簡易心電圖儀設計.doc

1、電子綜合實踐設計報告中文題目 簡易心電圖儀設計學 號：姓 名：指導老師:完成時間：摘 要心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段。心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關鍵部件。人體心電信號的主要頻率范圍為0。05Hz100Hz，幅度約為04mV，信號十分微弱。由于心電信號中通常混雜有其它生物電信號，加之體外以50Hz工頻干擾為主的電磁場的干擾,使得心電噪聲背景較強，測量條件比較復雜。為了不失真地檢出有臨床價值的干凈心電信號，往往要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強抗干擾能力等性能.本設計利用集成儀表放大器AD620和濾波電路設計了一種符合上述要求的簡易心電圖儀。關鍵詞

2、：心電圖 干擾 AD620 濾波 AbstractElectrocardiogram is commonly used in clinical disease diagnosis of auxiliary means。 Ecg data acquisition system is electrocardiogram checking of the key components. The main body ecg signal frequency range is 0。05 Hz 100Hz， amplitude is approximately 0 4mV, signal is very w

3、eak。 Because electrocardiosignal usually mingled with other biological signals， coupled with the in vitro in 50Hz power frequency interference of electromagnetic interference, mainly making ecg noise background stronger, measuring conditions are complex. In order not to distortion to detected with c

4、linical value of ecg signal, clean often ask ecg data acquisition system with high stability， high input impedance, high common mode rejection ratio, low noise and strong antijamming ability, such as performance. This design using integrated instrumentation amplifier AD620 and filter circuit design

5、a kind of to satisfy the abovementioned requirements of simple ecg apparatus。本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途Keywords： electrocardiogram interference AD620 filtering 目 錄摘 要2Abstract3目 錄41、設計要求52、方案設計62.1理論分析及芯片選用依據(jù)62.2設計方案論證62。2.1輸入回路噪聲抑制設計62.2。2 前置放大模塊72.2。3 濾波網(wǎng)絡模塊73、系統(tǒng)實現(xiàn)83。1主要單元電路設計83。1。1前置放大模塊及

6、右腿驅動電路83。1.2 主放大器電路93.1.3 濾波電路103.2低噪聲穩(wěn)壓電源的設計113。3系統(tǒng)硬件接線原理圖12總 結12參考文獻13附 錄14 1、設計要求設計制作一個簡易心電圖儀，可以測量人體心電信號并在示波器上顯示出來.示意圖如圖1所示.圖1 簡易心電圖儀示意圖導聯(lián)電極說明：RA右臂;LA左臂；LL-左腿；RL-右腿。第一路心電信號,即標準I導聯(lián)的電極接法:RA接放大器反相輸入端(），LA接放大器同相輸入端()，RL作為參考電極，接心電放大器參考點。第二路心電信號，即標準導聯(lián)的電極接法：RA接放大器反相輸入端(），LL接放大器同相輸入端（），RL作為參考電極，接心電放大器參考點

7、。RA、LA、LL和RL的皮膚接觸電極分別通過1。5m長的屏蔽導聯(lián)線與心電信號放大器連接. 基本要求及技術指標如下：1)電壓放大倍數(shù)1000，誤差+5；2）3dB低頻截止頻率0。05Hz，（可不測試，由電路設計予以保證）；3）3dB高頻截止頻率100Hz，誤差±10Hz；4）頻帶內(nèi)響應波動在±3dB之內(nèi)；5)共模抑制比>60dB（含1。5m長的屏蔽導聯(lián)線，共模輸入電壓范圍為±7.5v）；6）差模輸入電阻5M（可不測試，由電路設計予以保證）；7）輸出電壓動態(tài)范圍大于±10V;8）設計并制作心電放大器所用的直流穩(wěn)壓電源,直流穩(wěn)壓電源輸出交流噪聲

8、7;3mV。2、方案設計2.1理論分析及芯片選用依據(jù)人體心臟工作產(chǎn)生的生物電流在身體表面不同部位產(chǎn)生不同電勢，并且隨心 跳的節(jié)律呈現(xiàn)規(guī)律性的升降變化，通過電極將變化著的電位差檢測并記錄下來就 是心電圖（ECG)。心電信號是一種帶寬為 0.05Hz 至 100Hz（有時高達 1kHz)， 幅度在 10µV5mv 的微弱交流信號，并且混雜有人體生物電干擾以及各種外部電 磁干擾。如何從環(huán)境噪聲中提取微弱的心電信號是設計的難點和要點。低成本低功耗便攜式簡易心電圖儀是本設計的最大考量.它順應了保健電子 產(chǎn)品設計的發(fā)展趨勢。系統(tǒng)采用低噪聲穩(wěn)壓電源供電,能采集標準導聯(lián)方式 I 或 II 心電 信號

9、，通過放大、濾波得到模擬心電信號。本系統(tǒng)主要需要以下幾種功能的芯片：儀用放大器、通用運算放大器，.為此，在選擇用于本系統(tǒng)的集成芯片（IC）時, 低功耗、小尺寸、高精度、性能穩(wěn)定的芯片就是選用的目標。其中，AD620是低成本、高精度儀表放大器,僅需要一個外部電阻設置增益，增益范圍為1至10,000。此外,AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立電路設計，并且功耗更低(最大工作電流僅1。3mA）.AD620具有高精度、低失調電壓和低失調漂移特性,低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性,使之非常適合心電圖（ECG）和無創(chuàng)血壓監(jiān)測儀等醫(yī)療應用.文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡文檔為個人收集整理

10、,來源于網(wǎng)絡2.2設計方案論證分析可知，簡易心電圖儀系統(tǒng)主要包括輸入回路、前置放大模塊、后級放大 模塊、濾波網(wǎng)絡模塊以及存儲回放等模塊。設計重點在于前置放大模塊，和濾波 網(wǎng)絡模塊.方案論證主要圍繞這兩大部分展開。2.2.1輸入回路噪聲抑制設計來自導聯(lián)電極的心電信號混有主要包括人體肌電呼吸等生物噪聲、電極接觸 噪聲、工頻 50Hz 信號及其諧波等干擾；以及其它電子設備機器噪聲及外界高頻電 磁干擾等噪聲，其中工頻 50Hz 干擾信號較強，主要是共模噪聲。按照設計要求，皮膚接觸電極到分別通過 1.5m 長的屏蔽導聯(lián)線與前置放大器 相連接。由于信號線對屏蔽線的輸入電容不完全對稱，造成共模電壓的不等量衰

11、 減，使得包括導聯(lián)在內(nèi)的放大器共模抑制比降低，從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下 降。其中工頻干擾引起的共模信號可能遠大于心電信號，其影響尤為嚴重。而由 于工頻干擾頻譜與正常心電信號混雜，又不宜采用工頻陷波器濾除。為有效地消除輸入電路不對稱而引起的電壓分配效應所產(chǎn)生的共模干擾,采 用屏蔽驅動和右腿驅動電路.從輸入導聯(lián)取出的共模電壓送入屏蔽層（屏蔽層不 接地）；同時送到右腿放大器反向放大，經(jīng)一個限流電阻接到右腿電極，即等效 為以人體為相加點的電壓并聯(lián)負反饋電路。抑制了共模干擾進入后續(xù)電路。為更 好的抑制工頻干擾，可以在右腿驅動電路加入低通濾波電路.滿足將心電放大器（含屏蔽導聯(lián)線）的共模抑制比提高到 80

12、dB 的指標要求。該電路采用 OPA335 實 現(xiàn)。2.2.2 前置放大模塊前置放大模塊在整機中處于非常重要的地位，其性能決定了整機的主要技術 指標。前置放大模塊應滿足高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移的要求。采用儀表放大芯片AD620.其內(nèi)部集成共模抑制比最小可達可 100dB 的儀用放大電路,只需外接一個電阻可調節(jié)增益，增益從 110,000 倍可調.同時該芯片對電源的要求低，±2。3V 的電源電壓就可表現(xiàn)出良好的功能特性,靜態(tài)電流最大只有 1。3mA,功耗極低。其差模輸入阻抗高達10000M，遠遠大于設計需求，完全可保證總電路差模輸入阻抗大于5M。此外,AD620還具有低

13、噪聲、低輸入偏置電流特性。特別是芯片的各項指標在低頻段表現(xiàn)優(yōu)異，適用于 120KHz 以內(nèi)信號的放大?？紤]到電極接觸噪聲產(chǎn)生的直流極化電壓(尤其使用普通銅皮作為接觸電極時），電極的極化電壓是個差模信號，可能會造成運放的飽和?？梢岳肁D620 的 REF 端進行輸出偏移調零.雖然提高放大器的第一級增益有利于降低輸出噪聲， 但考慮到極化電勢的影響,儀表放大電路增益不應太大。2。2。3 濾波網(wǎng)絡模塊由于心電信號易受噪聲干擾，且主要能量成分集中在 0。05Hz100Hz 頻帶內(nèi), 所以本系統(tǒng)采用濾波的方法對心電信號作進一步的降噪處理，抑制外界干擾，從 而得到較為平滑的心電圖波形。濾波電路的設計主要是

14、滿足心電信號特定的頻率 響應特性。(1)高通濾波電路心電信號的最低可能頻率成分只達到 0.5Hz（相應于心臟搏動 30 次/分），但 為降低信號因相移產(chǎn)生線性失真,心電信號放大電路的低頻截止頻率必須達到心 電信號的低頻截止頻率的 1/10，即 0.05Hz。實際上，在前置放大模塊采用了高通負反饋濾波器進行隔直和低通濾波，0.05Hz 信號包括直流極化信號已基本被濾掉。為進一步滿足高通濾波特性,可以采用效果不錯且易于實現(xiàn) RC 一階無源濾波。（2)低通濾波電路濾除混入的各種高頻干擾噪聲.按照心電圖信號的頻譜范圍,高頻截止頻率 選擇 100Hz 和 500Hz 兩種。對濾波特性的要求主要是信號的時

15、域失真要小,心電 信號具有脈沖波形的特征，為保證不失真放大，濾波器應具有較好的線性相位特 性.方案一：采用已有算法進行離散數(shù)字濾波。其優(yōu)點是參數(shù)調節(jié)性好，濾波特 性比較精確。但為達到較好的濾波效果要求濾波器取較高的階數(shù)，對處理器的要 求比較高，利用單片機現(xiàn)有資源難以實現(xiàn).方案二:通常采用模擬有源濾波器實現(xiàn)。模擬濾波器主要有巴特沃斯濾波器、 切比雪夫濾波器和貝賽爾濾波器三種，其中貝賽爾濾波器具有線性相移特性，最 適用于心電信號的濾波處理。本設計主要考慮到滿足并盡量完善設計指標，采用 二階貝塞爾濾波電路的方案.3、系統(tǒng)實現(xiàn)根據(jù)以上要求,系統(tǒng)總體設計框圖如圖 2 所示: 圖2 系統(tǒng)總體設計框圖3。1

16、主要單元電路設計3。1。1前置放大模塊及右腿驅動電路前置放大模塊以 AD620儀用放大電路為核心，外圍由 OPA335 構成的 反饋積分調零電路和右腿驅動電路三個部分組成。AD620內(nèi)部原理圖如圖 3 所示。AD620 的主要特點是低漂移電壓，低偏置電流,高共模抑制比。圖3 AD620原理示意圖圖4 AD620引腳圖圖4 所示為 AD620儀表放大器的腳位圖。其中1、8 接腳要跨接一電阻來調整放大倍率（作用同式（1）中的Rg）,放大倍數(shù)G=49.4k/Rg+1.這里我們設計增益為40，則Rg取1。24 k。4、7 接腳需提供正負相等的工作電壓，由 2、3 接腳輸入的放大的電壓即可從接腳 6 輸

17、出放大后的電壓值.接腳5則是參考基準，如果接地則接腳 6 的輸出即為與地之間的相對電壓。圖5 AD620前置放大電路及仿真圖3。1.2 主放大器電路該部分電路主要起調節(jié)增益的作用，使輸出信號可達到的量級。前面儀表放大電路的增益設計為40，主放大電路的增益為25，這樣總增益為1,000。圖 6 主放大器電路圖圖7 心電信號放大器3.1.3 濾波電路（1)高通濾波電路要求心電放大器的低頻截止頻率為 0。05Hz，沒有要求進行測試，可用無源的 RC 網(wǎng)絡來實現(xiàn)。由公式 f=1/2RC（取 C 為 470nF），得 R=677.60k. 實際選用 選用 6.8m的電阻。 圖 8 高通濾波電路圖(2)低

18、通濾波電路采用具有線性相移特性，二階貝塞爾濾器。圖 9 100Hz濾波電路圖中低通濾波器的幅頻特性曲線衰減3dB時，對應頻率為93Hz；衰減10dB時對應頻率為180Hz。完全符合設計的要求。 圖 10 500Hz濾波電路圖中低通濾波器的幅頻特性曲線衰減3dB時，對應頻率為497Hz；衰減10dB時對應頻率為840Hz。完全符合設計的要求。3.2低噪聲穩(wěn)壓電源的設計由于用普通集成三端穩(wěn)壓電路直接構成穩(wěn)壓電源是難以達到題目“3mV（峰峰值）”噪聲要求的.需要在集成三端穩(wěn)壓電路外增加放大環(huán)節(jié),才能進一步抑制噪聲。圖11 低噪聲穩(wěn)壓電源原理圖3。3系統(tǒng)硬件接線原理圖總 結通過這次綜合實踐使我懂得了理論與實際相結合的重要性，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在完成這個簡易心電圖儀的過程中我們把注意力主要集中在濾波器的設計和調試上。合理地運用軟件設計濾波器可以節(jié)省很多功夫,但完全照搬也不能達到預想的效果，因為實