，高稳定性，高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声及强干扰能力等性能。 数据采集系统的硬件设计的系统框图如下图。 下 页 上 页 返 回 图13.2 心电数据采集系统硬件设计框图 图中信号调理部分专指50Hz及35Hz陷波电路，滤除50Hz的工频干扰和人体生物电产生的35Hz肌电干扰。 心电信号由专用电极（电极放在人体各个部位，比如：心脏、左右手，头部等部位）拾取后送入前置放大器初步放大，并在对各干扰信号进行一定抑制后送入带通滤波器，以滤除心电主要频率范围以外的干扰信号。 而主放大器可将带通滤波后的信号进一步放大到合适范围，再经50Hz和35Hz陷波器分别滤除工频和肌电干扰，然后送入ADC，进行高精度A/D转换和最后送入单片机进行数据的采集存储处理。 下 页 上 页 返 回 1.信号放大电路 采用了两级放大电路，包括前置放大和主放大电路。在两级放大电路之间又接入了一个带通滤波电路以使心电信号主频0.05Hz～100Hz通过后再进一步放大。前置放大约10倍，主放大约100倍。 ⑴ 前置放大电路 主要是初步放大心电信号，并在对各干扰信号进行抑制后送入带通滤波电路，以滤除干扰信号 。 由于人体心电信号十分微弱，噪声背景强且信号源阻抗较大等，通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能，设计时选用仪用放大器AD620作为前置放大器，采用差分放大电路。 下 页 上 页 返 回 ⑵ 带通滤波电路： 带通滤波由双运放集成电路OP2177构成。OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片内集成了两个运放。由于心电信号频带主要集中在0.05～100Hz左右，频带较宽，为此，采用OP2177的两个运放分别设计二阶压控有源高通和低通滤波器并组合成带通滤波器。 2.信号调理电路 由于心电信号的极其微弱。信号调理采用50Hz及35Hz陷波电路，滤除50Hz和35Hz的干扰。 工频干扰是心电信号的主要干扰，且有部分工频干扰会以差模信号方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等 下 页 上 页 返 回 因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰。采用开关电容集成滤波器，它无需外接决定频率的电阻或电容，滤波频率仅由外接或片内时钟频率决定，且其频率特性对时钟和外围电路的参数不敏感，因而性能较稳定。 凌特公司的LTC1068-50集