畢業(yè)設(shè)計(jì)]單片機(jī)心電放大器設(shè)計(jì).doc

-1-心電放大器設(shè)計(jì)報(bào)告1.引言心血管疾病是人類死亡的主要疾病之一，許多患者心臟病發(fā)作后由于未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和搶救極易發(fā)生死亡。然而由于心律失常的出現(xiàn)常常是偶發(fā)的，使用通常的心電圖機(jī)等短程分析方法不易發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在較為有效的方法就是采用記錄24小時(shí)以至更長時(shí)間的心電圖并加以分析以期捕捉到心律失常波形。本文研究設(shè)計(jì)了一種低功耗、結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高的心電放大器，在此基礎(chǔ)上可研制出便攜式動(dòng)態(tài)心電記錄儀。該儀器的最大優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、實(shí)用、低功耗且成本低廉，對(duì)各中小型醫(yī)院的危重病人的搶救和家庭監(jiān)護(hù)有較好的實(shí)用價(jià)值。2系統(tǒng)概述：21在進(jìn)行系統(tǒng)介紹之前，要明白的幾個(gè)概念：211心電圖心臟是循環(huán)系統(tǒng)中重要的器官。由于心臟不斷地進(jìn)行有節(jié)奏的收縮和舒張活動(dòng)，血液才能在閉鎖的循環(huán)系統(tǒng)中不停地流動(dòng)。心臟在機(jī)械性收縮之前，首先產(chǎn)生電激動(dòng)。心肌激動(dòng)所產(chǎn)生的微小電流可經(jīng)過身體組織傳導(dǎo)到體表，使體表不同部位產(chǎn)生不同的電位。如果在體表放置兩個(gè)電極，分別用導(dǎo)線聯(lián)接到心電圖機(jī)(即精密的電流計(jì))的兩端，它會(huì)按照心臟激動(dòng)的時(shí)間順序，將體表兩點(diǎn)間的電位差記錄下來，形成一條連續(xù)的曲線，這就是心電圖。如圖1各種各樣的心電圖：a.標(biāo)準(zhǔn)的心電圖b.帶噪聲的正常心電圖-2-c.右心室肥厚RightVentricularHypertrophy圖1正常與病態(tài)心電圖心電圖可分為普通心電圖、24小時(shí)動(dòng)態(tài)心電圖、His束電圖、食管導(dǎo)聯(lián)心電圖、人工心臟起搏心電圖等。應(yīng)用最廣泛的是普通心電圖及24小時(shí)動(dòng)態(tài)心電圖。212心電導(dǎo)聯(lián)為了記錄心電，將探測電極安置于體表相隔一定距離的兩點(diǎn)，此兩點(diǎn)即構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)聯(lián)，兩點(diǎn)的連線代表連軸，具有方向性。臨床常用的導(dǎo)聯(lián)方式有肢體導(dǎo)聯(lián)和胸前導(dǎo)聯(lián)，肢體導(dǎo)聯(lián)又有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)和加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)之分。臨床中廣泛應(yīng)用的是標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，分別記為、三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，aVR、aVL、aVF三個(gè)加壓導(dǎo)聯(lián)以及V1-V6六個(gè)胸極導(dǎo)聯(lián)。其中、主要是反應(yīng)左手、右手以及左腿任兩電極間的電壓差，無探查電極和無關(guān)電極之分，是雙極導(dǎo)聯(lián)。雙極導(dǎo)聯(lián)就是拾取兩個(gè)測試點(diǎn)的電位差。aVR-V6是單極導(dǎo)聯(lián)，就是拾取某一點(diǎn)相對(duì)參考的電位。由一個(gè)無關(guān)電極和探查電極所組成，其P波明顯，利于診斷心律失常（V1）和左前壁心肌缺血（V5、V6）。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的特點(diǎn)廣泛地反映了心臟的大概情況，如：后壁心肌梗塞、心律失常等，往往、導(dǎo)聯(lián)可以記錄到清晰的波形。22心電信號(hào)的特點(diǎn)及對(duì)放大電路的要求心電信號(hào)的特點(diǎn)：信號(hào)十分微弱，常見的心電頻率一般在0.05100Hz之間，能量主要集中在17Hz-3-附近，幅度小于5mV，心電電極阻抗較大，一般在幾百千歐以上。在檢測生物電信號(hào)的同時(shí)存在強(qiáng)大的干擾，主要有電極移動(dòng)引起基線漂移(一般小于1Hz)，電源工頻干擾(50Hz)，肌電干擾(幾百Hz以上)。電源工頻干擾主要是以共模形式存在，幅值可達(dá)幾V甚至幾十V，所以心電放大器必須具有很高的共模抑制比(80dB以上)。電極移動(dòng)引起基線漂移是由于測量電極與生物體之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，最大可達(dá)300mV，因此，心電放大器的前級(jí)增益不能過大。由于信號(hào)源內(nèi)阻可達(dá)幾十K、乃至所以，心電放大器的輸入阻抗必須在幾M以上。同時(shí)在有源低通濾波器中要求能夠有效地濾除與心電信號(hào)無關(guān)的高頻信號(hào)，最后在設(shè)計(jì)要求對(duì)某一頻段的信號(hào)能夠抑制或衰減。通過系統(tǒng)調(diào)試，最后得到放大、無噪聲干擾的心電信號(hào)。23總體電路框圖本電路設(shè)計(jì)主要是由五部分構(gòu)成。第一是前置放大電路。這一級(jí)增益選100250倍左右。第二是抑制共模信號(hào)電路。我采用了右腿驅(qū)動(dòng)電路，它不僅可以消除其中的共模電壓，還能提高共模抑制比，使信號(hào)輸出的質(zhì)量得到提高。第三是低通濾波電路。心電頻率一般在0.05-100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近，幅度為05mV，所以要對(duì)0.05-100Hz以內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，把這個(gè)頻率帶以外信號(hào)全部濾除。第四是工頻50Hz的帶阻濾波電路。本設(shè)計(jì)主要是采用了雙T帶阻濾波電路，它能夠?qū)δ骋活l段的信號(hào)進(jìn)行濾除。對(duì)于電源工頻產(chǎn)生的50Hz的噪聲，用它能有效選擇而對(duì)噪聲進(jìn)行濾除。第五是后級(jí)放大電路。心電信號(hào)需要放大上千倍才能觀測到，前置放大器增益只有100250左右，在這一級(jí)還需要放大410倍左右?？傮w電路框圖如圖2：3具體單元電路設(shè)計(jì)31前置放大電路的設(shè)計(jì)：-4-根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，前置級(jí)應(yīng)該滿足下述要求：1)高輸入阻抗。被提取的心電信號(hào)是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號(hào)，為了減少信號(hào)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(hào)源的內(nèi)阻為100k，則放大器的輸入阻抗應(yīng)大于1M。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(jí)須采用CMRR高的差動(dòng)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(duì)信號(hào)源的影響小，拾取信號(hào)的能力強(qiáng)，以及能夠使輸出穩(wěn)定。311方案（一）：三運(yùn)放儀用放大電路如圖3所示的同相并聯(lián)三運(yùn)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(jí)，主要用來提高整個(gè)放大電路的輸入阻抗。第II級(jí)采用差動(dòng)電路用以提高共模抑制比。將A3、A4兩個(gè)同相輸入運(yùn)放電路并聯(lián)，再與A5差分輸入串聯(lián)的三運(yùn)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(duì)差模信號(hào)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：A3、A4提高了差模信號(hào)與共模信號(hào)之比，即提高了信噪比，因差模信號(hào)按差模增益比放大，遠(yuǎn)高于共模成分（噪聲）；決定增益的電阻（R1、R2、R3）對(duì)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(diǎn)并不重要。電路的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)共模輸入信號(hào)沒有放大作用，共模電壓增益接近于零。這個(gè)因素不僅與實(shí)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(hào)出現(xiàn)，沒有被放大，還能被第二級(jí)抑制。這樣對(duì)于A3和A4的漂移要求就會(huì)降低。A3和A4前置放大級(jí)的差模增益要做得盡可能高，相比之下，第二級(jí)（A5）的漂移和共模誤差就可以忽略，對(duì)放大器的要求就可以大大降低。當(dāng)R4=R5，R6=R7+RP時(shí)，兩級(jí)的總增益為兩個(gè)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(diǎn)，可作為通用儀用放大器使用。圖3三運(yùn)放儀用放大器312方案（二）利用AD620來設(shè)計(jì)放大電路AD620是一種只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為11000的低價(jià)格、低功耗、高精度儀表放-5-大器。它體積小，為8管腳的SOIC或DIP封裝；供電電源范圍為2.3Vl8V；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5OV，最大輸入失調(diào)電壓漂移為lV/。C，最大輸入偏置電流為2.0nA。G=10時(shí)，其共模抑制比大于93dB。在1kHz處輸人電壓噪聲為9nv（Hz）1/2在0.1Hz10Hz范圍內(nèi)輸人電壓噪聲的峰-峰值為0.28V，輸入電流噪聲為0.1pA（Hz）1/2。G=l時(shí)它的增益帶寬為120kHz，建立時(shí)間為15s。總的來看，AD620的特點(diǎn)可歸結(jié)為如下幾點(diǎn)：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(hào)的前置調(diào)理器；只用一只外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)ll000；體積小，只有8個(gè)引腳；低功耗，最大的供電電流為1.3mA；價(jià)格低，建立時(shí)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(jí)：圖5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(dá)1M，甚至更高，AD620的低功耗、-6-低供電電壓及低噪聲特性得到了充分發(fā)揮。3.1.3方案（三）用MAX4194實(shí)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)：+2.7V單電源工作低功耗93ASupplyCurrent8AShutdownCurrent高共模抑制比：115dB(G=+10V/V)低輸入失調(diào)電壓：50V(G=+100V/V)G1000V/V時(shí)3dB帶寬為147Hz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(jì)。設(shè)計(jì)電路如下：圖63.1.4方案選擇及元器件選擇：三運(yùn)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。元件參數(shù)計(jì)算：這一級(jí)增益選為250，并聯(lián)雙運(yùn)放部分放大5倍，AD620部分放大50倍。選R1R220K，R310K，則AV1=2R1/R35。取R5R620K。C1、C2、R7、R8組成高通濾波網(wǎng)絡(luò)，截止頻率為0.025Hz。取R7R8200K,C1C233F，f1/2R7C10.024Hz。AD620部分放大50倍，由公式G=49.4k/RG+1計(jì)算得到，RG=1k。前級(jí)總放大倍數(shù)AV前=AV1G5（49.4+1）252。-7-32共模信號(hào)抑制電路321定義：為了說明差分式放大電路指引共模信號(hào)的能力，常用共模抑制比作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來衡量，其定義為放大電路對(duì)差模信號(hào)的電壓增益VDA與對(duì)共模信號(hào)的電壓增益VCA之比的絕對(duì)值，即VDCMRVCAKA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(qiáng)，放大電路的性能越優(yōu)良，因此希望CMRK值越大越好。共模抑制比也可以用分貝表示：20lgVDCMRVCAKdBA322右腿驅(qū)動(dòng)電路體表驅(qū)動(dòng)電路是專為克服50Hz共模干擾，提高CMRR而設(shè)計(jì)的，原理是采用以人體為相加點(diǎn)的共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋，其方法是取出前置放大級(jí)中的共模電壓，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路倒相放大后再加回體表上，一般的做法是將此反饋共模信號(hào)接到人體的右腿上，所以稱為右腿驅(qū)動(dòng)。通常，病人在做正常的心電檢測時(shí)，空間電場在人體產(chǎn)生的干擾電壓以及共模干擾是非常嚴(yán)重。而使用右腿驅(qū)動(dòng)電路就能很好地解決了上述問題。下圖就是右腿驅(qū)動(dòng)電路主要構(gòu)成。其中反饋共模電壓可以消除人體共模電壓產(chǎn)生的干擾，還可以抑制工頻干擾。323元器件參數(shù)計(jì)算：參數(shù)選擇：R41M，RF=10M，CF=4700pF（CF的作用是使右腿驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定）,R9=100K。右腿驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示：圖733低通濾波電路-8-要求：3dB頻率是100Hz，在200Hz的率減大于25dB。1)計(jì)算陡度系數(shù)AS。AS200/10022)選擇歸一化設(shè)計(jì)滿足低通要求。n3的巴特沃斯設(shè)計(jì)能滿足要求。下圖表示歸一化低通濾波器。圖83)把低通換算為所需的截止頻率和阻抗值。計(jì)算FSF.FSF=2100=628選Z10000，把所有電阻乘以Z，把所有電容除以ZFSF。下圖是所得到的低通濾波器。圖9下圖是模擬的低通濾波器的幅頻特性曲線。-9-圖103.4工頻50Hz的濾除電路工頻干擾是心電信號(hào)的主要干擾，雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級(jí)電路輸