低通滤波器的设计

低通滤波器的设计

模拟滤波器在各种预处理电路中几乎是必不可少的，已成为生物医学仪器中的基本单元电路。有源滤波器实质上是有源选频电路，它的功能是允许指定频段的信号通过，而将其余频段上的信号加以抑制或使其急剧衰减。各种生物信号的低噪声放大，都是首先严格限定在所包含的频谱范围之内。

最常用的全极点滤波器有巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。就靠近ω=0处的幅频特性而言，巴特沃斯滤波器比切比雪夫滤波器平直，即在频率的低端巴特沃斯滤波器幅频特性更接近理想情况。但在接近截止频率和在阻带内，巴特沃斯滤波器则较切比雪夫滤波器差得多。本设计中要保证低频信号不被衰减，而对高频要求不高，因此选择了巴特沃斯滤波器。巴特沃思滤波电路(又叫最平幅度滤波电路)是最简单也是最常用的滤波电路，这种滤波电路对幅频响应的要求是：在小于截止频率ωc。的范围内，具有最平幅度响应，而在ω>ωc。后，幅频响应迅速下降。

因为本设计中要保证低频信号不被衰减，而对高频要求不高，所以选择

二阶滤波器即可。本系统采用二阶Butterworth低通滤波器，截止频率f H=100HZ，其电路原理图如1：

图1 低通滤波器图

根据matlab软件算得该设计适合二阶低通滤波器，FSF=628选Z=10000，则

Z R R FSF

Z ⨯=⨯=的归一值的归一值

C C

3.2脉象信号的的前置放大

由于人体信号的频率和幅度都比较低，很容易受到空间电磁波以及人体其它生理信号的干扰，因此在对其进行变换、分析、存储、记录之前，应该进行一些预处理，以保证测量结果的准确性。因此需要对信号进行放大，“放大”在信号预处理中是第一位的。根据所测参数和所用传感器的不同，放大电路也不同。用于测量生物电位的放大器称为生物电放大器，生物电放大器比一般放大器有更严格的要求。

在本研究中放在传感器后面的电路就是前置放大电路，由于从传感器取得的信号很微弱，且混杂了一些其他的干扰信号。因此前置放大电路的主要功能是，滤除一些共模干扰信号，同时进行一定的放大。该电路由4部分构成：并联型双运放仪器放大器，阻容耦合电路，由集成仪用放大器构成的后继放大器和共模信号取样电路。并联型双运放仪器放大器的优点是不需要精密的匹配电阻，理论上它的共模抑制比为无穷大，且与其外围电阻的匹配程度无关。集成仪用放大器将由并联型双运放仪器放大器输出的双端差动信号转变为单端输出信号，并采用阻容耦合电路隔离直流信号，可以使集成仪用放大器取得较高的差模增益，从而得到很高的共模抑制比。共模取样驱动电路由两个等值电阻和一只由运放构成的跟随器构成，能够使共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。此电路中也采用了右腿驱动电路来抑制位移电流的影响。前置放大电路参数选择：此部分总的增益取为1000，其中并联型双运放仪器放大器的增益为5,集成仪用放大器的增益为200。具体设计电路如图2所示

图2 差分放大电路图

具体参数如下：

1．并联型双运放仪器放大器的增益5，由于A=（R3+R4+R w）/R w,所以

R3= R4=10kΩ, R w=5kΩ

2.共模驱动电路和并联型双运放仪器放大器采用LM324即可。

3.集成仪用放大器构成的后继放大器的选择：

对集成仪用放大器的要求是：首先噪声要小，精度要高，还要有较大的共模抑制比和较高的输入阻抗。有MAX4194和AD620 两种方案可供选择，现将两种芯片比较如下：

前置放大电路选择仪用放大器AD620其特点是：

（1）单电阻设置增益范围（1~1000）；

（2）宽工作电压：±2.3V~±18V；

（3）低功耗：I最大可达1.3mA；

（4）输入失调电压小，为50μV；

（5）输入失调漂移最大为0.6μV/℃；

（6）共模抑制比>100dB；当G=100时可达130dB；

（7）偏置电流为0.5nA；

（8）低噪声：峰峰值<0.28μV（0.1Hz~10Hz）；

（9）带宽120kHz（G=100时）基本满足前置放大电路要求。其管脚图如图（a）：

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图（a) AD620引脚