心電信號放大器設(shè)計

1、成績:2015-2016學(xué)年01學(xué)期電力電子電氣傳動與可編程控制技術(shù)（1）”BUCK變換器的設(shè)計與仿真姓名：專業(yè)：班級：學(xué)號：2015年12月一、設(shè)計用于檢測人體心電信號的放大器，要求如下：1、 輸入阻抗A10MQO2、 共模抑制比A80dB。3、 電壓放大倍數(shù)1000倍。4、 頻帶寬度為0.5Hz100Hz。5、 放大器的等效輸入噪聲（包括50Hz交流干擾）200區(qū)V。二、設(shè)計方案分析1、心電信號的特點及檢測人體的各種生理參數(shù)如心電、腦電、肌電等生物電信號都是屬于強噪聲背景下微弱的低頻信號，是由復(fù)雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號。心電信號是人類最早研究并應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)的生物電信號之一，與其他

2、生物電信號相比，該信號也比較容易檢測同時具有直觀的規(guī)律性。一般人體心電信號的幅值約20V5mV,頻帶寬度為0.05Hz100Hz,由于心電信號取自于活體，所以信號源內(nèi)阻較高，且存在著較強的背景噪聲和干擾。在檢測人體生物電信號時，需要采用所謂的生物電測量電極，又稱引導(dǎo)電極來實現(xiàn)的，通過引導(dǎo)電極將生物電信號引入到放大器的輸入端。對于心電信號的檢測，臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得心電信號波形，對測定心電信號（ECG）的電極和引線與放大器的聯(lián)接方式有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定，稱之為心電圖的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。目前國際上均采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，即將電極捆綁在手腕或腳腕的內(nèi)側(cè)面，并通過較長的屏蔽導(dǎo)線與心電放大器相連接。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)有I、

3、n、田。其RARARLLAAI導(dǎo)聯(lián)圖1標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)聯(lián)線方法2、心電信號放大器設(shè)計要求及組成根據(jù)心電信號的特點，對心電信號放大器的要求是高輸入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、合適的通頻帶寬度和輸所示,出較大的動態(tài)范圍等。典型的心電信號放大器的組成如圖主要有前置放大、高通濾波、低通濾波、50Hz陷波器、電壓放大等電路輸入信號高通濾波低通濾波帶阻濾波電壓放大輸出信號右腿右腿驅(qū)動屏蔽驅(qū)動圖2心電信號放大器組成框圖三、主要單元電路參考設(shè)計1、 心電信號輸入電極電極（導(dǎo)聯(lián)）對心電信號放大器的質(zhì)量影響很大，采用的電極應(yīng)該具有貼附力強、透氣性好、吸汗、電極導(dǎo)電性能好、極化電壓低的優(yōu)質(zhì)電極。此外還應(yīng)該具

4、有對皮膚刺激小、佩戴舒適、拆卸方便等優(yōu)點。通常采用表面鍍有AgCI的可拆卸的一次性的軟電極，并在電極上涂有優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)電膏，目前已有成品可買。對于自制電極可以采用20mmx20mm的薄銅皮作為皮膚接觸電極；用帶有尼龍拉扣的布帶或普通布帶將電極捆綁在四肢相應(yīng)位置；在進(jìn)行心電圖測量前，使用酒精棉球仔細(xì)將與電極接觸部位的皮膚擦凈。2、 心電信號前置級放大電路由于心電信號屬于高強噪聲下的低頻微弱信號，所以要求前置放大器應(yīng)具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、具有一定的電壓放大能力等特點，選擇儀表放大器即可滿足要求?？紤]到要求高共模抑制比、高輸入阻抗和調(diào)試方便，不使用采用集成運算放大器構(gòu)成的儀表放大

5、器，而是直接使用集成儀表放大器，本設(shè)計選用低成本集成儀表放大器AD620實現(xiàn)。AD620儀表放大器的管腳排列見圖3。AD620作為高精度儀表放大器，只需要用改變1腳和8腳之間的外接電阻，即可實現(xiàn)放大器11000變化范圍的電壓增益。該放大器的差模電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：G=1+49.4kQ/Rg。gAD620的最大失調(diào)電壓僅為50HV,失調(diào)電壓溫漂0.6pV/C,輸入電壓噪聲為9nV/v;Hz,輸入電流噪聲0.1pA/Hz,所以作為前置放大器可以很好的工作。為了避免在強干擾信號下，放大器輸出產(chǎn)生失真，前置放大器的電壓放大倍數(shù)不能設(shè)置過高，本設(shè)計選擇電壓放大倍數(shù)等于10倍。另外為了消除強共模信號通過

6、屏蔽層電容造成放大器輸出的影響，一方面要求電極（導(dǎo)聯(lián)）線的屏蔽層不予接地，另一方面設(shè)計了自舉屏蔽驅(qū)動電路，采用緩沖放大器將連接點的共模電位驅(qū)動到屏蔽線，使引線屏蔽層分布電容的兩端電壓保持相等，從而消除了共模電壓由屏蔽層分布電容引起的不均衡衰減。為了進(jìn)一步提高前置放大器的共模抑制比和抗干擾能力，再采用右腿驅(qū)動電路，從根本上降低空間電場在人體上產(chǎn)生的干擾。整個前置放大器的電路如圖外接增參益正輸考電電出電阻源端壓Rg+VsVoVrefAD6203一年輸入信號正回小輸入信號負(fù)Rg外接增益電一網(wǎng)©向-Vs負(fù)電源圖3AD620管腳排列圖圖4心電信號前置放大器二、濾波器電路正常心電信號的頻率范圍為

7、0.05100Hz,而90%的心電信號頻譜能量集中在0.2535Hz之間。噪聲信號來源主要有工頻干擾、電極接觸噪聲、人為運動肌電干擾、基線漂移等，其中50Hz的工頻干擾最為嚴(yán)重。為了消除這些干擾信號，在心電信號放大器電路中，應(yīng)加入高通濾波器、低通濾波器和50Hz工頻信號陷波器。1、高通濾波器高通濾波器選擇典型的壓控電壓源二階濾波器，電路結(jié)構(gòu)如圖。該電路的典型參數(shù)為：截止頻率fo=,品質(zhì)因數(shù)2二RCRQ=1,通帶放大倍數(shù)Ao=1+,。3-Ao'Ri現(xiàn)要求濾波器的截止頻率等于0.05Hz,0=0,707,取電容等于47pF,貝U電阻R=1北67.8kQ,選用電阻68kQo23,144710

8、0.05通帶電壓放大倍數(shù)A0=3-1/Q=1.586,取R=20kQ,Rf=0.586R1=0.586x20kQ=11.72kQ,取12kQo集成運算放大器選用高精度、低漂移運算放大器OP07。圖5二階高通濾波器2、低通濾波器二階低通濾波器電路如圖。該濾波器的參數(shù)指標(biāo)為：截止頻率f°=,品質(zhì)因2 二RC數(shù)Q=,通帶放大倍數(shù)A=1。在該電路選擇參數(shù)情況下，二3 -A。階低通濾波器的截止頻率_12二RC-23.14681030.02210與圖6二階低通濾波器定106.4Hz,Q=2。3A03、50Hz干擾信號陷波器50Hz工頻信號陷波器可以采用應(yīng)用廣泛的雙T型有源帶阻濾波器，圖是自舉式雙

9、T橋二階有源帶阻濾波器電路。這種濾波器的有點是品質(zhì)因數(shù)可以調(diào)節(jié)，且和帶阻濾波器的中心頻率無關(guān)。在該電路中，當(dāng)A2的同相輸入端接地（反饋系數(shù)最?。r，濾波器的Q值最小，大約為0.3;當(dāng)A2同相輸入端的電位很接近濾波器的輸出電位（反饋系數(shù)大）時，這時濾波器的Q值大，但Q值過大會造成電路的不穩(wěn)定甚至自激，一般將Q值選在十至幾十的范圍內(nèi)，調(diào)波器的中心頻率fo=50Hz,要求節(jié)圖中Rw可改變Q值大小。在圖中雙T網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選擇下，帶阻濾=&2二RC23.14681030.04710”濾波器的阻帶寬度BW=2HZ,則Q嘀噂3圖750Hz干擾陷波器三、電壓放大器對于末級電壓放大器的要求是應(yīng)該具有低噪聲、

10、低漂移，且具有足夠大的電壓放大能力和一定的頻帶寬度，同時輸出具有比較大的動態(tài)范圍。由于心電信號放大器總的電壓放大倍數(shù)要求1000倍，前置級和高通濾波器通頻帶電壓放大倍數(shù)分別為10和1.586,所以電壓放大器的電壓放大倍數(shù)為63即可滿足要求。采用低噪聲、寬頻帶集成運算放大器NE5532構(gòu)成的電壓放大器如圖。圖8電壓放大器整個電路系統(tǒng)中所有的集成器件采用土9V電源電壓，每個集成器件注意電源濾波四、電路安裝與調(diào)試1 電路安裝前請仔細(xì)查閱有關(guān)集成器件的資料，并畫出詳細(xì)的安裝電路圖。2 前置放大器調(diào)試。在圖中將輸入信號端RA或LA任一端接地，將大小是IV、頻率是20Hz的正弦波信號輸入到10KQ和100

11、Q組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，然后將100Q兩端10mV的信號輸入到前置放大器中，測量其前置放大器的輸出，計算其電壓放大倍數(shù)。對前置放大器共模電壓放大倍數(shù)的測量方法是，將前置放大器的輸入信號RA和LA兩端短接，同時對地輸入5V頻率為20Hz的正弦信號，測量前置放大器的輸出，計算其共模電壓放大倍數(shù)。根據(jù)差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)計算共模抑制比。3 高通濾波器調(diào)試。檢查圖電路連線無誤后，接通士9V電源，先輸入大小為1V的直流電壓，測量其輸出值；然后輸入大小為1V的正弦波信號，改變其正弦波頻率在0.01Hz100Hz變化，分別測量在0.01Hz、0.05Hz、1Hz、10Hz、50Hz、100Hz下的輸出電壓，并求其濾波器的下限轉(zhuǎn)折頻率。4 低通濾波器調(diào)試。檢查圖電路連線無誤后，接通土9V電源，先輸入大小為1V的直流電壓，測量其輸出值；然后輸入大小為1V的正弦波信號，保持信號幅值不變，分別測量頻率在1Hz200Hz變化時的輸出值，并測量出具上限轉(zhuǎn)折頻率。5 50Hz信號陷波器調(diào)試。按電路圖連線后，輸入幅值為IV、頻率為50Hz的正弦波，測量輸出電壓，調(diào)節(jié)電位器Rw,使輸出最小。測量其帶