Details

Объектом исследования является процесс регистрации слабых биомедицинских и сенсорных сигналов с использованием инструментальных усилителей. Предметом исследования выступает программируемый инструментальный усилитель на базе трех операционных усилителей (ОУ) LT1007, оснащенный резистивной сетью с управлением от мультиплексора ADG5208 для дискретного выбора коэффициента усиления. Цель работы — проектирование, моделирование, реализация и предварительная проверка программируемого инструментального усилителя, пригодного для регистрации слабых сигналов. Были решены следующие задачи: 1. Рассмотрены требования к регистрации слабых биомедицинских сигналов и проектированию инструментальных усилителей; 2. Изучены топология инструментального усилителя на трех ОУ, принцип задания коэффициента усиления, а также характеристики полосы пропускания, уровня шума и частотной характеристики; 3. Разработана схема программируемого усиления на основе аналогового мультиплексора ADG5208 и переключаемых резисторов; 4. Проведено моделирование в среде LTspice для проверки коэффициента усиления, полосы пропускания, переходной характеристики, рабочей точки и выходного шума; 5. Построена модель обработки сигнала на системном уровне для оценки усиления сигнала и подавления помех; 6. Выполнена реализация устройства на печатной плате и проведены предварительные испытания при различных состояниях цифрового управления коэффициентом усиления. В результате исследования был спроектирован прототип аналогового входного каскада на базе операционных усилителей LT1007 и программируемой сети выбора резисторов с использованием ADG5208. Схема была проверена посредством теоретических расчетов, моделирования в LTspice, системного моделирования в Simulink, реализации на печатной плате и предварительных аппаратных измерений. Для базового состояния (код управления 000) измеренный коэффициент усиления на частоте 1 кГц составил приблизительно 15,56 дБ, что хорошо согласуется с теоретическим значением (15,56 дБ) и результатом моделирования в LTspice (около 15,61 дБ). Измеренная частотная характеристика подтвердила ограничение полосы пропускания выходным каскадом: в реализованной конфигурации на печатной плате полоса пропускания по уровню -3 дБ составила примерно 10–11 кГц. По итогам исследования подтверждена возможность создания программируемого цифровым способом инструментального усилителя на трех ОУ для регистрации слабых сигналов. Полученные результаты демонстрируют, что предложенный метод выбора коэффициента усиления с использованием ADG5208 обеспечивает дискретное программируемое усиление в диапазонах низких и средних значений, тогда как для режимов высокого усиления требуются меньшие амплитуды входного сигнала для обеспечения точной линейной характеристики. Разработанный прототип может использоваться в качестве лабораторного аналогового интерфейса (analog front-end) для сбора слабых биомедицинских и сенсорных сигналов; его функциональность может быть расширена за счет внедрения средств аппаратного измерения шума, проверки коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR), анализа переходных процессов при переключении, измерения энергопотребления и оценки запаса устойчивости. В ходе работы для схемотехнического моделирования использовалась среда LTspice, для моделирования обработки сигналов на системном уровне — MATLAB/Simulink, для разработки принципиальной схемы и топологии печатной платы — специализированное САПР-ПО, а для аппаратной проверки — цифровое измерительное оборудование. Подготовка итоговой выпускной квалификационной работы осуществлялась с использованием инструментов для обработки текста и подготовки документации.

The object of the study is weak biomedical and sensor signal acquisition using instrumentation amplifiers. The subject of the study is an LT1007-based three-op-amp programmable instrumentation amplifier with an ADG5208-controlled resistor network for discrete gain selection. The aim is to design, simulate, implement, and preliminarily verify a programmable instrumentation amplifier suitable for weak-signal acquisition. The following tasks were solved: 1. The requirements of weak biomedical signal acquisition and instrumentation amplifier design were reviewed; 2. The three-op-amp instrumentation amplifier topology, gain-setting principle, bandwidth, noise, and frequency-response characteristics were studied; 3. A programmable gain network based on the ADG5208 analog multiplexer and selectable gain-setting resistors was developed; 4. LTspice simulations were performed to verify gain, bandwidth, transient response, operating point, and output noise; 5. A system-level signal-processing model was built to evaluate signal amplification and interference suppression; 6. A PCB-oriented implementation was prepared and preliminarily tested under different digital gain-control states. As a result of the study, an analog front-end prototype based on LT1007 operational amplifiers and an ADG5208 programmable resistor-selection network was designed. The circuit was verified by theoretical calculation, LTspice simulation, Simulink system-level modeling, PCB implementation, and preliminary hardware measurements. The baseline 000 gain state showed a measured gain of approximately 15.56 dB at 1 kHz, which agrees closely with the theoretical value of 15.56 dB and the LTspice simulated value of approximately 15.61 dB. The measured frequency response confirmed the bandwidth-limited behavior of the output stage, with the practical -3 dB bandwidth located approximately in the 10–11 kHz range under the implemented PCB configuration. As a result of the study, the feasibility of a digitally programmable three-op-amp instrumentation amplifier for weak-signal acquisition was confirmed. The obtained results demonstrate that the proposed ADG5208-based gain-selection method can provide discrete programmable gain in low- and medium-gain states, while high-gain states require smaller input amplitudes for accurate linear characterization. The developed prototype can be applied as a laboratory-level analog front-end for weak biomedical and sensor-signal acquisition, and it can be further improved by adding hardware noise measurement, CMRR testing, switching transient analysis, power-consumption measurement, and stability-margin verification. The work used LTspice for circuit-level simulation, MATLAB/Simulink for system-level signal-processing modeling, PCB CAD tools for schematic and layout preparation, and digital measurement equipment for hardware verification. Text processing and documentation tools were used for preparing the final graduate qualification work.

• Definitions, Designations, and Abbreviations
• Introduction
• 1.Overview
  • 1.1 Biomedical Weak-Signal Acquisition Context
  • 1.2 ECG Signal Characteristics and Preprocessing
  • 1.3 Goal and Tasks
• 2.Literature Review and Theoretical Foundation
  • 2.1 Related Work on Biomedical Front-End Amplifier
  • 2.2 Three-Op-Amp Instrumentation Amplifier Theory
  • 2.3 Instrumentation Amplifier and DSP System Princ
  • 2.4 Key Performance Metrics of Instrumentation Amp
  • 2.5 Programmable Gain Principle
  • 2.6 Preliminary Analog ECG Front-End Exploration
• 3.Programmable Instrumentation Amplifier Design and
  • 3.1 LT1007-Based Programmable IA Architecture
  • 3.2 LTspice Simulation Setup and Verification Meth
  • 3.3 Final LTspice Command and Control Configuratio
  • 3.4 System-Level DSP Test Signal and Preprocessing
  • 3.5 System-Level DSP Extension Model
  • 3.6 PCB-Oriented Implementation Feasibility
  • 3.7 PCB Implementation and Layout Design
• 4. Verification Results and Discussion
  • 4.1 Preliminary ECG Front-End Simulation Results
  • 4.2 LTspice Programmable IA Verification Results
  • 4.3 Hardware Measurement and Comparison with Simul
• Conclusion
• References