《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)心電圖儀設(shè)計(jì)與制作

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 1 - 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 通信工程通信工程 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 工作單位：工作單位： 信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 題題 目目: : 心電圖儀設(shè)計(jì)與制作心電圖儀設(shè)計(jì)與制作 初始條件：初始條件：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)知識、會(huì)使用 multisim 進(jìn)行仿真分析. 要求完成的主要任務(wù)要求完成的主要任務(wù): : 制作一路心電信號放大器，技術(shù)指標(biāo)如下： a電壓放大倍數(shù)：1000，誤差： 5； b3db 低頻截止頻率：0.05hz（可不測試，由電路設(shè)計(jì)予以保證） ； c3db 高頻截止頻率：30hz，誤差：5hz；

2、d頻帶內(nèi)響應(yīng)波動(dòng)：在3db 之內(nèi)； e共模抑制比： 60db（含 1.5m 長的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線，共模輸入電壓范圍： 7.5v） ； f差模輸入電阻： 5m（可不測試，由電路設(shè)計(jì)予以保證） ； 時(shí)間安排：時(shí)間安排： 序號安排內(nèi)容內(nèi)容所需時(shí)間（天） 1 電路方案設(shè)計(jì) 1 2 電路仿真與分析 2 3 撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告 1 4 答辯 1 合計(jì) 5 指導(dǎo)教師簽名：指導(dǎo)教師簽名： 年年 月月 日日 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 2 - 系主任（或責(zé)任教師）簽名：系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年年 月月 日日 目 錄 摘摘 要要 .3 引引 言言 .4 1 1 設(shè)計(jì)方案比較設(shè)計(jì)方案比較 .5 1.1 光電

3、效應(yīng)手指脈搏傳感器.5 1.2 壓電陶瓷式脈搏傳感器.6 1.3 銅片式脈搏傳感器.6 2 2 單元電路設(shè)計(jì)單元電路設(shè)計(jì) .8 2.1 前置放大部分.8 2.2 帶通濾波電路.11 2.3 后級放大電路.12 3 3 仿真結(jié)果及分析仿真結(jié)果及分析 .13 3.1 前置放大電路部分仿真.13 3.2 帶通濾波部分仿真.13 3.3 放大部分仿真.14 3.4 整體電路仿真.15 4 4 總結(jié)總結(jié) .17 5 5 元件清單元件清單 .18 6 6 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .19 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 3 - 摘 要 本文主要介紹了如何應(yīng)用放大電路，抑制共模信號電路，低通濾波電路及 后

4、級放大電路設(shè)計(jì)簡易心電圖儀.本文還介紹了心電信號的特點(diǎn)及其對放大電路 的要求.對于具體的單元電路設(shè)計(jì)也做了簡要介紹. abstact this paper mainly introduces how to apply the amplifier circuit and suppress common mode signal circuit,low-pass filter circuit and after-class amplifier design simple electrocardiograph.this article also describes the characteristic

5、s of ecg and its impact on amplifier requirements.with regard to the specific circuit design unit also made a brief introduction. 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 4 - 引 言 心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段.心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查 儀的關(guān)鍵部件. 如下圖所示,心電信號主要由 p 波、qrs 波群、t 波組成.正常 p 波的寬度不超過 0.11s，最高幅度不超過 2.5mm.正常人的 qrs 波群最高不超過 0.10s。而 t 波不應(yīng)低于 r

6、波 1/10.其主要頻率范圍為 0.0530hz,幅度約為 05mv,信號十分微弱. 心電信號圖 由于心電信號中通常混雜有其它生物電信號,加之體外以 50hz 工頻干擾為 主的電磁場的干擾,使得心電噪聲背景較強(qiáng),測量條件比較復(fù)雜.為了不失真地檢 出有臨床價(jià)值的干凈心電信號,往往要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定 性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強(qiáng)抗干擾能力等性能.本文利用 op07 芯片設(shè)計(jì)了一種符合上述要求的多路心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng). 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 5 - 1 設(shè)計(jì)方案比較 1.1 光電效應(yīng)手指脈搏傳感器 圖 1-1 利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的

7、換能元件用硅光電池.由于心 臟的跳動(dòng),引起手指尖的微血管的體積發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)光通過手指尖射到硅 光電池時(shí),產(chǎn)生光電效應(yīng),這樣就把 人體的脈搏轉(zhuǎn)換為相應(yīng)于脈博的電 信號, 方便檢測. 一級放大電路部分:采用運(yùn)放 lm324 作為放大芯片,把指尖取出 的極微弱的 0.1ua3 ua 的電流放 大約 20 倍. 昂二階低通濾波部分: 按人體脈搏在最高跳動(dòng)次數(shù) 240 次/min 計(jì)算，據(jù) 歸一化法設(shè)計(jì)低通放大器，-3db 截止頻率為 14hz. 電源部分采用電池供電. 其優(yōu)點(diǎn)是,電路結(jié)構(gòu)簡單,易于制作. 但缺點(diǎn)是,光電效應(yīng)手指脈搏傳感器價(jià)格貴,且入射光強(qiáng)太強(qiáng)時(shí),會(huì)使輸出飽 和. 此外,由于缺少陷

8、波部分的設(shè)計(jì),50hz 的工頻信號會(huì)給電路帶來極大干擾, 使輸出信號失真. 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 6 - 1.2 壓電陶瓷式脈搏傳感器 圖 1-2 選用壓電陶瓷片 htd 作為傳感器，把人 體的脈搏震動(dòng)轉(zhuǎn)換成為 電信號輸入到放大整形 電路的輸入端口. 其優(yōu) 點(diǎn)是制作方便,但價(jià)格相 對較貴. 數(shù)據(jù)采集部分,用 op07 這種具有一定精度的普通運(yùn)算放大器來構(gòu)建放大電 路. 濾波部分選用數(shù)字濾波.數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)可調(diào)節(jié)性好，可以通過更改 程序中的參數(shù)對截止頻率進(jìn)行精確的調(diào)節(jié).由于參數(shù)不會(huì)隨溫度等環(huán)境因素改變 從而精確度得到保證，但是數(shù)字濾波對處理器的要求比較高，想要得到更好的

9、 濾波效果就要求濾波器取更高的階數(shù)，處理器時(shí)鐘周期盡可能小，乘法的計(jì)算 速度盡可能大，一般非 dsp 處理器達(dá)不到要求. 電源部分采用 7805 和 7905 輸出正負(fù)五伏直流電壓為運(yùn)算放大器供電. 1.3 銅片式脈搏傳感器 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 7 - 圖 1-3 銅片式脈搏傳感器的原理與壓電陶瓷類似,由于銅片的形變產(chǎn)生相應(yīng)的電信 號. 其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉,但缺點(diǎn)是極易受到干擾. 前置放大電路選用儀用放大器 op07 作為前置放大器. 由于人體心電信號十 分微弱,噪聲背景強(qiáng)且信號源阻抗較大,加之電極引入的極化電壓差值較大(比心 電差值幅度大幾百倍),因此,通常要求前置放大器

10、具有高輸入阻抗、高共模抑制 比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能, op07 具有 高輸入阻抗、低噪音、高精度、較高建立時(shí)間、低功耗等特性,而理論上其共模 抑制比為無窮大,非常適合作為醫(yī)療儀器前置放大器使用. 濾波部分選用 op07 組成的二階帶通濾波器.其濾波效果比一階濾波明顯,又 不像高階濾波會(huì)因?yàn)殡娮桦娙堇鄯e誤差過大影響濾波效果. 后級放大部分用 op07 做放大，電源部分采用正負(fù) 12v 直流電壓為運(yùn)算放大 器供電. 因此,綜合各種原因考慮,決定使用銅片式脈搏傳感器. 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 8 - 2 單元電路設(shè)計(jì) 2.1 前置放大部分 因?yàn)榻?/p>

11、受的信號非常微弱，對于后級的信號處理和測量較難實(shí)現(xiàn)，所以在 進(jìn)行信號處理之前必須先對信號進(jìn)行前置放大.對前置放大電路的要求是超低的 噪聲，捕獲信號的能力較強(qiáng)（因?yàn)樾盘柺欠浅Ｎ⑷醯模?，所以這就需要前放電路 有很大的輸入電阻.那么根據(jù)這一要求，查資料比較之后，我選擇了 op07 這一 芯片，該芯片的特點(diǎn)是雙電源供電，內(nèi)部噪聲小. 對于前放有兩種接法，同相放大和反相放大兩種.下面分別討論. (1)同相放大電路 對于同相放大電路，其基本電路示意圖如圖 2-1 所示： 圖 2-1 同相輸入 我們知道，理想的運(yùn)算放大器有一個(gè)特點(diǎn)：輸入電阻無窮大.所以根據(jù)其示 意圖可以看出，對于同相電路的接法，其輸入電阻

12、即為運(yùn)放的內(nèi)阻，可是為無 窮大，這樣電路捕獲信號的能力很強(qiáng)，適合作為前置放大.同時(shí)這樣做也就保證 了輸入電阻5m 歐. 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 9 - (2)反相放大電路 電路示意圖如圖 2-2 所示: 圖 2-2 反相輸入 從該電路的特點(diǎn)我們可以看出，該電路的輸入阻抗可近似看成 r1 的阻抗， 因?yàn)槲覀冃枰东@信號的能力很強(qiáng)，盡管可以增加 r1 來提高捕獲微弱信號的能 力，但是要保證輸入電阻5m 歐的話，這樣大的電阻會(huì)帶來很大的熱噪聲，而 且這樣也要求反饋電阻更大，進(jìn)一步加大熱噪聲，這樣非常不利于微弱信號的 放大. 根據(jù)以上的比較，前放電路選擇了同相放大的電路形式. 武漢理

13、工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 10 - 前置放大電路設(shè)計(jì)電路如圖 2-3 所示： 圖 2-3 前置放大電路 這一級的放大倍數(shù)為 a=1+r2/r1，選擇這一級放大倍數(shù)為 50，由于芯片已 經(jīng)保證輸入電阻無窮大，所以 r1 可不取很大，取 r1=10k，那么 r2 就取 490k. 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 11 - 2.2 帶通濾波電路 如圖 2-4 所示,帶通濾波由雙運(yùn)放集成電路 op07 構(gòu)成.op07 具有高精度,低 偏置,低功耗等特性,片內(nèi)集成了兩個(gè)運(yùn)放,可靈活組成各類放大和濾波電路.由 于心電信號主要集中在 0.05hz 到 30hz 的頻帶范圍內(nèi),因此,采用

14、op07 的兩個(gè)運(yùn) 放分別設(shè)計(jì)二階有源高通和低通濾波器組合成帶通濾波.op07 采用正負(fù) 12v 直 流電源供電.濾波部分的放大倍數(shù)為 1. 圖 2-4 帶通濾波電路 其中 c3,c4,r1,r4 構(gòu)成二階高通濾波器,為了不損失心電信號的低頻成分, 其截止頻率設(shè)計(jì)為 f=0.05hz.那么,w=2f=0.31416rad/s. 選取電容 c3=c4=22uf,則參數(shù) k=100/(fc)=90.9.查閱二階高通濾波器設(shè)計(jì)表并綜合壓控 電壓源性能參數(shù)計(jì)算公式 w*w=1/( c3*c4*r1*r4)可得,選取,r1=100k,r4=200k 即可.同樣,選取 c1,c5,r2,r3 構(gòu)成低通濾波

15、器.為了不損失其高頻成分,截止頻 率設(shè)計(jì)為 30hz. 那么,w=2f=188.496 rad/s. 由計(jì)算公式 w*w=1/( c1*c5*r2*r3)可得,選取,c1=3.3 uf,c5=1uf,r2=2.6k,r3=4.7k 即可滿足條件. 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 12 - 2.3 后級放大電路 后級放大電路如圖 2-5 所示： 圖 2-5 后級放大電路 由于前置放大部分選擇的放大倍數(shù)為 50，所以這一級放大倍數(shù)選擇為 20， 后級放大使用反相放大電路，其電壓增益為 a=r2/r1，取 r1=10k,則 r2 取 200k 即可. 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)

16、- 13 - 3 仿真結(jié)果及分析 本實(shí)驗(yàn)采用 multisim 軟件進(jìn)行仿真，仿真過程及分析如下. 3.1 前置放大電路部分仿真 仿真波形及幅值如圖 3-1： 圖 3-1 輸入電壓峰值為 4mv，而輸出電壓峰值為 399/2=199.5mv，計(jì)算得放大倍數(shù) 為 199.5/4=49.9，與設(shè)計(jì)時(shí)所預(yù)想的誤差非常小. 3.2 帶通濾波部分仿真 帶通濾波 20hz 時(shí)波形如圖 3-2： 圖 3-2 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 14 - 此時(shí)輸出峰峰值 810mv，而輸入峰峰值為 800mv，沒有失真，放大倍數(shù)幾乎 為 1，符合設(shè)定要求. 30hz 時(shí)波形如圖 3-3： 圖 3-3 可

17、見 30hz 時(shí)輸出峰峰值將為 554mv，符合設(shè)計(jì)要求的-3db 時(shí)高頻截止幅值 頻率 30hz，即 800*0.7=560 mv. 由于 1hz 以下頻率太低，函數(shù)發(fā)生器不穩(wěn)定，無法正常測試，所以不再測 試. 3.3 放大部分仿真 放大部分仿真波形如圖 3-4 所示： 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 15 - 圖 3-4 放大部分波形 輸入電壓峰值為 200mv，輸出電壓峰值為 8/2=4v，所以這一級放大倍數(shù)為 4/0.2=20，與設(shè)計(jì)要求完全符合. 3.4 整體電路仿真 將前置放大，帶通濾波，后級放大級聯(lián)，如圖 3-5： 圖 3-5 整體電路圖 輸入 20hz，峰值 4mv(

18、即峰峰值 8mv)正弦信號，得到的輸出波形及參數(shù)如 圖 3-6： 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 16 - 圖 3-6 輸入峰值為 4mv(即峰峰值 8mv)，而頻率為 30hz 正弦波信號時(shí)，輸出波形 及幅值如圖 3-7： 圖 3-7 可以看到，當(dāng)信號頻率為 20hz 時(shí)，輸出信號峰峰值為 8.11v，計(jì)算放大倍 數(shù)為 8.11*1000/8=1013.75，誤差為 1.375%，在 5%誤差范圍內(nèi). 當(dāng)輸入 30hz 信號時(shí)，輸出信號峰峰值為 5.55v，-3db 截止頻率 30hz 時(shí)峰 峰值應(yīng)為 8*0.7=5.6v，誤差為 0.89%. 至此,整套系統(tǒng)的模擬已經(jīng)全部完成.

19、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 17 - 4 總結(jié) 心電系統(tǒng)的前向通路對目前面世的許多醫(yī)學(xué)儀器起著不可漠視的重要角色； 這相當(dāng)于一個(gè)基石，沒有了它，很多心血管病人不能得到正確的診斷，所以當(dāng) 前對心電的研究是至關(guān)重要的.剛要做時(shí)，我覺得無法入手，經(jīng)過長時(shí)間的對相 關(guān)資料的了解，明白自己首要做的事情就是要了解心電信號的特點(diǎn)，因?yàn)樾碾?信號輸出時(shí)的幅度不上 5mv，那么選擇一個(gè)適合的放大器對設(shè)計(jì)是第一個(gè)要點(diǎn)， 在課題的一步步設(shè)計(jì)下去，碰到的問題不少，如放大電路中芯片的選擇，在對 比心電放大的各種要求才確定一個(gè)最方便、最實(shí)用的辦法.根據(jù)心電信號的特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了一個(gè)二階帶通濾波器來對信號進(jìn)行濾

20、波，也使我明白了多階濾波器的設(shè) 計(jì). 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 18 - 5 元件清單 函數(shù)發(fā)生器 一臺(tái) 示波器 一臺(tái) 電阻 200k 2 個(gè) 1k 10k 20k 490k 100k 2.6k 4.7k 各一個(gè) 電容 22uf 2 個(gè) 3.3uf 1uf 各一個(gè) op07aj 4 個(gè) 12v 工作電源 8 個(gè) 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 19 - 6 參考文獻(xiàn) 1 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) ，吳有宇主編，伍時(shí)和、凌玲副主編，清華大學(xué)出 版社 2 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) ，孫梅生等編著，高等教育出版社 3 電工學(xué) （第六版） ，姚金生 、鄭小利等編著，高等教育出版社 4 元

21、器件 （修訂版） ，秦曾煌編著，電子工業(yè)出版社 5 新型集成電路的應(yīng)用-電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) ，梁宗善主編，華中科 技大學(xué)出版社 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 20 - 本科生課程設(shè)計(jì)成績評定表本科生課程設(shè)計(jì)成績評定表 姓姓 名名殷翔殷翔性別性別 男男 專業(yè)、班級專業(yè)、班級通信工程通信工程 0806 班班 課程設(shè)計(jì)題目：課程設(shè)計(jì)題目： 心電圖儀設(shè)計(jì)與制作心電圖儀設(shè)計(jì)與制作 課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄：課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄： 1.電路各級工作原理 2.前置放大怎么保證輸入電阻以及共模抑制比 3.濾波部分的作用以及通頻帶 4.op07 簡要特點(diǎn) 成績評定依據(jù)：成績評定依據(jù)： 最終評定成績

22、（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定） 指導(dǎo)教師簽字：指導(dǎo)教師簽字： 2010 年年 月月 日日 ut2apodfxxc02gybkskcww97mrqqwhoj5tl15zt6jipyytycummtarp3v1n5luizi3xh3bhwyreko8d9g7nmzqowpjetldrw08gvs8dsdqqygc3ce7moo2tlf0jf1gk74iuxybmtivr97ckrfvqult5fn2t6mpjr6rbzvpsortzvij5nb5ndvvsr4iwr1twlfkglspzuhrjq3cmzu98euouijdlszqpmvrw9zk

23、upxf8wfug9l2g9277g2rtipa1ypczeuqxpkbhtvdcooqozxuz3vjrzmocijym62zchmeootyes8ebmm932tbz2yo09rtszeys8zrd2yktj8l6jeazvajnfbtrylvsm6ofbftoxvrffn7owiygjlamkunxjybz5rrb7r4vsur9zpfzfmfsjhcfca37lnw2vvlrkn7r8psz1bn6oric5hu5z6hcxayqynpog8duybawqsl20csg06dh2sm8hltgpkicskrgopdpuhbj1lmpk7lydvc6nnmwl3fwhzftfvyaary

24、7lhssxj10v3ph3y19bxyr77ib7cpzsu2tijqe3hkqkkau9kskcphkxuikvvyjzpg2yijrkqfbggovyqkuxnwi9omnjtt6qilzxtyrf7d20fbmabcfiixrqkusvnxbppfuxyq1fjskfsubkgs2duvqc9sz4jkbgn4qqv66pyoarjurnfj3txyfclzieeptwfjthpheipdf 武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) - 21 - nqnr2hjqkv2dzwtmpdjqkbcxmovdsjqctjagjmdlskpgad2s0h0vmzgaht36gyuez7umank1

25、ndreubeqdgrx0venqgnsyib2ilq3siqrnl4m56t7z8y8da5k0kupn5nzg4jvjdtffhyt82aogqkxo4vblmleiy2p7hthbho07rcfttxodydppdtqso7wxd0j6fkklgm4wodzplhtrr2xgqn13hqy59zu1gegdyqnihntavsieuefqcyfucjwd3vk5i7ykmhundmiz ut2apodfxxc02gybkskcww97mrqqwhoj5tl15zt6jipyytycummtarp3v1n5luizi3xh3bhwyreko8d9g7nmzqowpjetldrw08gvs8dsdqqygc3ce7moo2tlf0jf1gk74iuxybmtivr97ckrfvqult5fn2t6mpjr6r