心電信號(hào)放大器設(shè)計(jì)

1、成績(jī):2015-2016學(xué)年01學(xué)期電力電子電氣傳動(dòng)與可編程控制技術(shù)（1）”BUCK變換器的設(shè)計(jì)與仿真姓名：專(zhuān)業(yè)：班級(jí)：學(xué)號(hào)：2015年12月一、設(shè)計(jì)用于檢測(cè)人體心電信號(hào)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(jì)方案分析1、心電信號(hào)的特點(diǎn)及檢測(cè)人體的各種生理參數(shù)如心電、腦電、肌電等生物電信號(hào)都是屬于強(qiáng)噪聲背景下微弱的低頻信號(hào)，是由復(fù)雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號(hào)。心電信號(hào)是人類(lèi)最早研究并應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)的生物電信號(hào)之一，與其他

2、生物電信號(hào)相比，該信號(hào)也比較容易檢測(cè)同時(shí)具有直觀的規(guī)律性。一般人體心電信號(hào)的幅值約20V5mV,頻帶寬度為0.05Hz100Hz,由于心電信號(hào)取自于活體，所以信號(hào)源內(nèi)阻較高，且存在著較強(qiáng)的背景噪聲和干擾。在檢測(cè)人體生物電信號(hào)時(shí)，需要采用所謂的生物電測(cè)量電極，又稱(chēng)引導(dǎo)電極來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)引導(dǎo)電極將生物電信號(hào)引入到放大器的輸入端。對(duì)于心電信號(hào)的檢測(cè)，臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得心電信號(hào)波形，對(duì)測(cè)定心電信號(hào)（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(chēng)之為心電圖的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。目前國(guó)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(guò)較長(zhǎng)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(hào)放大器設(shè)計(jì)要求及組成根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)心電信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍等。典型的心電信號(hào)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(hào)高通濾波低通濾波帶阻濾波電壓放大輸出信號(hào)右腿右腿驅(qū)動(dòng)屏蔽驅(qū)動(dòng)圖2心電信號(hào)放大器組成框圖三、主要單元電路參考設(shè)計(jì)1、 心電信號(hào)輸入電極電極（導(dǎo)聯(lián)）對(duì)心電信號(hào)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(qiáng)、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(duì)皮膚刺激小、佩戴舒適、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。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(mǎi)。對(duì)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(cè)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(hào)前置級(jí)放大電路由于心電信號(hào)屬于高強(qiáng)噪聲下的低頻微弱信號(hào)，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(diǎn)，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(yùn)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(jì)選用低成本集成儀表放大器AD620實(shí)現(xiàn)。AD620儀表放大器的管腳排列見(jiàn)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(shí)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(qiáng)干擾信號(hào)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(guò)高，本設(shè)計(jì)選擇電壓放大倍數(shù)等于10倍。另外為了消除強(qiáng)共模信號(hào)通過(guò)

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(jì)了自舉屏蔽驅(qū)動(dòng)電路，采用緩沖放大器將連接點(diǎn)的共模電位驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，從根本上降低空間電場(chǎng)在人體上產(chǎn)生的干擾。整個(gè)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(hào)正回小輸入信號(hào)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(hào)前置放大器二、濾波器電路正常心電信號(hào)的頻率范圍為

7、0.05100Hz,而90%的心電信號(hào)頻譜能量集中在0.2535Hz之間。噪聲信號(hào)來(lái)源主要有工頻干擾、電極接觸噪聲、人為運(yùn)動(dòng)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(hào)，在心電信號(hào)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(hào)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(yùn)算放大器選用高精度、低漂移運(yùn)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(hào)陷波器50Hz工頻信號(hào)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(diǎn)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(wú)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(shí)，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(shí)，這時(shí)濾波器的Q值大，但Q值過(guò)大會(huì)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(duì)于末級(jí)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(shí)輸出具有比較大的動(dòng)態(tài)范圍。由于心電信號(hào)放大器總的電壓放大倍數(shù)要求1000倍，前置級(jí)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(yùn)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(gè)電路系統(tǒng)中所有的集成器件采用土9V電源電壓，每個(gè)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(qǐng)仔細(xì)查閱有關(guān)集成器件的資料，并畫(huà)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(hào)端RA或LA任一端接地，將大小是IV、頻率是20Hz的正弦波信號(hào)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(hào)輸入到前置放大器中，測(cè)量其前置放大器的輸出，計(jì)算其電壓放大倍數(shù)。對(duì)前置放大器共模電壓放大倍數(shù)的測(cè)量方法是，將前置放大器的輸入信號(hào)RA和LA兩端短接，同時(shí)對(duì)地輸入5V頻率為20Hz的正弦信號(hào)，測(cè)量前置放大器的輸出，計(jì)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(jì)算共模抑制比。3 高通濾波器調(diào)試。檢查圖電路連線無(wú)誤后，接通士9V電源，先輸入大小為1V的直流電壓，測(cè)量其輸出值；然后輸入大小為1V的正弦波信號(hào)，改變其正弦波頻率在0.01Hz100Hz變化，分別測(cè)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(wú)誤后，接通土9V電源，先輸入大小為1V的直流電壓，測(cè)量其輸出值；然后輸入大小為1V的正弦波信號(hào)，保持信號(hào)幅值不變，分別測(cè)量頻率在1Hz200Hz變化時(shí)的輸出值，并測(cè)量出具上限轉(zhuǎn)折頻率。5 50Hz信號(hào)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(cè)量輸出電壓，調(diào)節(jié)電位器Rw,使輸出最小。測(cè)量其帶