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作者:佚名,ADI公司

本文以第一人称讲述ADI公司经理初次使用NI Multisim™器件评估软件——Analog Devices™版仿真工具设计简单运算放大器的过程。

简介

作为一名在模拟电路领域有着几十年经验的工程经理,我迄今为止还没有用过SPICE或其它仿真软件,说起来有些惭愧。最近,我在电脑上安装了Analog Devices版的Multisim,下面我要尝试能否设计出一个简单可行的运算放大器电路。我锁好办公室大门,打开Multisim,开始探索模拟仿真世界。

开始使用

当然,Multisim的“Help(帮助)”菜单下有各种指南;但是,和大多数工程师一样,我决定跳过这一步,直接进入程序。难度会有多大?

打开程序,先看一下菜单。不妨先从“Place(放置)”菜单项(见图1)入手。

图1. Multisim菜单工具栏

单击“Place(放置)”后,选择“Component(器件)”菜单(见图2),现在可以选择运算放大器了,我选中了OP282GP。

图2 选择运算放大器

选择器件

现在,选择屏幕上显示的其中一个字母(A或B)(见图3)。这些字母似乎是表示放大器的不同通道(虽然这是一个双通道运算放大器);我选择A。目前为止,一切顺利。接下来,会弹出另一个窗口,显示更多可选的同一器件。单击“Cancel(取消)”,因为现在选择一项已经足够了。屏幕最后显示图4的画面。

图3. 去除双运算放大器中的第二个运算放大器

图4. 准备接受更多连接的单运算放大器

接着,我注意到有很多方法可以放置器件。在网格的任意位置右击,就会显示一个窗口,可以轻松“Select a Component(选择一个器件)”,如图2所示。现在可以考虑保存了。我保存好文件,将电路命名为AMP Block1。

连接电源

看着屏幕上显示的器件,我决定连接电源。我没有看到能提供电源的菜单,不过后来我发现可以通过“Component(器件)”菜单完成。

右击菜单栏时,跳出一个下拉框,可以选择电源器件。我不大清楚怎么操作,就把光标移到可能的电源上。一个是“数字地”,另一个是“地”。我知道需要模拟地,于是就选择了“地”。然后放在图中。

接下来,选择VCC,再单击放大器的引脚8;它会自动连接。VEE应该也是这样操作。确实如此,但是放在了引脚4线路上方,看起来有些别扭(见图5)。把它拖到下方后,看着顺眼些(见图6)。电源上已经有了+和− 5 V。有了这些值后,器件就可以工作了,于是我暂时将其搁置。

图5. 第一次尝试连接VEE

图6. 拖放VEE,使得看着顺眼些

增加电阻

我所关注的是放大器,反相增益放大器就比较简单;下面我要增加一些电阻。同样,还是用之前选择放大器的“Place(放置)”菜单。但是,我发现屏幕的左侧有各种器件可供选择。我从“Family(系列)”中选择“RESISTOR(电阻)”(见图7),阻值选择“10 kΩ”,然后单击“OK(确认)”,放置电阻,连接至引脚2。菜单自动弹出,我在同一个节点上又放置了另一个10 kΩ的电阻。菜单又一次弹出。虽然这是一个JFET运算放大器,但是同相输入还需要一个电阻,我选择了一个5 kΩ的电阻,本来没有它我可以做得更好。稍后可以检查这么做是否增加了噪声,究竟是不是正确的决定。

图7. 选择电阻值

现在可以将5 kΩ电阻接地。单击该电阻,将其拖到接地符号上。连接成功。如果想要旋转电阻,可以选择“Control-R(控制电阻)”。10 kΩ反馈电阻位于放大器上方,于是我把它拖低一些。现在我发现它并未连接到输入端,无法连接了。看了一下菜单之后,我决定依次选择“Place(放置)”和“Junction(结点)”。试了几次后,我终于将三个器件连接到同一个节点(见图8)。

图8. 所有电阻均放置到位,但某些连接缺失

现在,我觉得离成功不远了。我准备增加另一个结点,这样就有了输出。

完成

做完这些以后,差不多快完成了。我不知道如何连接输入和输出,也不知道如何进行其它操作。于是我决定切换“Simulation(仿真)”开关。窗口底部出现了提示(见图9)。

图9. 电路中无错误

情况还算不错,没有出现错误。我觉得需要有输入,还需要有一些设置来测量输出。

浏览了一遍菜单后,我依次选择“Place > Component > Sources(放置 > 器件 > 源)”,然后选择“SIGNAL_VOLTAGE_SOURC ES”。接着选择“AC_VOLTAGW”,把它连接到10 kΩ输入电阻。

接下来,需要想办法查看输出。在选项“Simulate > Instruments(仿真> 仪器)”中,我找到了示波器。我选中示波器,然后将一个通道连接至AC_VOLTAGW的输出,将另一个通道连接至放大器的输出。将一个示波器通道接地。后来,我发现大多数情况下不需要这么做。现在可以试一下了(见图10)。

图10. 将输入源和示波器连接至输出

单击右上方的“Simulate(仿真)”按钮时,没有任何反应。于是,我双击示波器,竟然成功了(见图11)!

图11. 示波器显示

我迅速更改刻度,得到了图12所示的结果。

图12. 更改刻度后的示波器显示

第一次仿真完成。虽然只是一个简单的反相放大器,却是将来进行更多仿真的开始。我可以轻松设计出一个滤波器了。另外,我可能还会试着检查应用中的噪声是否足够低。至少,现在我可以打开办公室门了。

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围观 2
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使用和调试伺服系统的过程中,会时不时的出现各种意想不到的干扰,尤其是对于发脉冲的伺服电机的应用,下面从几个方面分析下干扰的类型和产生的途径,这样就会做到有针对性地抗干扰的目的,希望共同学习研究 。

1、来自空间的--辐射干扰

对辐射干扰最为有效的措施就是金属屏蔽。空间辐射电磁场主要是由电力网络、雷电、无线电广播和雷达等产生的,通常称为辐射干扰。

其影响主要通过两条路径:一是直接对伺服内部的辐射,由电路感应产生干扰; 二是对伺服通信网络的辐射,由通信线路感应产生干扰。此种干扰发生几率比较少,一般通过设置屏蔽电缆进行保护。

对传导干扰的有效措施就是采用电源滤波器、隔离电源、屏蔽电缆、以及合理和可靠的接地来解决问题。

2、传导干扰主要有三类

*来自电源的干扰

实践证明,因电源引入的干扰造成伺服控制系统故障的情况很多,一般通过加稳压器、隔离变压器等设备解决。

*来自信号线引入的干扰

此类干扰主要有两种信息途径:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽视; 二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这种干扰往往非常严重。

由信号引入的干扰会引起电路板元件工作异常,严重时将引起元器件损 伤。对于隔离性能差的系统,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数据变化、误动和死机。

控制系统因信号引入干扰造成内部元器件损坏, 由此引起系统故障的情况也很多。此种干扰经常发生于信号距离长的应用案例上,常采用加中继隔离的方法,来屏蔽掉感应电压,解决干扰问题。

* 来自接地系统混乱的干扰

众所周知接的是提高电子设 备抗干扰的有效手段之一,正确的接地既能抑制设备向外发出干扰; 但是错误的接地反而会引入严重的干扰信号,使系统无法正常工作。

一般说来,控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等,如果接地系统混乱,对伺 服系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在地电位差,引起地环路电流,影响系统正常工作。

例如电缆屏蔽层两端A、B都接地,就存在地电 位差,有电流流过屏蔽层。当发生异常状态如雷电击时,地线电流将更大。此外,屏蔽层、接地线和大地可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内会出现 感应电流,干扰信号回路。

若系统地与其它接地处理混乱,所产生地地环流就可能在地线上产生不等电位分布,影响伺服电路的正常工作。解决此类干扰的关键就在 于分清接地方式,为系统提供良好的接地性能。

3、来自系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生,如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。

实际现场的工况条件要复杂的多,只能是具体问题具体分析,但是最终都会有一个圆满的解法,只不过是过程经历不同罢了!

本文来源:伺服电机应用中常见干扰类型和产生途径

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作者:Bill Crone,ADI公司医疗保健系统工程师

根据ECG子系统的应用不同,某些临床情况下CMR(共模抑制)必须非常高。美国医疗器械促进协会(AAMI)规定了测试方法及必须满足的典型电极阻抗不平衡和失调要求。其他标准,如IEC、UL和各国的医疗指令等,也都对共模抑制提出了各种测试要求。

本文阐述人体阻抗不匹配、电极和电缆设计、保护电路、右腿驱动的使用,以及其他影响共模抑制的考虑因素,并提出了多种方法来增强ECG子系统的CMR性能。

 人体组织→电解质→电极模型

图1. 人体组织→电解质→电极模型

共模抑制、安全和RFI

为了优化ECG系统的共模抑制,设计时必须进行多重权衡考量。

首先是评估安全。大多数标准指出,10 µA rms(DC至1.00 kHz范围)是ECG系统“正常”工作的上限。对于“单一故障状况”,某些标准允许提高到50 µA rms,但低至35 µA rms的电流就可能损害心肌。10 uA rms是“单一故障状况”的推荐值(见参考文献1)。

交流电源漏电流必须不超过这一最大值。多种标准要求测量电极之间、电极连在一起时以及交流电源供电的电极相对大地的源电流和吸电流。

各种标准和不同国家的指令都会随时间调整变化,因此设计人员需遵循最新版本的要求,确保始终符合安全标准,包括允许的最大源电流和吸电流、与频率的关系、针对人体的要求以及用于确保合规的测试方法。

此外,必须保护ECG子系统不受除颤器脉冲(双相或单极性)影响,因此应在仪表放大器之间增加限流电路以保护电路。另外还需要ESD(静电放电)保护电路。

基本性能

除了安全要求以外,ECG子系统在电外科手术中和其他恶劣环境下(附近的射频干扰RFI可能很高),必须能够提供IEC 60601-1-1及其衍生标准所述的“基本性能”, 这包括飞机、雷达、火车和轮船等环境。

共模信号源

共模电压源通常为频率50 Hz或60 Hz、线路电压最高达264 VAC rms的交流电源。欧洲列车等非典型环境采用16.666 Hz的工作频率,也可能是一个共模输入源。人体和ECG子系统其他电路路径的共模模型在图2中,共模信号通过“人体躯干”耦合,从皮肤表面经过电解质、电极到达ECG电极线,经过除颤器保护电路、RFI输入滤波、仪表放大器、隔离地与大地之间的电容到达大地。图1给出了ECG电极及其与皮肤表面接口的阻抗模型。交流电源也可以通过ECG电缆耦合到ECG“前端”,输入保护电路则防止除颤器脉冲等外部瞬变影响电路,通过隔离电源直接耦合。仪表放大器输入端的潜在RFI整流也可能引起仪表放大器共模抑制问题。

ECG子系统功能框图

图2. ECG子系统功能框图

共模转差模

交流信号和ECG信号均通过ECG前置放大器子系统中的电极来测量,因此确保共模信号不被转换为“差模”信号非常重要。ECG电极阻抗不匹配、电缆电容和除颤器相关保护电路(通常采用电阻和SCR/氩电压限幅器的形式)的结合,增强了实现共模转差模的可能性。

组织/电极问题

对电极本身而言,在皮肤的组成结构中,最外层——“角质层”的阻抗最高,而且在低频时变化非常大,并且随频率而变化。阻抗与电极材料、尺寸、粘结剂、所用的电解质及皮肤本身的外层/状况有关。为了确保阻抗最低并提高阻抗在电极界面处的稳定性,在放置电极之前,某些备皮技术使用“砂纸”作为“备皮”。相比其他常用材料,某些组成的Ag/AgCl电极可提供最低的阻抗和失调。在整个频率范围内,电极之间的阻抗差可能高达50,000 Ω。降低这种不匹配有助于减小共模转差模的可能性 (见参考文献2)。

ECG电缆

为了保护电路不受除颤器影响,某些ECG电缆会嵌入2.5 kΩ至49.9 kΩ的保护电阻。如果该电阻不在电缆中,则它通常位于PCB上。因为与RFI滤波器接口,所以这些电阻的匹配非常重要。一种用来将电缆阻抗不匹配的影响降至最低的技术是以有源方式驱动电缆屏蔽体。

RFI滤波器

为防止RFI进入仪表放大器的输入级,通常使用X2Y RFI滤波器,其差模和共模阻抗必须匹配。相比于标准表贴电容,集成2XY RFI滤波器具有优异的特性,而且结构有利于实现出色的性能 (见参考文献6)。

用于消减输入共模信号的技术

RLD Winter、Wilson、Spinelli等人提出的右腿驱动(见参考文献4和5),是一种用来降低仪表放大器差分输入端出现的共模信号输入电平的技术。模信号的降低程度受限于能够提供给病人的RLD电流量。对于RLD,应考虑使用Spinelli所述的跨导放大器。

法拉第屏蔽

法拉第屏蔽常用于覆盖ECG前端,保护它不受环境RFI和交流电源耦合的影响,如图2所示。法拉第屏蔽有助于降低仪表放大器输入端之前、信号链上其他入口点中的交流电源耦合,如Ce1和Ce2等。

仪表放大器

仪表放大器的电源电压必须足够高,以便支持通常为±1.0 V的差分和共模输入电压范围。某些应用需要更高的差分输入电平:±2.0 V。仪表放大器必须具有1 nA或更低的偏置电流(最好为100 pA)、极低的噪声电流、极低的噪声电压,以及对最高交流电源频率的五次谐波的高共模抑制。需要关注的典型频率为: 16.666 Hz、50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz、150 Hz和180 Hz。

第一级仪表放大器的差分直流增益通常在5到10的范围内设置。如果输入仪表放大器能够向信号的交流部分提供增益,而不向直流部分提供增益,则也可以设置更高的增益。需要权衡考虑的因素有噪声性能、动态输入范围和电源电压。

DSP消减共模信号

通过“硬件”方法消减共模信号之后,残余共模信号可以在数字域中处理。常用的一些技术包括FIR陷波滤波器、自适应滤波器和共模信号本身的“数字消减”。设计人员必须小心谨慎,确保ECG信号的“诊断完整性”不会因为使用这些技术而受损,并且临床医生的“差分诊断”不会受到某些潜在技术的不利影响。陷波滤波器的使用有时存在一些争议,因为它会影响目标信号的相位/幅度失真。ECG系统必须符合关于“诊断带宽”的标准。

小结

ECG子系统的高共模抑制设计要求设计人员把患者和操作人员的安全要求放在第一位。某些用于增强共模抑制的技术实际上可能会提高漏电流,因此必须避免使用。本文所述的技术经过时间验证,有助于实现出色的诊断性能。

参考文献

1. “问题新探:放宽电子医疗设备的安全电流限值会增加病人的危险吗?”Michael M. Laks(医学博士)、Robert Arzbaecher(哲学博士)、David Geselowitz(哲学博士)、James J. Bailey(医学博士)、Alan Berson(哲学博士),Circulation,2000;102:823-825。

2. “高质量记录生物电事件,第一部分:减少干扰,理论与实践。”A.C. Metting Van Rijn、A. Peper、C.A.Frimbergen,医学研究中心,医学物理系,Meibergdreef 15 1105 AZ 阿姆斯特丹,荷兰

3. “X2Y RFI滤波器。”Johanson Dielectrics。检索日期:1/11;网址:http://www.johansondielectrics.com/x2yproducts/x2y-for-emi-ltering.html

4. “右腿驱动电路设计,”Bruce Winter、John G. Webster,IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 第BME-30卷,1983年1月。

5. Enrique Mario Spinelli等,“跨导型右腿驱动电路,” IEEE Transactions on Biomedical Engineereing,第46卷,第12期,1999年12月。

欲了解有关医疗保健信号处理技术和应用的更多信息,请访问: www.healthcare.analog.com

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