模電——低功耗心電放大器設計報告教材

1、 模擬電子電路設計 低功耗心電放大器設計報告 學院： 電氣工程學院 班級： 姓名： 學號： 1412021061 日期： 2016 .7.1 1. 概述 心臟是循環(huán)系統(tǒng)中重要的器官。 由于心臟不斷地進行有節(jié)奏的收縮和舒張活 動，血液才能在閉鎖的循環(huán)系統(tǒng)中不停地流動。 心臟在機械性收縮之前， 首先產(chǎn) 生電激動。 心肌激動所產(chǎn)生的微小電流可經(jīng)過身體組織傳導到體表， 使體表不同 部位產(chǎn)生不同的電位。 如果在體表放置兩個電極， 分別用導線聯(lián)接到心電圖機 （即 精密的電流計 ）的兩端，它會按照心臟激動的時間順序，將體表兩點間的電位差 記錄下來，形成一條連續(xù)的曲線，這就是心電圖。 基本心電圖如上所示，包含

2、如下幾個波段： P 波 兩心房除極時間 P-R 間期 心房開始除極至心室開始除極時間 QRS波群 全心室除極的電位變化 ST段 心室除極剛結束尚處以緩慢復極時間 T 波 快速心室復極時間 2. 設計背景 心電放大器是一種常見的生物電放大儀器，在如今已經(jīng)得到了廣泛的應用， 并已經(jīng)研發(fā)出了便攜家用的醫(yī)療儀器。 心電放大器可以實時觀測被測者的心電信 號，有助于病征的觀測，并能輔助診斷。心電放大器作為精密醫(yī)療儀器，在現(xiàn)代 的應用越來越廣泛，低成本是它的一個重要趨勢。 心電信號有幾個顯著的特點 1) 心電信號很微弱，其幅值為 10 V(胎兒) -4mV(成人)，放大倍數(shù) 約為 5001000 倍； 2)

3、 頻率很低，約為 0.05Hz-75Hz，能量主要集中在 17Hz 附近； 3) 有很強的隨機性，并不穩(wěn)定。 4) 人體作為信號源，本身內(nèi)阻很大。 5) 干擾多。如肌電等人體噪聲，以及在心電放大器中不可避免的工頻 等設備噪聲。 3. 設計意義 1) 對心律失常和傳導障礙具有重要的診斷價值； 2) 對心肌梗塞的診斷有很高的準確性，它不僅能確定有無心肌梗塞， 而且還可確定梗塞的病變期部位范圍以及演變過程； 3) 對房室肌大、心肌炎、心肌病、冠狀動脈供血不足和心包炎的診斷 有較大的幫助； 4) 能夠幫助了解某些藥物(如洋地黃、奎尼丁)和電解質紊亂對心肌 的作用。 4. 設計要求 1) 輸入電阻 5M

4、 2) 共模抑制比 80dB 3) 輸出擺幅 2.5V(采用單片機采集時動態(tài)范圍 28) 4) 頻帶： 0.05 75Hz 5) 功耗 5mA 6) 直流供電，使用三節(jié) 1.5V 干電池，便于攜帶 5. 總體方案設計 本項目通過模擬電路對信號進行一些列處理， 最終實現(xiàn)在示波器上顯示 波形。經(jīng)過分析將電路大致分為幾個模塊，包括信號采集放大模塊，信號濾 波模塊，信號 50Hz陷波處理模塊， 電平提升模塊。 前置放大采用的是差分放 大，濾波采用二階低通濾波器， 50Hz陷波采用雙 T 網(wǎng)絡，最后經(jīng)由電平提升 輸出到顯示屏。 6. 各模塊功能實現(xiàn) A. 信號采集放大模塊（ R11表示第一個模塊中第一個

5、電阻） 總體概述 如下圖，采用 protues 仿真 心電信號非常微弱，為 mV 量級，只有對其進行放大到適當范圍才能夠進行 更多的采集和處理，這些都決定了信號放大電路成為整個系統(tǒng)設計成敗的關鍵。 如上圖所示的同相并聯(lián)三運放結構， 這種結構可以較好地滿足高輸入阻抗， 高共 模抑制比，低噪聲的要求。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。 B信號放大 運放放大電路，采用 LM358 芯片構成差動放大電路，根據(jù)虛短、虛斷的概 念，不難分析 U2:1A 、U2:1B 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( R12+2R11)

6、/ R12 倍。 AD620 是一種只用一個外部電阻就能設置放大倍數(shù)為 11000 的低功耗、高 精度儀表放大器。盡管 AD620 由傳統(tǒng)的三運放放大器發(fā)展規(guī)律而成 ,但一些主要 性能卻優(yōu)于三運算當代器構成的儀表放大器設計 ,電源范圍寬 ( 2.3V- 18V),設計 體積小,功耗非常低 (最大供電電流僅為 1.3mA)因而使用于低電壓、 低功耗的應用 場合。內(nèi)部增益電阻被精確確定為 24.7k 使,得運放增益精確地由 Rg 確定 49.4K 部增益為 G 49.4K 1 Rg U2:1A(+IP) +5V U2:1A LM324 -5V R11 20k Vi- R14 100k R12 10

7、k R13 20k R15 100k -5V 11 2 1 +5V U2:1B LM324 其中差動放大電路部分放大了 5 倍，因為其本身受極化電壓的影響，放大倍 數(shù)應為 5 倍左右。而 AD620核心放大器放大倍數(shù)可經(jīng)過滑動變阻器調(diào)節(jié)， 使這個 電路的放大倍數(shù)達到 100 倍左右，使信號能夠更好的進行濾波等后期處理。 C無源高通濾波電路 由于心電信號本身有頻帶，同時也存在著諸多干擾，因而濾波電路是整個心 電放大器成功的關鍵所在。項目中的頻帶為 0.05Hz 75Hz，因而設計了截止頻 率為 0.0482Hz 的高通濾波電路。 截止頻率為： 1 2 RC f 0.0482Hz 將高通濾波器配合

8、差模驅動放置在前置放大電路的差動放大電路與核心放大 電路之間能后有效的抑制極化電壓，減小噪聲，提高電路的共模抑制比。 C11(1) C11 10uF R16 330k D右腿驅動電路 本項目中采用心電點擊采集心電信號，通過采用標準導聯(lián)反映肢體間的電位 差，從而產(chǎn)生心電信號。因而需用右腿驅動電路，電路圖如下： E. 低通濾波電路模塊 由于前面的高通網(wǎng)絡已經(jīng)考慮了高通濾波的情況， 這里僅考慮低通濾波的情 況。而且考慮高通的截止頻率不高， 故采用階數(shù)太高的濾波器。 本課題濾波器的 作用為濾掉大于 75Hz 的高頻的干擾。采用有源低通濾波器有一些好處，一方面 有源濾波器在通帶內(nèi)信號不僅可以沒有衰減，

9、還可以有一定的增益， 而在阻帶內(nèi)， 其阻抗頻率特性隨頻率而急劇改變， 故選頻性能好， 另一方面輸入阻抗高， 輸出 阻抗低，不需要阻抗匹配，輸入、輸出之間有良好的隔離。巴特沃斯濾波電路實 現(xiàn)了通過帶內(nèi)較高的幅值平坦性， 符合心電濾波的要求。 采用一階無源高通濾波 器和二階巴特沃思低通濾波器作為本系統(tǒng)的濾波電路，電路圖如下所示： R21 22k +5V -5V C22 U1:2A(OP) 采用歸一化算法，由 R= ABCD ，取 F=75Hz ， C=0.1uF，得 R=21.22k ，取 22k。 2 FC 信號源為 10Hz 時的濾波 信號源為 50Hz 時的濾波 9 信號源為 100Hz 時

10、的濾波 信號源為 200Hz 時的濾波 10 實際焊接圖片 F. 50Hz 陷波電路模塊 帶阻濾波器電路是用來抑制或衰減某一頻段的信號， 而讓該頻段以外的所有 信號通過。 這種濾波電路也叫陷波電路， 經(jīng)常用于電子系統(tǒng)抗干擾。 在設計當中 尤其要注意帶阻濾波器防止發(fā)生如切頻等情況。該電路的功能就是在=50Hz 之外的信號可以通過，而在陷波處把要濾除的信號濾除掉。如圖是RC雙 T 帶阻 濾波選頻放大器。 RC 雙 T 帶阻濾波選頻放大器框圖 其閉環(huán)增益為： VoAV Vi 1 AVF 式中， Avf 、 F 均為信號頻率的函數(shù)。 當信號頻率與 RC雙 T電路的中心頻率 fo相同時，RC雙 T電路的

11、傳遞系數(shù) F=0，此時無反饋作用，則有 Avf = AV ，即反饋放大器增益 Avf 等于開環(huán)放大 器 AV ；當信號頻率偏離 fo達某值時，雙 T電路反饋系數(shù) F最大，即F=1， 這時是深度負反饋。 AV 1 11 AVf AV 1 AV F 則 AVf F 1 顯然,RC雙 T電路的頻率特性很重要 RC雙 T 帶阻濾波電路 （如圖） ： R31 47k C31 R32 47k C32 0.068u U31:B C33 0.068u C34 0.068u R33 47k R34 47k 0.068u 濾波器的特性參數(shù)為： 1 取 C0.068 F。由R，從而得 R=46.9k（ 取 47k）

12、 2 FC 1 C13 R14 Q 0.25（1 k） k 值越大，Q 值越高，頻率選擇性越好， 但這樣會導致濾波器性能不穩(wěn)定， 阻 帶寬度也加大。通過認真篩選元件、調(diào)整電位器 RV32 通過改變值可使 50Hz 陷波深度達到 -25dB，帶寬為 10Hz（45 55Hz） 且濾波器穩(wěn)定，滿足心電檢測的 要求。 12 信號源為 30Hz 信號源為 40Hz 13 信號源為 50Hz 信號源為 60Hz 14 使輸出信號可達到 V 的量級， 電路圖如 G. 電平提升模塊 該部分電路主要起調(diào)節(jié)增益的作用， 下所示 R42 30k RV42 U1:4A(OP) +5V 15 因第一個模塊中放大倍數(shù)接

13、近 100 倍，這個模塊只需放大倍數(shù)接近 910倍 即可。放大倍數(shù)通過滑動變阻器 RV42來調(diào)節(jié)，如上圖示波圖形，放大倍數(shù)接近 十倍。 在輸入端加入電容組成一階無源濾波電路。 其傳遞函數(shù)為： (RV42 R42) C41 S RV42 R42S H S = 1 S R41.C41R41S 1 R41C41 得出其幅頻特性為 : H jRV42 R42 R412 1 2 ( R41C41)2 其中 RV42 R42 為通帶內(nèi)要求的放大倍數(shù)，現(xiàn)在考慮傳遞函數(shù)的后半部分 R41 令H2j 21 ( R41C41)2 對于高通的情況由于 w 很小，所以 H2 jR41C41 當截止頻率 f=0.05H

14、Z 時，有 R41C41=2.25S,取 R41=22.5K, C41=100F，由 16 于手上沒有 22.5K，所以選擇了 24K 的 1) 因為元件精度問題導致的共模變差模，降低了電路的共模抑 制比以及放大器的性能。 2) 陷波電路不能在電路中起到很好的作用， 增加 50Hz 陷波電路 的 Q 值調(diào)制模塊可以解決這一問題。 3) 右腿驅動電路在心電信號采集時十分關鍵，要注意右腿采集 的位置以及電阻和電容的選取。 8. 用到的元器件參數(shù) LM324 主要參數(shù) 電壓增益 100dB 單位增益帶寬 1MHz 單電源工作范圍 3V30VDC 每個運放功耗 ;工作電流為 0.7mA 輸入失調(diào)電壓 2mV (最大值 7mV ) 輸入偏置電流