Laboratorio di Progettazione Elettronica
Esercitazione 2
In questa esercitazione ci occuperemo di progettare uno strumento capace di rilevare il battito
cardiaco basandoci su una tecnica nota come fotopletismografia. Il principio di funzionamento si
basa sul fatto che il flusso del sangue altera la quantità di luce che può passare attraverso il corpo.
Tipicamente si utilizza un diodo che emette luce nel rosso
o nell’infrarosso, su una superficie di un dito, e sulla parte
opposta viene collocato un fotodiodo che rileva la luce
emessa dal diodo e che ha attraversato il dito (Figura 1). Il
fotodiodo genera una corrente proporzionale alla luce
che ha ricevuto, tale corrente una volta elaborata fornisce
delle informazioni sul battito cardiaco proprio perché la
variazione del flusso di sangue nelle arterie presenti nel
dito modula la luce emessa dal diodo. La corrente rilevata
avrà quindi una componente continua (DC) data da tutti i
contributi che restano invariati durante l’esperimento:
contributi relativi alla pelle, all’osso ai tessuti e da una componente alternata (AC) dovuta al flusso
di sangue, che variando nel tempo a seguito di ogni battito cardiaco, modifica la componente di
luce che viene rilevata dal fotorecettore.
Figura 1: fotopletismografo
In questa esercitazione prenderemo come ingresso la corrente del fotodiodo (la simuleremo con
un generatore di corrente ideale) e progetteremo un circuito per convertirla in tensione,
amplificarla e filtrarla.
Il circuito che realizzeremo si compone di due stadi:
Un convertitore corrente-tensione: prende in ingresso la corrente rilevata dal fotodiodo e
la trasforma in una tensione elettrica
Un filtro con guadagno: amplifica la tensione fornita dal convertitore I-V e il filtro fa
passare solo le frequenze utili per il segnale di interesse.
Esercizio 1: Progettare un convertitore corrente-tensione utilizzando
l’amplificatore operazionale commerciale della Texas Instruments
OPA2137 con un’alimentazione single supply a 5 V.
a) Disegnare su ORCAD Capture lo schematico come indicato in Figura 2
Figura 2
b) Dimensionare R1 in modo tale che la tensione di uscita sia V=10 5I
c) Simulare il comportamento del convertitore I-V nel tempo utilizzando come ingresso una
corrente sinusoidale con frequenza pari a 1Hz (l’equivalente di 60 battiti al minuto circa) e
ampiezza pari a 20 nA.
Esercizio 2: Progettare un filtro passa banda utilizzando l’amplificatore
operazionale commerciale della Texas Instruments OPA2137 con
un’alimentazione single supply a 5 V.
a) Disegnare su ORCAD Capture lo schematico come indicato in Figura 3
Figura 3
b) Calcolare la funzione di trasferimento del filtro
𝑉𝑜𝑢𝑡 (𝑠)
𝑉𝑖𝑛 (𝑠)
e individuare i poli
c) In base al calcolo effettuato al punto b, dimensionare R1, C1, R2 e C2 per avere le seguenti
frequenze di taglio del filtro: fhp=0.8Hz e flp=3.5Hz
d) Effettuare un’analisi in AC per verificare che la risposta in frequenza sia quella desiderata
e) Effettuare un’analisi in transitorio usando come ingresso un generatore di tensione sinusoidale con
ampiezza pari a 2 mV e frequenza pari a 1 Hz
Esercizio 3: Mettere insieme gli stadi progettati negli esercizi 1 e 2.
a) Disegnare lo schematico complessivo mettendo in cascata i due stadi
b) Effettuare un’analisi in transitorio per verificare che l’andamento dei segnali sia quello desiderato
c) Variare l’ampiezza della corrente di ingresso per verificare per che livelli di corrente l’uscita del
secondo stadio inizia a saturare
d) Variare la frequenza della corrente di ingresso per verificare l’azione filtrante del secondo stadio.
