簡易心電圖儀設(shè)計報告

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子技術(shù)綜合實驗室課程設(shè)計報告題目：簡易心電放大儀指導(dǎo)教師：年級：專業(yè)：學(xué)號：姓名：學(xué)號：姓名：一、設(shè)計要求與技術(shù)指標(biāo)設(shè)計制作一臺簡易心電圖儀，用于測量人體心電信號并在示波器上顯示，其示意圖如圖1所示。圖1簡易心電圖儀示意圖導(dǎo)聯(lián)電極說明：(1)LA（左臂），RA（右臂），RL（右腿）。(2)心電信號（標(biāo)準(zhǔn)I導(dǎo)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。(3)RA、LA和RL的皮膚接觸電極分別通過1.5m長的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線與心電信號放大器連接。技術(shù)指標(biāo)制作一路心電信號測量放大器，其技術(shù)指標(biāo)如下：(a)電壓放大倍數(shù)1000，誤差5%。(b)3dB低頻截止頻率0.05Hz。(c)3dB高頻截止頻率100Hz，誤差10Hz，在200Hz處的衰減10dB。(d)通帶內(nèi)響應(yīng)波動3dB。(e)共模抑制比60dB。(f)差模輸入電阻5MΩ。按標(biāo)準(zhǔn)I導(dǎo)聯(lián)的接法進行實際的心電圖測量，能在示波器上較清晰地顯示心電波形。標(biāo)準(zhǔn)I導(dǎo)聯(lián)心電波形的示意圖如圖2所示。圖2心電波形示意圖實際測量心電圖時，放大器的等效輸入噪聲（包括50Hz干擾）<400μV（峰-峰值）。二、總體電路框圖電路設(shè)計共五個部分組成第一是由前置放大器，這一級增益選在20倍左右。第二是屏蔽驅(qū)動電路，采用右腿驅(qū)動電路，它不僅可以消除電路中的共模信號，還可以提高工模抑制比。第三是由濾波電路組成。由于心電信號頻率在0.05—100hz以內(nèi)，所此電路要將這頻帶以外的信號都濾除。第四是由50hz的限波電路組成，這主要采用雙T帶阻濾波電路。第五是后級放大電路，前置放大電路放大倍數(shù)為100-200左右，這一級還需要放大6—10倍左右?？傮w框圖如下圖所示：前置放大為20倍，高通濾波為二階巴特沃斯型濾波器通帶放大倍數(shù)為1.6倍，低通濾波為四階巴特沃斯濾波器通帶放大倍數(shù)為1.6*1.6=2.56倍，后級為反向放大電路放大倍數(shù)為12倍，總共放大倍數(shù)為A=20*1.6*1.6*1.6*1.6*12.2=1000倍三、設(shè)計方案與方案比較一）、前置放大電路（1）根據(jù)心電信號的特點，前置級應(yīng)該滿足下述要求：1)高輸入阻抗。被提取的心電信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號，為了減少信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。一般情況下，信號源的內(nèi)阻為100kΩ，則放大器的輸入阻抗應(yīng)大于1MΩ。2)高共模抑制比CMRR。人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的參數(shù)以外的生理作用的干擾，一般為共模干擾，前置級須采用CMRR高的差動放大形式，能減少共模干擾向差模干擾轉(zhuǎn)化。3)低噪聲、低漂移。主要作用是對信號源的影響小，拾取信號的能力強，以及能夠使輸出穩(wěn)定。（2）方案的選擇方案（一）：三運放儀用放大電路如圖3所示的同相并聯(lián)三運放結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以較好地滿足上面三條要求。A1、A2構(gòu)成放大器的第I級，主要用來提高整個放大電路的輸入阻抗。第II級采用差動電路用以提高共模抑制比。將A3、A4兩個同相輸入運放電路并聯(lián)，再與A5差分輸入串聯(lián)的三運放差分放大電路。根據(jù)虛短、虛斷的概念，不難分析A3、A4前置放大電路僅對差模信號有放大作用，差模放大倍數(shù)為（R3+2R1）/R3倍。這樣的電路有以下幾個優(yōu)點：a.A3、A4提高了差模信號與共模信號之比，即提高了信噪比，因差模信號按差模增益比放大，遠高于共模成分（噪聲）；b.決定增益的電阻（R1、R2、R3）對共模抑制比CMRR沒有影響，因此電阻的容差不重要，R1、R4的失配僅使兩輸出端之間的差模增益失配，與CMRR相比，這一點并不重要。電路的另一個特點是對共模輸入信號沒有放大作用，共模電壓增益接近于零。這個因素不僅與實際的共模輸入有關(guān)，而且也與A3和A4的失配電壓和漂移有關(guān)。如果A3和A4有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作為共模信號出現(xiàn)，沒有被放大，還能被第二級抑制。這樣對于A3和A4的漂移要求就會降低。A3和A4前置放大級的差模增益要做得盡可能高，相比之下，第二級（A5）的漂移和共模誤差就可以忽略，對放大器的要求就可以大大降低。當(dāng)R4=R5，R6=R7+RP時，兩級的總增益為兩個差模增益的乘積，即：Avd=(（R3+2R1）/R3)(R6/R4)由此可知，上述電路具有輸入阻抗高，共模抑制比高等優(yōu)點，可作為通用儀用放大器使用。圖3三運放儀用放大器方案（二）利用AD620來設(shè)計放大電路AD620是一種只用一個外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為1～1000的低價格、低功耗、高精度儀表放大器。它體積小，為8管腳的SOIC或DIP封裝；供電電源范圍為±2.3V～±l8V；最大供電電流僅為1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大輸入失調(diào)電壓為5OμV，最大輸入失調(diào)電壓漂移為lμV/。C，最大輸入偏置電流為2.0nA。G=10時，其共模抑制比大于93dB。在1kHz處輸人電壓噪聲為9nv／（Hz）1/2．在0.1Hz～10Hz范圍內(nèi)輸人電壓噪聲的峰--峰值為0.28μV，輸入電流噪聲為0.1pA／（Hz）1/2。G=l時它的增益帶寬為120kHz，建立時間為15μs總的來看，AD620的特點可歸結(jié)為如下幾點：A.AD620能確保高增益精密放大所需的低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移和低噪聲等性能指標(biāo)，故可用于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作為各種微弱信號的前置調(diào)理器；B.只用一只外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)l～l000；C.體積小，只有8個引腳；D.低功耗，最大的供電電流為1.3mA；E.價格低，建立時問短，所以它也非常適用于多路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的V/I變換電路。利用AD620構(gòu)成心電放大器前置放大級：圖五圖5是AD620在心電圖監(jiān)測儀的的應(yīng)用，這里的源阻抗可高達1MΩ，甚至更高，AD620的低功耗、低供電電壓及低噪聲特性得到了充分發(fā)揮。方案（三）用MAX4194實現(xiàn)MAX4194也是增益可調(diào)的儀用放大器，下面是它的特性參數(shù)：A.+2.7V單電源工作B.低功耗93μASupplyCurrent8μAShutdownCurrentC.高共模抑制比：115dB(G=+10V/V)D.低輸入失調(diào)電壓：50μV(G=+100V/V)E.G＝1000V/V時3dB帶寬為147HzF.軌至軌輸出MAX4194的這些優(yōu)異性能使它十分適合心電放大器的設(shè)計。設(shè)計電路如下：圖六方案選擇及元器件選擇：三運放儀用放大器，雖然可以滿足一般要求，但由于集成化低，所用元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，難以滿足當(dāng)前各種微弱生理參數(shù)測量的高穩(wěn)定性、高共模抑制比、高安全性的要求。MAX4194的封裝形式是貼片，用起來不太方便，所以選用DIP封裝的AD620。（3）元件參數(shù)計算：1導(dǎo)聯(lián)輸入：導(dǎo)聯(lián)線又稱輸入電纜線。其作用是將電極板上獲得的心電信號送到放大器的輸入端。心臟電興奮傳導(dǎo)系統(tǒng)所產(chǎn)生的電壓是幅值及空間方向隨時間變化的向量。放在體表的電極所測出的ECG信號將隨不同位置而異。心周期中某段ECG描跡在這一電極位置不明顯，而在另一位置上卻很清楚。為了完整描述心臟的活動狀況，應(yīng)采用多電極導(dǎo)聯(lián)方式測量心電信號，基于現(xiàn)在的實驗條件及要求，選擇3導(dǎo)聯(lián)方式：左臂（LA），右臂（RA）以及右腿（RL）。各導(dǎo)聯(lián)線以不同顏色的標(biāo)志來表示所接的部位。為了減少連接時發(fā)生錯誤，國際統(tǒng)一規(guī)定字母和導(dǎo)線色標(biāo)為：R-右臂（紅）；L-左臂（黃）；RF-右腿（黑）2輸入保護：由于此系統(tǒng)用于人體心信號的檢測與診斷，，其將不可避免的與其他高電壓電子器件（如起搏器）同時作用于同一人體，導(dǎo)致加在心電圖機上的電壓迅速增大，損壞心電圖機，有必要在本套系統(tǒng)之前加入保護電路。由于保護電阻要求在輸入5000V高壓時不會損壞電路，二極管應(yīng)選用的漏電的微型二極管，最大允許通過的順時電流為100mA,那么限流保護電阻R23=R24=220KΩ這一級增益選為20，AD620部分放大20倍。Rg=2.7k，由公式G=49.4kΩ/RG+1計算得到，前級總放大倍數(shù)AV前=（49.4/Rg+1）＝20。為了說明差分式放大電路指引共模信號的能力，常用共模抑制比作為一項技術(shù)指標(biāo)來衡量，其定義為放大電路對差模信號的電壓增益AVD與對共模信號的電壓增益AVC之比的絕對值，即KCMR=|AVD/AVC|差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，則共模抑制能力越強，放大電路的性能越優(yōu)良，因此希望KCMR值越大越好。共模抑制比也可以用分貝表示：KCMR=20lg|AVD/AVC|dB二)共模信號抑制電路右腿驅(qū)動電路：雖然AD620的共模抑制比較高，但當(dāng)接入其他電路時，其共模抑制比會變得較低，我們在提高共模抑制比的同時，也要考慮用直接降低共模信號的方法來提高其值，右腿驅(qū)動電路就是一個很好的降低抑制共模信號的方法，在右腿接入一反向放大器，并與儀表放大相連，可以將共模信號抑制1＋K倍（K為反向放大增益），從而有效的降低了共模信號。取R2=10MΩ,R1=10KΩ,從而K＝R1/R2=1000,加一電容組成低通濾波器，是電路穩(wěn)定，在這里選取C=4.7nF。地屏蔽電路：由一射級跟隨器組成,。圖7右腿驅(qū)動與地屏蔽電路參數(shù)設(shè)置R2=1MR1=100KR3=11kc1=4.7nF三）、高通濾波電路要求：3dB頻率是0.05Hz設(shè)計原理：此模塊采用二階巴特沃斯電路可滿足以下要求3dB頻率是0.05Hz，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，品質(zhì)因數(shù)，通帶放大倍數(shù)現(xiàn)要求濾波器的截止頻率等于0.05Hz，Q=0.707，取電容等于47μF，則電阻，選用電阻68kΩ。通帶電壓放大倍數(shù)A0=3-1/Q≈1.586，取R1=20kΩ，Rf=0.586R1=0.586×20kΩ=11.72kΩ，取12kΩ。集成運算放大器選用高精度、低漂移運算放大器OP07。電路圖如下圖8二階高通濾波器四）低通濾波器要使在在200Hz處的衰減10dB。四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，品質(zhì)因數(shù)，通帶放大倍數(shù)。f=1/(2*3.14*R*C)取R12=R13=R7=R8=160K,R15=R10=20K