CUPRINS ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. i 1. Rezumat într… [601884]

Cuprins
i CUPRINS

CUPRINS ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. i
1. Rezumat într -o limbă de circulație internațională ………………………….. …………… 3
2. Planificarea activității ………………………….. ………………………….. …………………….. 9
3. Stadiul actual ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 10
4. Fundamentar ea teoretică ………………………….. ………………………….. ………………. 14
4.1. Generalități ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 14
4.2. Soluții studiate pentru amplificatoare de instrumentație ………………………….. ….. 15
4.2.1. Amplificator instrumental cu trei amplificatoare operaționale ………………… 15
4.2.2. Amplificator instrumental cu două amplificatoare operaționale ……………… 16
4.3. Soluții abordate ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 17
4.3.1. Aplicație tipică a amplificatorului de instrumentație ………………………….. …. 17
4.3.1.1. Integratul LTC1043 ………………………….. ………………………….. …………… 18
4.3.1.2. Integratul LT1056 ………………………….. ………………………….. ……………… 20
4.3.2. Amplificator de precizie în instrumentație ………………………….. ………………. 21
4.3.2.1. Chopper ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 21
4.3.2.2. Demodul ator de fază ………………………….. ………………………….. ………….. 22
4.3.2.2.1. Detectoare sensibile la fază cu comutator electromagnetic ……….. 22
4.3.2.3. Aplicații ale amplificatoarelor opraționale ………………………….. ………… 22
4.3.2.3.1. Amplificator operațional neinversor ………………………….. …………… 22
4.3.2.3.2. Filtre cu amplificatoare operaționale ………………………….. ………….. 23
4.3.2.3.3. Integrator cu amplificator operațional ………………………….. ………… 24
5. Implementarea soluției adoptate ………………………….. ………………………….. …….. 26
5.1. Configurarea și testarea integratului LTC1043 ………………………….. ………………. 26
5.1.1. Configurarea frecvenței de oscilație ………………………….. ……………………….. 26
5.1.2. Alegerea condensatorilor de eșantionare și memorare ………………………….. . 28
5.1.3. Testarea rejecției de mod comun ………………………….. ………………………….. .. 29
5.2. Dimensionarea soluției adoptate ………………………….. ………………………….. ………. 30
5.2.1. Aplicație tipică a amplificatorului de instrumentație ………………………….. …. 30
5.2.2. Amplificator de precizie în instrumentație ………………………….. ………………. 33
6. Rezultate experimentale ………………………….. ………………………….. ……………….. 40
7. Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 44
8. Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 45

Capitolul 1
3 1. Rezumat într -o limbă de circulație internațională
Biomedical engineering is an field which combine different fields of engineering, such as
electronics, microelectronics, computers programming and mechanics, with medical knowledge.
Without doubt biomedical engineering represents a area of great interest , which is always in
development. The construction and use of a rtificial organs more efficient and close of the human
body biological caracteristics in the last 10 -15 years, would not have been possible without a
very rigorous and advanced research activity in the field of biomedical engineering conducted by
both engineering and medical specialist s.
This paper aims a part of biomedical engineering that deals with diagnostic equipmen t,
that can determinate if the condition of the patient is normal or patholog ical. A well known
equipment of this type is electrocardiograph, which is a electrocardiogram device recorder. An
electrocardiogram, also called EKG or ECG , is a major diagnostic tool for the assessment of the
health of the heart. It is a measurement take n at the surface of the skin which the help of
electrodes , that consist of electrical conductors in contact with the aqueous ionic solutions of the
body . To understand better the concept of electroca rdiogram, it helps to understand how the
heart works.
Your heart is a muscular organ that pumps blo od to your body, is the center of your
circulatory system. This system consists of a network of blood vessels, such as ar teries, veins,
and capillaries. The synchro nized electrical sequence of th e heart is initi ated by the SA node. In
the upper part of the right atrium of the heart is a specialized bundle of neurons know as the
sinoatrial node (SA node). Acting as the heart’s natural pacemaker, the SA node sends at regular
intervals to cause the heart of beat wi th a rhythmn of about 60 to 70 beats per minute for a
healthy, resting heart. The electrical impulse from the SA node triggers a sequence of electricall
events in the heart to control the orderly sequence of muscle contractions that pump the blood
out of t he heart.

1.1 Electrical activity of the heart [22]

Component of the electrical sequence:
 P Wave – depolarization of the atria;

Capitolul 1
4  PR Interval – delay of the electrical impulse at the AV node and the
depolarization of the atrium;
 QRS Complex – ventricular depolarization
o Q-wave – first negative deflection
o R-wave – first positive deflection
o S-wave – second n egative deflection
 ST Segment – the beginning of ventricular repolarization;
 T Wave – ventricular repolarization
Electrocardiograph has the following components:
 Signal retrieval system, containing electrodes;
 Signal amplification system;
 Signal display s ystem;
Taking into consideration the cardiac signal characteristics, order amplitude around
milivolti – general 1mV, frequency band 0,05 – 100Hz, the engineer proposes the projection of
more efficient solutions to read this signal. In electronic systems, there are many different
sources that generate parasite signals that do not carry any information – this signals are what we
call the interfering signal (noise). The interfering signal overlaps the useful signal and has a
maximum variation around the order of millivolts, which is very close to the EKG signal. This
can cause major problems in the p rocessing of useful information, for that is very import ant a
good comon mode rejection of the amplifiers .
This assumptions led to the use of instrumentation amplifiers as best solution because:
„Instrumentation amplifier is a precision linear circuit which can be used to amplify low -level
signals, whitch are in a noisy environment.”
Instrumentation amplifier ideal properties:
 Infinite input impedance;
 Zero ou tput impedance;
 Output voltage proportional only with the voltage difference (𝑒2−𝑒1);
 Precisely controlled gain;
 Infinite bandwidth;
 Total rejection of the components common to both inputs;
 No voltage drift;
In practice can not exist a circuit that fully satisfy these properties . One of the most
common solution s is instrumentation amplifier with three AO (3 -op-amp INA). This type of
amplifier consists in two amplification stages. The first one is formed by two operational
amplifiers 𝐴1 and 𝐴2, achieving high impedance input and a supraunitary gain. The second one is
represented by the differential amplifier 𝐴3.
One major advantage in this type of configuration is the possibility to modify the
amplification through a single component,R. But there is an important issue regarding the
rejection of the common mode voltage. In order to obtain a high common mode rejection is
needed a very careful choice of resistance, which it is very difficult to achieve in practice. This
is the reason why a instrumentation amplifier with sample and hold is by far a better option.
Linear Technology designs and manufactures a broad range of high performance analog
integrated circuits. One of there product is LTC1043 IC , which has in his own configuration a
sample and hold function and a internal clock. Its frequency can be adjusted with an e xternal
capacitor. This product can be used in several applications.

Capitolul 1
5
Figura 1.2 Internal b lock diagram of the LTC1043

The LTC1043, when is used as a differential to single – ended converter rejects common
mode signals and preservers differential voltages. Unlike other techniques, the LTC1043’s
CMRR does not degrade with increasing common mode voltage frequency. During the sampling
mode, the impedance of Pins 2,3 should be reasonably balanced, othe rwise, common mode
signals will appear differentially. The value of the CMRR depends on the value of the sampling
and holding capacitors ( 𝐶𝑆,𝐶𝐻) and on the sampling frequency. Since the common mode
voltages are not sampled, the common mode voltages are not sampled, the common mode signal
frequency can well e xceed the sampling frequency without experiencing aliasing phenomena. In
signal processing , aliasing is an effect that causes signal distortion. As a result of this effect the
signal reconstructed from samples is different from the original one.
To avo id this effect and create a accurate sampling Shannon theorem must be respected.
According to this theory the sampling frequency must be less than or equal with twice the
maximum frequency of the signal.
This paper aims to give the reader two possible v ersions of instrumentation amplifiers
with sample and hold using LTC1043,in order to obtain the ECG signal. For the simulations
needed was used LTspiceIV, released by Linear Technology.
1. Typical instrumentation amplifier
Advantages
 quick to implement in practice;
 a good common mod rejection;
 does not require a precision choice of resistance;
Disadvantages
 does not offers a accuracy amplification;

Figura 1.3 Typical instrumentation amplifier.Electrical scheme and simulation

Capitolul 1
6
2. Precison instrumentation amplifier
Advantages
 offers a accuracy amplification;
 very good common mode rejection;
 does not require a precision choice of resistance;
Disadvantages
 complexity in achieving stability;

Figura 1.4 Precison instrumentation amplifier. Electrical scheme and simulation

For practical implementation was made a PCB that contains the two versions presented.
The schematic and layout was made by using EAGLE 6.2.0.
The entire circuit was divided into four subcircuits:
 INPUT/OUTPUT CIRCUIT –it is the common part of the versions

Figura 1.5 Input/output configuration

 CONFIG CIRCUIT – it is composed of a switch used to toggle from
one circuit to another

Capitolul 1
7

Figura 1.6 Switch configuration circuit

 CIRCUIT 1- represent the Typical instrumentation amplifier shown in
Figura 1.3

Figura 1.7 Typical instrumentation amplifier

 CIRCUIT 2 – represent the Precison instrumentation amplifier shown
in Figura 1.4

Figura 1.8 Precison instrumentation amplifier

In order to achieve the hardware part of the PCB it was used the method of expo sure to
ultrav iolet, which has the following steps :
 Exposure to UV neon lights about 6 minutes;
 Developing using caustic soda;
 Eching using ferric chloride;

Capitolul 1
8 For testing the practical implementation was used :
 Computer – on which it runs the WaveForms tool, released by Digilent and used
to control and display signals captured by Analog Discovery device.
 The “Analog Discovery” developed by Digilent , with several functions such as :
power supply (+5V , -5V) , various forms of signal generator , oscilloscope and
digital input/output
 Instrumentation developed amplifier
 Single use polymer electrodes

Capitolul 2
9 2. Planificarea activității

Proiect de diploma
10 3. Stadiul actual
În capitol ul prezent obiectivul urmărit este fixarea referențialului în care se situează
tema abordată .
Pentru început se va oferi o imagine de ansamblu asupra sistemului de conducție
cardiac, al corpului uman, concept care a stat la baza obținerii ipotezelor necesare în
realizarea acest ui proiect , iar apoi se va încadra tema în domeniul ingineriei biomedicale .
Inginerie care studiază aparatura de investigare, t erapie, monitorizare utilizată în medicină,
precum și principiile, tehnicile care stau la baza exploatării acestei aparaturi.
Componenta principală a aparatului cardiovascular este inima, pompa care asigură
circulația sângelui în organism, este un organ mu sculos, alcătuit din patru cavități, două
superioare (atrii), două inferioare (ventricule). Fiecare atriu comunică cu ventriculul de aceea
parte prin valvule, care au funcție de supape. Valvulele permit circulația sângelui în sens unic,
și anume dinspre at rii înspre ventricule. Atriu drept primește prin vene sângele sărac în oxigen
care revine din organism înspre inimă și îl dirijează spre ventriculul drept. Acesta trimite
sângele în plămânii unde se oxigenează înainte de traversarea atriului stâng pentru a fi dirijat
în ventricolul stâng. Ventricului stâng, fiind cel mai voluminos, pompează sângele în artere și
de aici în întreg organismul.
Pentru ca inima să pompeze sângele cât mai eficace miliardele de celule din camerele
superioare și ventricole trebuie să se contracte simultan. Coordonare declanșată de un impuls
electric. Aceste acțiuni sunt dirijate de către nodul sinusal, situat în atriul drept. De acolo
curentul electric trece din celulă în celulă până la nodul atrio -ventricular, la joncțiunea dintre
atrii și ventricule. Traversând acest nod impulsul electric excită rapid toate celulele
ventriculelor printr -o rețea numită sistemul His -Purkinje.

3.1 Activitatea electrică a inimii [20]

Prin urmare fiecare contracție a inimii este declansată electric. Repetarea acestui
fenomen are ca rezultat ritmul cardiac, iar nodul sinusoidal este cel care dă măsura acestui
ritm. [19]
Electrocardiograma reprezintă înregistrarea grafică a variațiilor de potențial electric care
iau naștere la suprafața corpului,datorită activității cardiace. Electrocardiograma realizează un
traseu cu trei unde : traseul undei P corespondent contracțiilor atriilor, traseul undei QRS – ale

Capitolul 3
11 ventricolelor, și traseul undei T care reflectă regenerarea celulor cardiace. Între bătăi, sistemul
electric se încarcă la fel ca și mușchiul cardiac, care între două contracții, se relaxează și se
umple din nou cu sânge. [19]

3.2 Caracteristicile impulsului cardi ac[21]

Caracte risticile impulsului cardiac :
 Amplitudine -ordinul mV, în general 1mV
 Banda de frecvență aproximativ – 0,05- 100 Hz
O ramură a ingineriei biomedicale, se ocupa cu aparatur a pentru diagnostic , destinată
investigării organismului uman, în scopul cunoașterii stării normale sau patologice a acetuia .
Din această ramură fac parte și “Aparatele pentru înregistrarea semnalelor bioelectrice” ,
printre care amintim :
 Electrocardiograf – aparatul care efectuează înregistrarea electrocardiogramei
[17]

Figura 3.3 Electroca rdiograf

Electrocardiograful are următoarele componente :
 Sistemul de prelu are a semnalului,cuprinzând electrozi;
 Sistemul de amplificare a semnalului ;
 Sistemul de afișare a semnalului;
Electrozi pentru măsurarea biopotențialelor

Proiect de diploma
12 Electrozi externi (de suprafață) sunt realizați în general din Ag, Ag/AgCI, W, Pt sau Au.
O condiție pe care trebuie să o îndeplinească electrozii este aceea că metalele (sau materialele)
din care sunt confecționați să nu fie solubile în electroliții prezenți pe suprafața pieli i.
Caracteristicile electrozilor nemetalici, din polimer conductiv:
 Realizați din material care este în același timp conductiv și adeziv;
 Polimerul devine conductiv prin adăugarea de ioni monovalenți;
 Nu necesita gel;
 Rezistență de contact mare → zgomot ri dicat

3.4 Electrozi din polimer

Ionii prezenți pe suprafața pielii (în principiu Na, CI) intră în reacție cu suprafața
electrodului, ducând la apariția unui potențial de electrod.
În privința sistemului de amplificare a semnalului se urmărește:
 Factorul de amplificare
 Factorul de zgomot
 Factorul de rejecție de mod comun CMRR
Inginerul biomedical își propune proiectarea unor soluții cât mai eficiente pentru aceste
sisteme.
Măsurile de precizie care neces ită amplificarea unor semnale de nivel foarte redus în
prezența unor tensiuni de mod comun mari, necesită utilizarea unor amplificatoare de mare
performanță.Un astfle de amplificator este amplificatorul de instrumentație care de regulă este un
amplificator diferențial cu amplificare finită, foarte precis reglabilă prin conectarea în exteriorul
circuitului integrat a unor rezistențe sau perechi de rezistențe cu impedanță de intrare ridicată și
factorul de mod comun (CMRR) de valori foarte mari.
Amplificator ul de instrumentație permite realizarea de performanțe superioare
amplificatoarelor operaționale în ceea ce privește tensiunea de decalaj, liniaritatea, stabilitatea și
precizia factorului de amplificare, fiind diferite fundamental de A.O prin faptul că su nt destinate
să funcționeze numai în circuite închise, elementele de reacție incluzându -se în structura
circuitului integrat. [24]
Ingineria biomedicală reprezin tă fără îndoială un domeniu de mare actualitate, mereu în
dezvoltare, care a reușit să combine o multitudine de domenii inginerești (electronică și
microelectronică, programare, mecanică ) cu cunoștințe medicale referitoare la funcționarea atât
în ansamblu cât și la nivel de sistem sau subsistem a corpului uman,ducând la obținerea unor
rezultate excepționale.
Dezvoltarea fără precedent a aparaturii de investigare bazată pe modele complexe,
construcția și utilizarea de organe artificiale din ce în ce mai performante și mai apropiate de

Capitolul 3
13 caracteristicile biologice ale corpului uman din ultimii 10 – 15 ani, nu ar fi fost posibilă fără o
activitate de cercetare avansată la care participă atât specialiști din domeniul ingineriei cât și din
domeniul medical. [18]
Ca și program folosit pentru simulările necesare am optat pentru un produs realizat de
către Linear Technology, care produc o varietate de tool -uri de simu lare care permit evaluarea
rapidă a circuitelor, Ltspice IV. Acesta este un simulator SPICE de mare performanță,care
conține peste 200 de modele a amplificatoarelor operaționale, precum și modele pentru
rezistențe, tranzistori și MOSFET.

Proiect de diploma
14 4. Fundamentarea teoretică
4.1. Generalități
Semnalul fiziologic este răspunsul involuntar la un stimul. Acest semnal poate fi
disponibil fie sub forma unei variații electrice detectabile cu electrozi,fie o mărime neelectrica,
transformată în semnal electric cu ajutorul unui traductor.

Figura 4.1 Sistemul de instrumentație
biomedical

Figura 4.2 Configurație de preluarea
semnalului fiziologic
Figura 4.2 Semnificații:
 e – tensiunea vârf -la-vârf a unui generator sinusoidal
 E – tensiunea vârf -la-vârf a unui generator sinusoidal cu frecvența de 50 de Hz
 Z_in -este impedanța de intrare a ampli ficatorului,la 50Hz
 Z_1 și Z_2 – sunt impedanțele electrozilor [2]

În această configurație de preluarea semnalului fiziologic întâlnim și ceea ce numim
semnal interferent – zgomot. În sistemele electronice există numeroase surse care generează
diverse semnale parazite, ce nu poartă nici o informație.
Semnalul interferent obișnuit în procesul de preluare a biosemnalelor provine din rețeaua
de alimentare in curent alternativ de 50Hz. Acest semnal se suprapune peste semnalul util și are
o variație maximă de ordinul milivolților.Semnalul interferent poate duce la apariția uno r
probleme majore in prelucrarea informației utile, când aceasta are o variație apropiată ca mărime
cu variația zgomotului. În acest caz întâlnim semnalul EKG,a cărui variație este de aproximativ
1mV.
Semnalul util este generat intre electrozii cuplați la intrarea amplificatorului ,prin urmare
vorbim despre un semnal diferențial,care se definește astfel:

𝑉+=𝑉𝐼𝑁+𝑉𝑖𝑛
2
𝑉−=𝑉𝐼𝑁−𝑉𝑖𝑛
2 (1)

=> 𝑉𝑑𝑖𝑓=𝑉+−𝑉−=𝑉𝐼𝑁+ 𝑉𝑖𝑛
2−𝑉𝐼𝑁+𝑉𝑖𝑛
2=2𝑉𝑖𝑛
2 (2)

=> 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑢𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑡𝑟𝑎𝑟𝑒 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛ț𝑖𝑎𝑙ă

Capitolul 4
15
Tensiunea de ieșire este o tensiune direct proporțională cu tensiunea de intrare
diferențială. Raportul dintre tensiunea de ieșire și tensiunea de intrarea diferențială se numește
factor de amplificare în tensiune, care poate să fie controlat din rezistențe:

𝐴𝑣𝑑= 𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑑𝑖𝑓 (3)

Așadar amplificatorul diferențial trebuie sa amplifice semnalul diferențial (semnalul util)
și să atenueze (cazul cel mai favorabil sa rejecteze) semnalul interferent (zgomotul).
În urma acestor obiective s -a decis folosirea amplificatorului de instrumentație diferențial
deoarece, “amplificatorul de instrumentație este un circuit liniar de precizie,ce se poate folosi
pentru amplificarea semnalelor de nivel mic,aflate intr -un mediu zgomotos „ [2] ,în cazul de față
semnalul EKG.
În practică nu poate exist a un circuit care să satisfacă proprietăți le modelului ideal ,doar să
îndeplinească anumite cerințe apropriate de acesta.
4.2. Soluții studiate pentru amplificatoare de instrumentație
În acest capitol voi incerca sa prezint una dintre cele mai utilizate soluții practice pentru
amplificatoarele de instrumentație, una dintre cele mai simple, precum si două soluții tratate,
analizate, realizate si prezentate de către mine în această lucrare, folosind integratul LTC1043.
4.2.1. Amplificator instrumental cu trei amplificatoare operaționale
În următoare figură este prezentată una dintre ceea mai răspândită soluție practică de
amplificator instrumental si anume amplificatorul de instrumentatie cu 3 amplificatoare
operaționale (3 -op-amp INA), ce amplifică o tensiune diferențială mică și rejectează tensiuni de
mod comun mari:

Figura 4.3 Amplificator instrumental cu trei AO

Acest tip de amplificator are in componența sa doua etaje de amplificare. Primul etaj este
format din amplificatoarele operaționale 𝐴1 ș𝑖 𝐴2 , realizând impedanțe mari de intrare și o
amplificare supraunitară :

𝐴=1+ 2𝑅3
𝑅 (4)

Al doilea etaj este reprezentat de către amplificatorul diferențial, 𝐴3 ,a cărui amplificare
este:

Proiect de diploma
16 𝐴= 𝑅2
𝑅1 (5)

Uo= 1+ 2R3
R ∙ R2
R1 (U2− U1) (6)

Din această relație putem să observăm că amplificarea se poate modifica foarte ușor prin
modificarea unei singure componente,R, care reprezintă un avantaj esențial al acestui tip de
amplificator. Însă pentru a mplificatorul cu 3 AO există o problemă importantă, și face referire la
reducerea domeniului tensiunii de ieșire de mod comun.Tensiunile de intrare pot fi reprezentate
in felul următor :

𝑈1=𝑉𝐶𝑀+𝑉𝐷𝑀
2
𝑈2=𝑉𝐶𝑀+𝑉𝐷𝑀
2 (7)

Unde: VCM – tensiunea de intrare mod comun;
VDM – tensiunea de intrare diferențială

Dacă considerăm toți rezistorii din circuit egali, cu excepția rezistorului R –amplificare.
Reacția negativă a AO din stânga sus duce tensiunea deasupra lui R la o valoare egală cu U1.
Asemănător , tensiunea sub R este menținută la o valoare cu U2. Căderea de tensiune la bornele
lui R va fi egală cu diferența de tensiune dintre U1 și U2. Această cădere de tensiune duce la
apari ția unui current prin R, și din moment ce curentul prin buclele de reacție ale celor două
amplificatoare este zero, curentul prin R trebuie să fie egal cu valoarea curentului prin cele două
rezistoare R din vecinătatea sa.
Ca și o concluzie referitoare la acestă configurație am putea spune că amplificatorul de
instrumentație cu 3 -op oferă un raport de rejecție de mod comun ridicat, libertate față de efectele
de sarcină rezistivă,impedanțe de intrare echilibrate si abilitatea de -a regla amplificarea cu
schimbarea unei singure valori de rezistență. [6][10]
4.2.2. Amplificator instrumental cu două amplificatoare operaționale
Avem posibilitatea de -a realiza caracteristicile unui amplificator instrumental folosind
doar două amplificatoare operationale, p recum în figura de mai jos :

Figura 4.4 Amplificator instrumental cu două A.O.

Tensiunea de la ieșirea primului AO:

𝑈01=(1+𝑅4
𝑅3)𝑈1 (8)

Capitolul 4
17
Tensiunea de la ieșire :

𝑈0= 1+𝑅2
𝑅1 𝑈2−𝑅2
𝑅1 𝑈01= 1+𝑅2
𝑅1 𝑈2−𝑅2
𝑅1(1+𝑅4
𝑅3)𝑈1 (9)

Dacă este respectată relația :

𝑅4
𝑅3=𝑅1
𝑅2 (10)

Avem:

𝑈0= 1+𝑅2
𝑅1 (𝑈2−𝑈1) (11)

Pentru obținerea unui amplificator instrumental cu amplificare reglabilă,se leagă un
potențiometru de rezistență R.Această soluție cu două amplificatoare operaționale este sugerată
atunci când frecvența semnalului de intrare este mică. [4]
Tensiunile de intrare:

𝑈1=𝑉𝐶𝑀+𝑉𝐷𝑀
2
𝑈2=𝑉𝐶𝑀+𝑉𝐷𝑀
2 (12)

Unde: VCM – tensiunea de intrare mod comun;
VDM – tensiunea de intrare diferențială;

Prin comparație cu soluția anterioară cu 3 amplificatoare operaționale,soluția cu 2
amplificatoare operaționale domeniul VCM va fi redus semnificativ când operează în
configurație cu amplificare redusă. [6]
4.3. Soluții abordate
În continuare voi prezenta caracteristicile celor două soluții tratate de mine în această
lucrare, precum și particularitățile integratelor LTC1043 și LT1056 de la Linear Technology.
Integrate folosite în alcătuirea acestor soluții.
4.3.1. Aplicație tipică a am plificatorului de instrumentație

Figura 4.5 Amplificator de instrumentație – aplicație tipică [7]

Proiect de diploma
18 4.3.1.1. Integratul LTC1043

Putem să observăm că în soluția prezentată în Figura 4.6 s -a folosit integratul LTC1043.
Acest integrat este fabricat de către Linear Technology iar în continuare v -om pre zenta
caracteristicile sale. Configurația pinilor se poate urmării în Figura 4.6 iar structura sa internă în
Figura 4.7.

Figura 4.6 Integratul LTC1043 [7]

Figura 4.7 Diagrama bloc a integratului [7]

După cum se poate observa în Figura 4.8 integratul LTC1043 are în componența sa un
oscilator intern a cărui frecvență poate fi modificată cu ajutorul unui capacitor extern, 𝐶𝑂𝑆𝐶. Acest
condensator se poate conecta intre pinii 16 și 17 ai integratului. Dacă pinul 16 este flotant,
capacitorul intern de 24pF setează frecvența oscilatorului în jurul valorii de 190kHz pentru o
alimentare de ± 5V. Atunci când LTC1043 , este utilizat cu frecvențe joase de tact, nu necesita
componente externe pentru a obține o precizie în funcțiile DC.

Figura 4.8 Oscilatorul intern [7]

𝑓𝑜𝑠𝑐=190𝑘𝐻𝑧∙24𝑝𝐹
24𝑝𝐹+ 𝐶𝑜𝑠𝑐 (13)

Unul dintre cele 8 comutatoare pe care le deține integratul LTC1043, poate fi configurat
ca și un circuit de bază eșantionare -și-memorare (Figura 4.10).

Figura 4.9 Circuit de eșantionare și memorare [7]

Capitolul 4
19 Un circuit de eșantionare și memorare (sample and hold) cunoaște doua moduri
fundamentale de funcționare determinate de valoarea semnalului logic prezent pe intrarea de
control :
 Eșantionare (sample) – în care circuitul achiziționează rapid semnalul de intrare,
reproducându -l fidel la ieșire. Semnalul de la ieșire urmărește semnalul de la
intrare.
 Memorare (hold) – care se realizează imediat ce semnalul de intrare își schimba
valoarea, circuitul oferind la ieșire valoarea pe care o avea semnalul de intrare în
mom entul tranziției comenzii din eșantionare în memorare.
Pentru a obține un circuit de S/H de calitate acesta trebuie să respecte următoarele
specificații :
 Capacitorul de memorare trebuie să se încarce și să ajungă la valoarea finală a
tensiunii cât se poate de repede
 În etapa de memorare variația în timp a tensiunilor trebuie să fie cât mai mică
posibil.
Un semnal este complet determinat prin reprezentarea sa fie în domeniul timp (formă de
undă), fie în domeniul frecvență (spectru). Eșantionarea este o metodă de reprezentare a
semnalelor analogice printr -o succesiune de valori (eșantioane), cosiderate la momente discrete
de timp. Pentru a ilustra eșantionarea se utilizează următoarele grafice:

Figura 4.10 Ilustrarea eșantionării

Semnalul analogic x(t) – Figura 4.10a se aplică unui comutator 𝑘𝑇 Figura 4.10b.
Comutatorul se închide la fiecare moment t = nT, n 𝜖 𝑁 revenind în poziția „deschis” după un
interval de timp infinit de mic. La ieșirea din comutator se obține semnalul eșantionat 𝑥𝑒 𝑡 =
{𝑥(𝑛𝑇)}, reprezentat în Figura 4.10c.
Eșantionarea trebuie să respecte teorema eșantionării (Shannon), conform căreia orice
semnal x(t), ce are o bandă de frecven ță limitată (banda nu este infinită) , este complet definit
prin eșantioanele sale {x(nT)}, dacă perioada de eșantionare, T, îndeplinește condiția Nyquist :

𝑇≤1
2𝑓𝑀

𝑓𝑒𝑠𝑎𝑛𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑟𝑒≤2𝑓𝑀

unde 𝑓𝑀 este frecvența maximă a semnalului eșantionat.
Concluzionând putem spune că circuitul de eșantionare și memorare este de fapt un
comutator analogic care la comanda de eșantionare preia valoarea instantanee a semnalului de la
intrare și o reține sub forma unei tensiuni de curent continuu memorată de o un capacitor. Prin
urmare o funcționare de tip S/H indică faptul că durata comenzii de eșantionare este foarte mică
comparativ cu timpul semnalului. [6] [23]
La folosirea unei intrări diferențiale convertorul din structura internă a integratorului,
rejectează semnalele de mod comun si menține tensiunea diferențială ( Figura 4.11).

Proiect de diploma
20
Figura 4.11 Convertor cu intrare
diferențială [7]

Figura 4.12 CMRR vs Frecvența de
eșantinare [7]

Spre deosebiere de alte tehnici CMRR LTC1043 nu descrește o dată cu creșterea tensiunii
de mod comun. În timpul eșantionării,impedanțele pinilor 2 și 3 respe ctiv 11 și 12 trebuie să fie
echilibrate, în caz contrar semnalele de mod comun v -or apărea diferențiale. Valoarea CMRR
depinde de valoarea condensatorului de sample and hold ( 𝐶𝑆𝐶𝐻) și de frecvența de
eșantionare(Figura 4.12).
Este necesar deoarece in practică circuitul nu este niciodată echilibrat perfect si o
tensiune de mod comun produce totdeauna o tensiune reziduală parazită care este mai mică dacă
dispozitivul este mai bine echilibrat. Raportul de rejecție a modului comun (CMRR) reprezintă
capacitatea unui amplificator diferențial de -a trata diferit semnalul diferențial fata de semnalul de
mod co mun (semnalul de interferență). Cu cât CMRR -ul unui amplificator de instrumentație
este mai mare cu atât se atenuează mai mult influența zgomotelor asupra semnalului de ieșire.

𝐶𝑀𝑅𝑅=𝑠𝑒𝑚𝑛𝑎𝑙𝑢𝑙 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑑 𝑐𝑜𝑚𝑢𝑛
𝑠𝑒𝑚𝑛𝑎𝑙𝑢𝑙 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛ț𝑖𝑎𝑙 (14)

CMRR se exprimă în decibel:

𝐶𝑀𝑅𝑅(𝑑𝑏)=20∗𝑙𝑔𝐶𝑀𝑅𝑅 (15)

4.3.1.2. Integratul LT1056

Deși în Figura 4.6 putem să observăm că s -a folosit integratul LT1013 din motive de
asemănare a specificațiilor am ales folosirea integratului LT1056, care este prezentat în
continuare :
Integratul LT1056 este un amplificator operațional care combină perfect precizia cu
viteza. Cu ajutorul său se poate obține pentru inceput un slew rate de 16V/ 𝜇𝑉 și un câștig de
6.5MHz. Câștigul produs de către lățimea de bandă este obținut simultan cu tensiuni tipice de
50𝜇𝑉,1.2 𝜇𝑉.
LT1055 și LT1056 sunt diferențiate prin curenții de operare. Datorită puterii mici disipate
LT1055 atinge curenți și tensiuni de offset. Puterea suplimentară disipată de LT1056 permite un
mai bun slew rate si o lățime de bandă mai mare.

Figura 4.13 Configurarea pinilor integratului LT1056 [9]

Capitolul 4
21 4.3.2. Amplificator de precizie în instrumentație

Figura 4.14 Amplificator de precizie în instrumentație [7]

În Figura 4.14 putem să observăm că ¼ din integratul LTC1043 prezentat anterior e ste
folosit sub forma unui chopper iar ¼ sub forma unui demodulator de fază.
4.3.2.1. Chopper

În electronică denumirea de chopper face referire la un dispozitiv de comutare care
convertește o intrare DC fixă într -o tensiune de ieșire variabilă. În principiu un chopper nu este
nimic altceva decât un comutator de viteză mare care conectează și deconectează sursa la rate
ridicate pentru a obține o tensiunea variabilă sau „tocată” la ieșire.
𝑉𝑜=𝑇𝑜𝑛 𝑇𝑜𝑛+𝑇𝑜𝑓𝑓 ∗𝑉𝑠 (16)

𝑇=𝑇𝑜𝑛+𝑇𝑜𝑓𝑓− 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑕𝑜𝑝𝑝𝑎𝑟𝑒 (17)

𝑓=1
𝑇 – 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑣𝑒𝑛ț𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑕𝑜𝑝𝑝𝑎𝑟𝑒 (18)

A=𝑇𝑜𝑛
𝑇− factor de umplere (19)

Figura 4.15 Formule de undă corespunzătoare curentului și tensiunii la ieșirea chopperului [11]

Tensiunea de încărcare poate fi controlată prin modificarea factorului de umplere A, iar
această tensiune este independentă de curentul de sarcină [11]

Figura 4.16 Formula de undă la ieșirea chopperului atunci când la intrare avem aplicat un sinus

Proiect de diploma
22 4.3.2.2. Demodulator de fază

După amplificarea tensiunii modulate (intr -un amplificator de curent alternativ) se pune
problema extragerii semnalului cvasicontinuu (modulator) amplificat,păstrând forma și
polaritatea inițială. Această operațiune este realizată de blocul demodulator.
4.3.2.2.1. Detectoare sensibile la fază cu comutator electromagnetic

Utilizarea comutatorului electromagnetic în construcția detectoarelor sensibile de fază
asigură nivelul minim de tensiuni si curenți de eroare,valorile tipice fiind sub 1 𝜇𝑉 și 1nA. Însă
frecvenț a de lucru limitată și necesitatea operațiilor de reglaj și întreținnenre relativ dese
constituie dezavantaje majore acestui tip de detector sensibil de fază .[15]

Figura 4.17 Schema de principiu a
detectorului sensibil la fază [15]
Figura 4.18 Formele de undă
corespunzătoare [15]

4.3.2.3. Aplicații ale amplificatoarelor opraționale

Amplificatorul operațional (AO) este un amplificator electronic de curent continuu,cu
câștig mare,realizat sub formă de circuit integrat, care am plifică diferența tensiunilor aplicate pe
cele două intrări și este capabil să realizeze o gamă largă de funcții liniare [13]
Regulilor de bază la analiza AO ideal :
R1: În intrările AO nu circulă curenți . Această este o consecință a impedanței de
intrare infinită.
R2.Tensiunile pe terminalele de intrare sunt egale 𝑽𝒊𝒏+=𝑽𝒊𝒏− . Aceasta este o
consecință a reacției negative în circuitele cu AO la care o parte d in tensiunea de ieșire este
aplicată direct sau indirect pe intrarea inversoare prin elemente ajutătoare.Pentru ca ieșirea AO
să fie la o valoare de tensiune finită(să nu ajungă la saturație) 𝑉𝑖𝑛+ trebuie să fie egal cu 𝑉𝑖𝑛− . AO
este un circuit acti v care își ajustează mereu valoarea tensiunii de ieșire până când 𝑉𝑖𝑛+ devine
egal 𝑉𝑖𝑛− pentru orice configurație de circuit (atât timp cât funcționează reacția negativă și AO nu
se saturează).
R3. Impedanța de ieșire a AO este zero . AO poate comanda orice sarcină. [12]
4.3.2.3.1. Amplificator operațional neinversor

Figura 4.19 Schema bloc a Amplificatorului
Operational neinversor
Figura 4.20 Funcționarea AO neinversoare

𝑉−=𝑅𝑎
𝑅𝑎+𝑅𝑏 (20)

Capitolul 4
23
𝑉𝐷=𝑉+−𝑉−=𝑉𝐼−𝑅𝑎
𝑅𝑎+𝑅𝑏𝑉𝑜 (21)

𝑉𝐼=𝑅𝑎
𝑅𝑎+𝑅𝑏𝑉𝑜 (22)

𝐴𝑣=𝑉𝑜
𝑉𝐼=𝑉𝑜
𝑅𝑎
𝑅𝑎+𝑅𝑏𝑉𝑜=1
𝑅𝑎
𝑅𝑎+𝑅𝑏=𝑅𝑎+𝑅𝑏
𝑅𝑎=1+𝑅𝑏
𝑅𝑎 (23)
4.3.2.3.2. Filtre cu amplificatoare operaționale

Filtrele active realizează aceleași funcții ca și filtrele cu elemente pasive – dar sunt
capabile să asigure o amplificare de putere supraunitară și acoperă un domeniu de frecvențe mult
mai larg,in special spre frecvențe joase (fără a necesita bobine sau condensatoare de dimensiuni
foarte mari). [12]

Figura 4.21 Filtru activ trece sus cu amplificator operațional [12]

Realizarea filtrelor active cu amplificatoare operaționale prezintă și avantajul unei mai
bune independențe a caracteristicii de transfer.
Amplificatorul operațional descris in Figura 4.19 unde am arătat că amplificarea de
tensiune 𝐴𝑣 este dependentă de cele două rezistențe din rețeaua de reacție, 𝑅𝑎 ș𝑖 𝑅𝑏 , poate fi
echivalat cu cel din figura 4.20 pentru notația 𝐴𝑣=𝑘.

Unde:

𝑘=1+𝑅𝑎
𝑅𝑏 (24)

impedanța de intrare, 𝑍𝑖→ foarte mare
impedanța de ieșire, 𝑍0→ foarte mică

În acest fel, impedanța de intrare și impedanța de
ieșire nu vor afecta circuitele de reacție selective conectate la ieșirea și la intrarea
amplificatorului.
Funcția de t ransfer a unui filtru trece sus având numitorul un polinom de gradul 2 este :

Figura 4.22 Schema bloc a unui
AO

Proiect de diploma
24 𝐻(𝑠)=𝑘𝑠2
𝑠2+∝𝑤0𝑠+𝑤02 (25)

în care :
– k este amplificarea în bandă,la frecvențe înalte
– 𝑤0 este frecvența caracteristică a filtrului
– ∝ este coeficientul de amortizare a filtrului

Variația modulului funcției de transfer, pentru un regim sinusoidal permanent,la scară
dublu logaritmică, este reprezentată în figura 4.21 pentru mai multe valori ale factorului
deamortizare.
Amplificare de tensiune la frevența caracteristică:

𝐻 𝑗𝑤0 =𝑘
∝ (26)

Figura 4.23 Modelul funcției de transfer pentru diferite valori ale factorului de amortizare
[12]

Din Figura 4.23 se observă că,pentru ∝<1,se obțin caracteristici de frecvență cu
supracreșteri în bandă,dar cu o scădere mai pronunțată a amplificării pentru 𝑤>𝑤0.Pentru
∝→0, amplificarea de tensiune la frecvența caracteristică tinde spre infinit .[12]
4.3.2.3.3. Integrator cu amplificator operațional

Figura 4.24 Schem a circuitului de integrare cu AO [16]

Conform regulei R2 prezentate anterior în capitolul 4.3.2.3 putem deduce curentul de
intrare ca f iind :

𝑖=𝑉𝑖𝑛
𝑅 (27)

Având în vedere R1, curentul i circulă prin condensator :

𝑖=𝑖𝑐=−𝐶𝑑𝑣0
𝑑𝑡 (28)

Capitolul 5
25
Se obține :

𝑣𝑜=−1
𝑅𝐶 𝑣𝑖𝑛𝑑𝑡+𝑣0(0)𝑡
0 (29)

unde 𝑣0(0)-este valoarea inițială a tensiunii de ieșire

Circuitul va integra doar în domeniul 𝑓>𝑓0 :

𝑓>𝑓0=1
2𝜋𝑅𝑓𝐶 (30)

Ca și o concluzie putem spune că circuitul de integrare are comportare de “filtru trece jos
cu amplificare”. [16]
Având în vedere că în componența amplificatorului de precizie în instrumentație avem
atât un amplificator în AC cât si unul în DC dorim să evidențiem diferențele dintre acestea :

 Amplificatoarele de semnal electronice vin în două tipuri de bază : cele care pot
amplifica o tensiune constantă (DC) și cele care pot sa lucreze cu frecvențe mai
mari (AC).
 Amplif icatoarele AC resping zgomotul mult mai ușor,în timp ce amplificatoarele
DC au un răspuns de frecvență joasă mai bun.

Această configurație a amplificatorului de instrumentație este folosită în practică pentru
amplitudini foarte mici a semnalelor, de ordinul 𝜇V.

Proiect de diploma
26 5. Implementarea soluției adoptat e
În acest capitol o să urmăresc:
 Configurarea și testarea integratului folosit
 Dimensionarea soluțiilor adoptate prezentate anterior în Figura 4.5 respectiv
Figura 4.14
5.1. Configurarea și testarea integratului LTC1043
Precum putem deja să observăm din studiul teoretic realizat, în componența soluțiilor
adoptate intră integratul LTC1043( Figura 4.7), cele 8 comutatoare pe care le deține integratul
LTC1043, pot avea atribuții diferite:
 Oscilator intern Figura 4.8
 Eșantionare și memorare (sample and hold) Figura 4.9
 Rejecție de mod comun Figura 4.11
 Chopper – capitolul 4.3.2.1
 Demodulator de fază – capitolul 4.3.2.2.1
5.1.1. Configurarea frecvenței de oscilație
Una dintre preocup ările principale în folosirea acestui integrat presupune configurarea
frecvenței de oscilație, frecvență care stă la baza realizării tuturor operațiilor. Această frecvență
poate fi modificată cu ajutorul unui capacitor extern, 𝐶𝑂𝑆𝐶.
Având în vedere că amplitudinea semnalelor corespunzătoare unui EKG se situează în
jurul valorii de 1mV, adică o valoare foarte mică, frecvența de procesare trebuie sa fie suficient
de mare, cel puțin de 1kHz.
Pornind de la această premiză am stabilit ca 𝑓𝑜𝑠𝑐=1𝑘𝐻𝑧 , conform relației :

𝑓𝑜𝑠𝑐=190𝑘𝐻𝑧∙24𝑝𝐹
24𝑝𝐹+ 𝐶𝑜𝑠𝑐 (31)

Rezultă:

1∙103𝐻𝑧=190∙103𝐻𝑧∙24∙10−12𝐹
24∙10−12𝐹+ 𝐶𝑜𝑠𝑐 (32)

103𝐻𝑧=190∙103𝐻𝑧∙24∙10−12𝐹
24∙10−12𝐹+ 𝐶𝑜𝑠𝑐 (33)

103=4536∙10−9𝐹
24∙10−12𝐹+ 𝐶𝑜𝑠𝑐 (34)

Capitolul 5
27 24∙10−9𝐹∙𝐶𝑜𝑠𝑐∙103=4536∙10−9𝐹 (35)

𝐶𝑜𝑠𝑐=4536∙10−9𝐹−24∙10−9𝐹
103 =4536∙10−6𝐹=4,536∙10−9𝐹=4,536 𝑛𝐹 (36)

Conform valorilor standardizate ale condensatoarelor am ales ceea mai apropiată valoare
de ceea calculată, prin urmare 𝐶𝑜𝑠𝑐=4.7𝑛𝐹
Pentru a realiza un suport acestor calcule am efectuat următoarea simulare, având ca și
circuit de test cel prezentat în Figura 4.8 Oscilatorul intern [7] Figura 4.8:

Figura 5.1Circuit de test frecvenței de oscilație

Iar rezultatul simulării este prezentat în următoarea figură :

Figura 5.2 Simularea frecvenței de oscilație

Proiect de diploma
28 5.1.2. Alegerea condensatorilor de eșantionare și memorare
Alegerea condensatorilor specifici circuitului de eșantionare și memorare sunt în
corespondență cu rejecți a de mod comun a unui amplificator de instrumentație. Valoarea
CMRR depinde de valoarea condensatorului de sample and hold ( 𝐶𝑆𝐶𝐻) și de frecvența de
oscilație.
Ținând cont că semnalul EKG are o amplitudine mică acesta este predispus a fi
afectat de zgomot. Cu cât CMRR -ul unui amplificator de instrumentație este mai mare cu atât
se atenuează mai mult influența zgomotelor asupra semnalului de ieșire.
În funcție de aceste condiții am obținut următoarele premise necesare pentru alegerea
𝐶𝑆𝐶𝐻 :
 Frecvența de oscilație stabilită mai sus, ca fiind 𝑓𝑜𝑠𝑐=1𝑘𝐻𝑧 ;
 Necesitatea unui CMRR a cărui val oare să fie cuprinsă între 100dB -120dB ,
cât mai mare pentru a putea a tenua zgomotele .
Având în vedere aceste premise precum și graficul dependenței CMRR -𝑓𝑜𝑠𝑐-𝐶𝑆𝐶𝐻,
grafic prezentat în figura de mai jos am ales 𝐶𝑆=𝐶𝐻=1𝜇𝐹.

Figura 5.3 Dependența dintre CMRR( dB) și frecvența de oscilație [7]

Funcționarea condensatoarelor de sample and hold se poate urmării în simularea din Figura 5.4

Figura 5.4 Simulare sample and hold

Capitolul 5
29 5.1.3. Testarea rejecției de mod comun
În continuare o să prezint simularea rejecției de mod comun în fun cție de valorile
condensatoarelor 𝐶𝑆𝐶𝐻 , 𝐶𝑜𝑠𝑐 și 𝑓𝑜𝑠𝑐 deja stabilite .
Relația corespunzătoare CMRR -ului :

𝐶𝑀𝑅𝑅 𝑑𝐵 =20lg⁡(𝑉𝐶𝑀
𝑉𝑜𝑢𝑡) (37)

Unde: 𝑉𝐶𝑀 – tensiunea de mod comun
𝑉𝑜𝑢𝑡 – tensiunea de ieșire

Ca și circuit de test a fost folosit cel din figura următoare:

Figura 5.5 Circuit de test CMRR

rezultatul simulării:

Figura 5.6 Simulare CMRR

În această simulare putem să observăm anularea tensiunii de mod comun ( 𝑉𝐶𝑀=3𝑉), și
obținerea unei tensiuni de ieșire, 𝑉𝑜𝑢𝑡=74,47 𝜇𝑉.

Proiect de diploma
30 Având în vedere relația corespunzătoare CMRR -ului obținem :

𝐶𝑀𝑅𝑅=20∙log 3𝑉
74,47𝜇𝑉 =20∙𝑙𝑜𝑔 3∙106𝑉
74,47𝑉 =20∙𝑙𝑜𝑔 40284 ,678
=20∙4,6051 =92,10𝑑𝐵 (38)

Ca și o concluzie putem să observăm că deși specificațiile teoretice susțin că CMRR -ul ar
trebui să se situeze în intervalul 100dB -120dB , în raport cu valorile stabilite pentru 𝐶𝑆 𝐶𝐻, 𝐶𝑜𝑠𝑐,
𝑓𝑜𝑠𝑐, simulările arată că acesta poate atinge maxim 92,10𝑑𝐵.
5.2. Dimensionarea soluț iei adoptate
5.2.1. Aplicație tipică a amplificatorului de instrumentație
Având în vedere tema tratată în această lucrare: ”Amplificatoare de instrumetație cu
eșantionare și memorare in monitorizarea biopotențialelor” , mai exact EKG trebuie să fim atenți
la două aspecte foarte importante:
 Convertirea semnalului diferențial dat de pacient într -un semnal singular.
 Amplificarea acestuia astfel încât rezultatul să poată fi ușor interpret abil de către
medici.

Pe baza acestor aspecte o aplicație posibilă a amplificatorului de instrumentație în
abordarea a cestei probleme are următoarele blocuri prezentate în Figura 5.7.

Convertor
cu intrare
diferential a
si iesire
singular aAmplificator
DCIntrare diferentiala
o
u
t
p
u
t

Figura 5.7 Schema bloc a amplificatorului de instrumentație

Primul bloc realizează convertirea intrării diferențiale într -o ieșire singulară precum și
rejectarea semnalului de mod comun. Semnal care introduce o tensiune reziduală parazită,
urmând ca semnalul util să fie afectat puternic de zgomot. Precum am arătat în capitolele
anterioar e acesta face parte din structura internă a integratului LTC1043 Figura 4.11 , iar
configurarea și testarea sa fiind tratată în subcapitolul 5.1.3 .
Pentru a exemplifica funcționalitatea acestui bloc am realizat următoarea simulare, având
ca circuit de testare cel din Figura 5.8

Capitolul 5
31
Figura 5.8 Schemă test pentru converto r cu intrare diferențială și ieș ire singulară

Rezultatul simulării:

Figura 5.9 Simulare convertor cu intrare diferențială și ieșire singulară

În figura de mai sus V vin reprezintă semnalul de intrare, care prin intermediul
circuitului poziționat în partea stângă sus din Figura 5.8 este transformat într -un semnal
diferențial: V vip – corespunzător intrării pe plus a convertorului respectiv V vim –
corespunzător intrării pe minus a convertorului.
Observăm că la ieșirea convertorului avem un semnal singular V out , egal cu semnalul
de intrare inițial V vin .
Pentru al doilea bloc corespunzător funcției de amplificare a semnalului am ales să
implementez un circuit de integrare care are comportarea de “filtru trece jo s cu amplificare ”
prezentat în 4.3.2.3.3 . Pentru amplificare se folosește un amplificator neinversor cu reacție
negativă cel prezentat în Figura 5.10.

Proiect de diploma
32
Figura 5.10 Circuit de testare – amplificarea semnalului

Fiind vorba despre un amplificator neinversor, amplificarea este dată de relația :

𝐴𝑣=1+𝑅2
𝑅1 (39)

Dacă dorim să obținem o amplificare de aproximativ 100, o soluție posibilă pentru cele
două rezistențe este:

𝑅2=1000𝑘

𝑅1=10𝑘

Deoarece știm că banda de frecvență pentru EKG este cuprinsă între 0.05,150 𝐻𝑧
circuit ul va integra în domeniul 𝑓>𝑓𝑜 , unde 𝑓0=150𝐻𝑧, deoarece doar acolo 𝑅2 nu contează
fiind șuntată de reactanța condensatorului C , astfel prin alegerea unui condensator de valoare
mică (de ordinul nF), acesta n u o să afecteze amplificarea necesară.

𝑓0=1
2𝜋𝑅2𝐶1 (40)

150𝐻𝑧=1
2𝜋∙1000∙103∙𝐶1 (41)

𝐶1=1
150∙2𝜋∙1000∙103𝐹=1.0 ∙10−9𝐹=1𝑛𝐹 (42)

Ca urmare acestui fapt alegem 𝐶1=1nF.

Schema de test corespunzătoare blocului al doilea este prezentată în Figura 5.10, iar rezultatul
simulării în figura de mai jos:

Capitolul 5
33
Figura 5.11 Simularea amplificării

În această figură putem să observăm amplificarea tensiunii de ieșire 𝑉𝑜𝑢𝑡 având
amplitudine ≈1V , în raport cu tensiunea de intrare 𝑉𝑣𝑖𝑛 având amplitudine ≈10mV .
În urma dimensionărilor realizate, obținem următoarea soluție posibilă pentru un
ampl ificator de instrumentație folosit în măsurarea unui EKG.

Figura 5.12 Schema electrică amplificator de instrumentație tipic cu LTC1043
5.2.2. Amplificator de precizie în instrumentație
Pornind de la studiul reali zat și prezentat în Capitolul 4: Fundamentarea teoretică cu
privire la amplificatorul de precizie în instrume ntație, am descoperit că acesta este proiectat
pentru a fi utilizat la amplificarea unor semnale cu amplitudinea s ituată în jurul 𝜇𝑉.
Dacă în subcapitolul anterior am prezentat proiectarea si implementarea unui amplificator
de istrumentație a carui amplificare se realizeaza in curent continuu, pe baza amplificatorului de
precizie în instrumentație am proiectat o a d oua posibilitate de implementare a unui amplificator
de instrumentație , a carui schema bloc este prezentat ă în figura de mai jos.

Proiect de diploma
34
Convertor
cu intrare
diferențială
si ieșire
singularăCHOPPERAmplificator
ACDemodulator
de fazăIntrare diferentiala
o
u
t
p
u
tIntegrator Inversor
Figura 5.13 Schema bloc a amplificatorului de precizie în instrumentație

Pe baza acestei scheme bloc am realizat schema electrică prezentată în figura următoare:

Figura 5.14 Schema electrică a amplificatorului de pr ecizie în instrumentație

Pentru im plemetarea acestei scheme am utilizat integratul LTC1043 precum în soluția
abordată anterior , prin urmare configurarea convertorului este exemplificată în Figura 5.8.
Modul de funcționare a unui chopper electronic este arătat în subcapilol 4.3.2.1 iar în
urma simul ării am obținut la ieșirea sa următorul semnal :

Figura 5.15 Semnalul de intrare chopat

Capitolul 5
35 După cum se poate vedea in figura de mai sus, frecvența de funcționare a chopper -ului
este identică cu frecvența de oscilație, deci in concluzie alegând frecvența de oscilație se alege
frecvența de funcționare pentru toate submodulele interne ale acestui integrat.
Din schema bloc prezentată mai sus se poate vedea că ieșirea chopper -ului este intrare
pentru amplificatoru l AC.
Pentru implementarea acestui amplificator s -a folosit solutia de amplificator inversor cu
factorul de amplificare 100.
Pornind de la ecuația (39) alegând 𝑅4=1000𝑘 și 𝐴𝑣=100 rezultă:

100 =1000𝑘
𝑅6 =>𝑅6=10𝑘 (43)

Rezultatul simulării:

Figura 5.16 Amplificare AC cu raport de 100

Acest semnal amplificat V(amp) are frecvența de 1 kHz, de aceea se va folosi un
integrator pentru a integra acest semnal, transformându -l într -un semnal continuu. Din pacate
prin integrarea acestui semnal se va pierde din amplitudine si va rezulta un semnal inversat.
Acest lucru se poate vedea in Figura de mai jos.

Proiect de diploma
36
Figura 5.17 Funcționarea integratorului in simulare

Deoarece integratorul introduce o întârziere și inversare a a semnalului este nevoie ca
ultimul bloc să readucă semnalul la forma inițială fără a realiza o amplificare a acestuia, motiv
pentru care alegem ra portul rezistențelor egal cu 1, asfel

𝑅8=𝑅9=100𝑘

Ca și implementare practică am ales sa realizez un PCB care sa contină cele două
amplificatoare. Schematicul si layout -ul au fost realizate folosind EAGLE 6.2.0.
Intreg circuitul a fost împărțit in 4 subcircuite:
 INPUT/OUTPUT CIRCUIT – reprezintă partea comună a celor două soluții –
Figura 5.8 Schemă test pentru converto r cu intrare diferențială și ieș ire singulară
și integratul LTC1043 . Această implementare se poate vedea in figura următoare:

Capitolul 5
37
Figura 5.18 Circuitul de intrare/iesire

 CONFIG CIRCUIT – care este compus dintr -un switch utilizat pentru a comuta
de pe un circuit pe altul, prezentat in figura de mai jos:

Figura 5.19 Circuitul de configurare

 CIRCUIT 1: reprezintă implementare in Eagle a soluției prezentate în Figura 5.12
Schema electrică amplificator de instrumentație tipic cu LTC1043

Figura 5.20 Implementarea primei soluții

 CIRCUIT 2 – reprezintă Figura 5.14 Schema electrică a amplificatorului de
precizie în instrumentație

Proiect de diploma
38
Figura 5.21 Implementarea celei de -a doua soluții

In scopul realizării fizice a PCB -ului s -au realizat 3 versiuni de layout, deoarece s -au
gasit diferite imbunătățiri, cum ar fi: grosimea liniilor, schimbarea tipului de condensator folosit
în esantionare precum si introducerea inversorului. Toate acestea pot fi vazută in Anexă, mai jos
prezentând doar ultima versiune de layout:

Figura 5.22 Primul strat al circuitului

Capitolul 5
39
Figura 5.23 Al doilea strat al circuitului

Pașii de realizare a cablajului sunt prezentați în capitolul următor.

Proiect de diploma
40 6. Rezultate experimentale
În acest capitol o să prezint rezultatelor experimentale obținute în următoarea ordine:
1. Simulările finale ale soluțiilor abordate;
2. Realizarea părții hardware;
3. Testarea plăcuței;

1. Utilizând ca și schemă electrică de test a amplificatorului de instrumentație tipic cu
LTC1043 ceea din Figura 5.12 obținem următorul rezultat al simulării având pe intrare
un semnal de amplitudinea 1 mV, corespunzător domeniului EKG

Figura 6.1 Simulare amp lificator de instrumentație tipic

În figura prezentată se observă amplificarea tensiunii de ieșire raportată tensiunii de
intrare. Amplificare cu un raport de 100 conform rezistențelor calculate anterior.
În Figura 6.2 putem să observăm simularea întregului circuit corespunzător
amplificatorului de precizie în instrumentație având ca circuit de test Figura 5.14

Figura 6.2 Simulare amplificator de instrumetație cu precizie

2. Pentru realizarea părții hardware – s-a optat pentru PCB utilizând radiații ultraviolete

Capitolul 6
41 (placă cu circuite imprim ate) sprijină mecanic piese electronice care sunt conectate
electric cu ajutorul căilor conductoare, urme de gravat din foi de cupru care sunt
laminate pe un substrat non -conductive.

Figura 6.3 Realizare PCB

Pentru realizarea PCB -ului s -a folosit metoda de expunere la ultraviolete si s -a desfașurat
după cum urmează:
– S-a folosit o placută foto sensibilă
– Expunerea la neoane UV aproximativ 6 minute ( imaginea din partea de sus
prezentată în Figura 6.3)
– Developarea folosindu -se sodă caustică (stânga jos din Figura 6.3)
– Corodarea folosindu -se clorură ferică (dreapta jos din Figura 6.3)

Figura 6.4 Lipirea componentelor

Proiect de diploma
42 3. Testarea plăcuței

Pentru testarea implementării practice s -au folosit:

– Laptop – pe care ruleaza tool -ul WaveForms de la Digilent folosit pentru a
controla si afișa semnalele captate de către dispozitivul Analog Discovery
– Dispozitivul ”Analog Discovery” dezvoltat de Digilent si are implementate
mai multe funcționalități: surse de tensiune (+5V, -5V), generatoare de semnal
de diferite forme, osciloscop precum și intrări/ ieșiri digitale.
– Amplific atorul de instrumentație dezvoltat
– Electrozi din polimer de unică folosință

Figura 6.5 Testarea plăcuței

Sau realizat următoarele conexiuni

– conectarea dispozitivului „Analog discovery ” laptopului , prin intermediul
USB
– aliment area circuitului cu 5V prin sursa de tensiune din interiorul plăcuței
Analog discovery (fir roșu +5V, fir alb -5V)
– stabilirea canalelor pentru osciloscop (fir portocaliu = canalul1 ,
portocaliu+ alb = masa, fir albastru = canalul 2, albastru+ alb = masa ),
configurare canal 1 → out(fir portocaliu)

Capitolul 6
43 – stabilire GND – fir negru
– conectare intrare – V+/ V – (electrozi)

Proiect de diploma
44 7. Concluzii
Pornind de la caracteristicile impulsului generat de activitatea electrică a inimii ,
această lucrare a propus și realizat două soluții în preluarea și amplificarea acestor semnale.
Studiului realizat în capitolul 4, subcapitolul 4.2 Soluții studiate pentru amplificatoare de
instrumentație și subcapitolul 4.3 Soluții abordate , a condus la amplificatoare de
instrumentație cu eșantionare și memorare ca fiind ceea mai bună soluție de abordat. În urma
simulărilor realizate în capitolul 5 Implementarea soluției adoptat e și capitolul 6 Rezultate
experimentale s-a constatat o bună funcționare a acestora.
În încheiere, putem spune că folosirea unui amplificator de instrumentație cu
eșantionare și memorare poate conduce spre noi posibilități în implementar ea practică a unui
electrocardiograf.

Bibliografie
45
8. Bibliografie
[1] Ed. Joseph and D.Bronzino, The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition , Ed.
Joseph D. Bronzino Boca Raton: CRC Press LLC, 2000
[2] http://www.umfiasi.ro/masterate/Suporturi%20de%20curs/Facultatea%20de%20Bioingin erie
/Curs%20Electronica%20Medicala,%20an%20IV/CURS_Amplif_Instrumentatie_1_prez.pdf
[3] http://www.unibuc.ro/studies/Doctorate2012Ianuarie/Donos%20Cristian%20 –
%20Prelucrarea%20semnalelor%20bioelectrice/Rezumat%20Prelucrarea%20semnalelor%20
bioelectrice.pdf
[4] http://www.m eo.etc.upt.ro/materii/cursuri/PSB/2.pdf
[5] http://www.etti.tuiasi.ro/dce/data/curs%2012%20Amplificatoare%20diferentiale%20si%20in
%20punt e%20cu%20AO.doc
[6] http://www.electronica -azi.ro/print.php?id=7893
[7] http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1043fa.pdf
[8] http://wiki.dcae.pub.ro/images/b/bc/Sh.pdf
[9] http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/10556fc.pdf
[10] https://www.scribd.com/doc/55944362/Amplificatorul -de-Instrumentatie
[11] http://www.circuitstoday.com/choppers -an-introduction
[12] http://swarm.cs.pub.ro/~ioprea/eea/eea –
laboratoare2010/7%20Filtre%20Active%20cu%20Amplificatoare%20Operational e.pdf
[13] http://vega.unitbv.ro/~pana/cia.c/Capitolul%202.pdf
[14] http://www.bel.utcluj.ro/dce/didactic/de/12_AO_ampli ficatoare.pdf
[15] http://ep.etc.tuiasi.ro/site/Aparate%20Electrice%20de%20Masura%20si%20Control/prelege
ri_de_curs/pdf/P relegerea%2012%20AEMC.pdf
[16] https://mail.uaic.ro/~ftufescu/Amplificatoare%20operationale.pdf
[17] http://cadredidactice.ub.ro/crinelraveica/files/2011/10/inginerie -biomedicala11.pdf
[18] http://www.agir.ro/buletine/898.pdf
[19] http://www.sfatulmedicului.ro/Tulburari -de-ritm-si-conducere/tulburari -de-ritm-cardiac –
aritmii -cardiace_150
[20] http://www.unibuc.ro/studies/Doctorate2012Decembrie/CIOFALCA%20STANESCU%20
MARIANA%2 0MIRELA%20 –
%20Abordarea%20interdisciplinara%20a%20semnalelor%20bioelectrice/Rezumat.Stanescu.
Mirela.pdf
[21] http://fiziologie.umft.ro/ro/CV4.PDF
[22] http://hyperphysics.phy -astr.gsu.edu/hbase/biology/ecg.html#c2
[23] http://www.afahc.ro/ro/facul tate/cursuri/ccg/Cristi –
Managementul%20spectrului%20electromagnetic/C08%20 –
%20Teorema%20esantionarii.pdf
[24] http://inginerie.ulbsibiu.ro/cat.iee/mat/sad.pdf
[25]