第三章 信号放大与处理-7

1、生物医学电子学生物医学电子学 第三章第三章 生理参数测量与处理生理参数测量与处理 Biomedical Electronics 第一节第一节 生理参数测量生理参数测量放大器放大器 第二节第二节 模拟滤波器模拟滤波器设计设计 3.2.7 移相滤波器移相滤波器 移相滤波器通常用于以下情况：移相滤波器通常用于以下情况： 1)信号传输过程中产生相位畸变，造成信号失真或码间干扰，信号传输过程中产生相位畸变，造成信号失真或码间干扰， 影响正确接收或解调，用移相滤波器进行相位校正。影响正确接收或解调，用移相滤波器进行相位校正。 2)为达到特定目的，要求设计制作能够实现一定规律的相移为达到特定目的，要求设计制

2、作能够实现一定规律的相移 器。器。 全通可以看成是在全频域内幅频特性恒定的一种滤波器，全通可以看成是在全频域内幅频特性恒定的一种滤波器， 其相移按一定规律随频率变化，很适宜用作相移器。其相移按一定规律随频率变化，很适宜用作相移器。 1、一阶移相滤波器、一阶移相滤波器 传递函数为传递函数为 2、二阶相移滤波器、二阶相移滤波器 其幅频特性、相频特性为其幅频特性、相频特性为 传递函数为传递函数为 与标准传递函数比较，要使电路为全通，需与标准传递函数比较，要使电路为全通，需 对应得滤波参数为对应得滤波参数为 相频特性如图所示相频特性如图所示 例例3.6 使用二阶移相电路作使用二阶移相电路作QRS波检测

3、波检测 心率的测量可通过计数心率的测量可通过计数QRS波来完成，波来完成，QRS波通常从心电波通常从心电 信号中提取，提取方法有多种，下图为利用移相器提取信号中提取，提取方法有多种，下图为利用移相器提取QRS 波的方法示意图。波的方法示意图。 心电信号中除含有心电信号中除含有QRS波之外，还有波之外，还有T波和波和P波，波，T波与波与P波的波的 存在对心率计数形成干扰。由于存在对心率计数形成干扰。由于QRS波的中心频率约波的中心频率约17Hz， 带宽约带宽约6Hz，而，而T波与波与P波频率一般在波频率一般在7Hz以下，设计移相滤波以下，设计移相滤波 器，使干扰成份相移器，使干扰成份相移180，

4、信号成份相移，信号成份相移360 ，然后与初始信，然后与初始信 号相加，最终干扰抵消，信号增加。号相加，最终干扰抵消，信号增加。 滤波参数设计如下：滤波参数设计如下： 选择选择C =1F，由滤波参数可求出其它元件值，由滤波参数可求出其它元件值 电路及相频特性下图所示。电路及相频特性下图所示。 由由 输入端的对称，取输入端的对称，取R1=R4=2R2 ，并考虑运放，并考虑运放 电路及相频特性如图。对应电路及相频特性如图。对应QRS波的频率为波的频率为ff0 3，相应，相应 的相移接近的相移接近2。对于干扰频率。对于干扰频率ff0 1，相应相移为，相应相移为 。所。所 以移相器输出的信号与未经移相

5、而同比放大原信号叠加后，以移相器输出的信号与未经移相而同比放大原信号叠加后， QRS波的幅度大大提高，其它干扰波被充分抑制，可大大波的幅度大大提高，其它干扰波被充分抑制，可大大 提高心率检测的准确性。提高心率检测的准确性。 由相频特性可知，当由相频特性可知，当Q较高时在较高时在 f0附近频率相移附近频率相移 - 180，其它接，其它接 近零相移，因而近零相移，因而 50Hz干扰经相干扰经相 移后，再与原信号相加被抵消，移后，再与原信号相加被抵消， 而心电信号被增强，进而改善了而心电信号被增强，进而改善了 信噪比。信噪比。 例例3.7 移相器抑制心电测量中的移相器抑制心电测量中的50Hz干扰干扰

6、 设计二阶移相滤波器参数为：设计二阶移相滤波器参数为： 电路参数计算如下：电路参数计算如下： 心电测量中的心电测量中的50Hz干扰抑制电路干扰抑制电路 3.2.8 开关电容滤波器开关电容滤波器 开关电容滤波器开关电容滤波器是利用开关电容网络构成的滤是利用开关电容网络构成的滤 波器。波器。 与与RC有源滤波器相比，容易实现单片集成化，有源滤波器相比，容易实现单片集成化， 当时钟频率一定时其特性仅取决于电容比值，因而当时钟频率一定时其特性仅取决于电容比值，因而 同样做成集成器件时，精度比同样做成集成器件时，精度比RC有源滤波器高。有源滤波器高。 与数字滤波器相比，开关电容滤波器可以直接处与数字滤波

7、器相比，开关电容滤波器可以直接处 理连续信号而不用理连续信号而不用AD、DA变换器，和数字滤变换器，和数字滤 波器一样，容易实现程序控制。波器一样，容易实现程序控制。 1开关电容网络开关电容网络的基本概念的基本概念 开关电容网络是由开关电容网络是由MOS电容、开关和运放组成电容、开关和运放组成 的集成化网络，简称的集成化网络，简称SC网络。它是通过电容的储能、网络。它是通过电容的储能、 开关的倒换以及在运放的隔离和放大作用下，进行开关的倒换以及在运放的隔离和放大作用下，进行 信号传递和处理的电路。信号传递和处理的电路。 2开关电容等效电阻开关电容等效电阻的概念的概念 用开关和电容组成的电路能够

8、等效电阻的作用，用开关和电容组成的电路能够等效电阻的作用， 因此因此RC有源网络能够完成的滤波作用完全可以由开有源网络能够完成的滤波作用完全可以由开 关电容网络来完成。关电容网络来完成。 开关电容的基本结构是电路两节点间连接有带开关电容的基本结构是电路两节点间连接有带 高速转换开关的电容器，通常有串联型、并联型两高速转换开关的电容器，通常有串联型、并联型两 种，电路结构如图。种，电路结构如图。 （1）串联型电路，开关）串联型电路，开关S接输入接输入 端端1时，电容时，电容C被短路；接输出端被短路；接输出端 2时，电容时，电容C上将存贮电荷上将存贮电荷 设开关转换周期为设开关转换周期为Tc，则在

9、一周期内，输入端流向输，则在一周期内，输入端流向输 出端的平均电流为出端的平均电流为 其中其中fc为开关的转换频率，当为开关的转换频率，当fc 足够高时，认为这个过足够高时，认为这个过 程是连续的，好象输入端与输出端之间存在一个等效电程是连续的，好象输入端与输出端之间存在一个等效电 阻阻Req （2）并联型电路，当开关）并联型电路，当开关S接接1 时，时，C被被u1充电，充电，C上的电荷为上的电荷为 cu1 ；当；当S接接2时，时，C对对u2放电，所放电，所 以由输入到输出的电荷仍为以由输入到输出的电荷仍为 等效电阻仍为等效电阻仍为 因此一个周期的平均电流为因此一个周期的平均电流为 在实际电路

10、中，开关在实际电路中，开关S由由MOS管构成，为了减管构成，为了减 小小MOS开关分布电容的影响，电路通常接成下面两开关分布电容的影响，电路通常接成下面两 种形式，种形式，MOS管分别由频率相同而相位相反的双相管分别由频率相同而相位相反的双相 时钟脉冲时钟脉冲1和和2控制。控制。 （a）串联型）串联型 1高电平时，高电平时，T1、T2导通，用开关导通，用开关1表示；表示； T3、T4截止，用开关截止，用开关2表示，表示，C串于串于u1与与u2之间；当之间；当2高高 电平时，电平时，T3、T4导通，开关导通，开关2闭合，闭合，T1、T2 截止，开关截止，开关l 断开，断开，C短接。等效电路与串联

11、型相同，为一等效电阻，短接。等效电路与串联型相同，为一等效电阻， 因此可用电路取代一电阻。因此可用电路取代一电阻。 （b）并联型）并联型 1高电平时，高电平时，Tl、T4导通，为开关导通，为开关l， T2、T3截止，为开关截止，为开关2，电容，电容C正向充电；正向充电； 2高电高电 平时，平时，T1、T4截止，开关截止，开关1断开，断开，T2、T3导通，开导通，开 关关2闭合，电容闭合，电容C反向充电。反向充电。 因而为一等效负电阻因而为一等效负电阻 等效电路与并联型类似，有等效电路与并联型类似，有 用开关电容代替电阻，在集成技术有重大意义。用开关电容代替电阻，在集成技术有重大意义。 通常集成

12、一个通常集成一个10M电阻，集成面积大约为电阻，集成面积大约为1600mil2。 如果用一个如果用一个lpF电容并在电容并在fc = 100kHz的时钟频率条件下，的时钟频率条件下， 代替这个电阻，面积大约为代替这个电阻，面积大约为4mil2，减少大约，减少大约400倍，倍， 大大提高了集成密度。大大提高了集成密度。(1mil=0.001英寸英寸) 3开关电容积分器开关电容积分器 RC有源积分器如图所示，将电阻有源积分器如图所示，将电阻R1用开关电容代用开关电容代 替得到开关电容积分器。替得到开关电容积分器。 对于电路对于电路(a )有有 对于电路对于电路(b)，将，将R1用等效电阻代入，有用

13、等效电阻代入，有 可以看出：可以看出： RC有源积分器参数的精度取决于元件有源积分器参数的精度取决于元件R1与与C2的精度的精度 ，开关电容积分器参数的精度取决于时钟频率，开关电容积分器参数的精度取决于时钟频率f0与电与电 容比容比C1C2。时钟信号由晶体振荡器产生，精度相。时钟信号由晶体振荡器产生，精度相 当高，因此开关电容积分器的精度取决于电容比。当高，因此开关电容积分器的精度取决于电容比。 在大规模集成电路中，电容、电阻精度大都在在大规模集成电路中，电容、电阻精度大都在10 ，且，且R与与C因制造工艺不同误差不相互补偿，而电容因制造工艺不同误差不相互补偿，而电容 误差相当一致，因此电容比

14、精度可达误差相当一致，因此电容比精度可达1或更小。此或更小。此 结论对于所有开关电容网络都适用。结论对于所有开关电容网络都适用。 4开关电容滤波器开关电容滤波器 将三运放滤波器中的电阻用开关电容替代，其中将三运放滤波器中的电阻用开关电容替代，其中r与与R2用并用并 联型负电阻，并从运放负端输入，如图，就组成了开关电容滤联型负电阻，并从运放负端输入，如图，就组成了开关电容滤 波器。波器。 与三运放滤波器公式对照，且将等效电阻值代入，与三运放滤波器公式对照，且将等效电阻值代入， 有有 运放运放A1输出与输入之间的关系为输出与输入之间的关系为 3.2.9 滤波器设计滤波器设计 一、归一化与反归一化一

15、、归一化与反归一化 在二阶滤波器中，如二阶低通滤波器，在二阶滤波器中，如二阶低通滤波器，0不同就得到不同不同就得到不同 的传递函数，但它们幅频特性曲线的形状却是相似的；用电的传递函数，但它们幅频特性曲线的形状却是相似的；用电 路来实现不同路来实现不同0的二阶低通滤波器时，元件值也会相差很大，的二阶低通滤波器时，元件值也会相差很大， 这给分析和计算带来不便。如果选择合适的度量单位，例如这给分析和计算带来不便。如果选择合适的度量单位，例如 使使0为为 1，使传递函数简化，且具有通用性。这种重新选择，使传递函数简化，且具有通用性。这种重新选择 度量单位度量单位(例如例如0)的方法称为的方法称为归一化

16、归一化。 1频率归一化频率归一化 频率归一化就是重新选择频率度量单位，选定某角频率频率归一化就是重新选择频率度量单位，选定某角频率 r作单位角频率作单位角频率，实际角频率，实际角频率与与r之比称作归一化角频率，之比称作归一化角频率， 并用并用表示，即表示，即 这样不论这样不论0为多少，都可用上式表示滤波参数为为多少，都可用上式表示滤波参数为H0、Q的二的二 阶低通滤波器，给分析带来极大的方便，最后只需进行阶低通滤波器，给分析带来极大的方便，最后只需进行反归反归 一化一化求出截止频率求出截止频率0 的传递函数。令的传递函数。令r = 0，有，有 对于复频率对于复频率 将二阶低通滤波器传递函数归一

17、化将二阶低通滤波器传递函数归一化 2阻抗归一化阻抗归一化 对网络中所有元件的阻抗都除以一个对网络中所有元件的阻抗都除以一个基准电阻值基准电阻值R0，即，即 为为阻抗归一化阻抗归一化。 电路如图所示。由低通电路滤电路如图所示。由低通电路滤 波参数，可得波参数，可得 例如例如 VCVS低通电路选择低通电路选择 当传递函数进行频率反归一化时，可对归一化电路作元当传递函数进行频率反归一化时，可对归一化电路作元 件反归一化，进而求出不同件反归一化，进而求出不同0的实际元件值。的实际元件值。 例例3.8 设计一个二阶设计一个二阶VCVS型低通滤波器，型低通滤波器，f0 = 500Hz，欲实，欲实 现的归一

18、化传递函数为现的归一化传递函数为 解：对照解：对照 可得可得 采用如图电路，采用如图电路，r = 1 求出归一化元件值后，还需求出满足求出归一化元件值后，还需求出满足f0 500Hz的电路实际的电路实际 元件值。对归一化元件值作反归一化，即可求出实际元件值。元件值。对归一化元件值作反归一化，即可求出实际元件值。 二、逼近方法二、逼近方法 理想幅频特性是难以实现的，实际设计一个低通滤波器时，理想幅频特性是难以实现的，实际设计一个低通滤波器时， 一般给定通带边界频率一般给定通带边界频率fp、阻带边界频率、阻带边界频率fs、fs频率处的最小衰频率处的最小衰 减减Amin及通带内最大波动及通带内最大波动Amax四项指标，如图四项指标，如图3-71所示。然后所示。然后 选择合适的逼近方法来逼近理想特性，满足所给指标，本节仅选择合适的逼近方法来逼近理想特性，满足所给指标，本节仅 简单讨论巴特沃斯与切比雪夫两种逼近方法满足指标的滤波器简单讨论巴