心電前置放大器設計說明書

1、生物醫(yī)學電子學課程設計說明書1一、生物醫(yī)學信號的基本特征一、生物醫(yī)學信號的基本特征.31、頻率特性、頻率特性.32、幅值特性、幅值特性.33、信號源阻抗高、信號源阻抗高.34、強噪聲和干擾、強噪聲和干擾.3二、對生理參數(shù)放大器的要求二、對生理參數(shù)放大器的要求.31、增益高、增益高.32、輸入阻抗高、輸入阻抗高.33、噪聲極低、噪聲極低.34、共膜抑制比高、共膜抑制比高.35、基線漂移小、基線漂移小.36、頻帶適當、頻帶適當.37、隔離阻抗大、隔離阻抗大.3三、濾波器的選擇與參數(shù)設定三、濾波器的選擇與參數(shù)設定.41、考慮是否采用電子元件、考慮是否采用電子元件.42、考慮截止頻率附近的幅頻、相頻特

2、性、考慮截止頻率附近的幅頻、相頻特性.43、考慮通帶和阻帶所處范圍（幅頻特性）、考慮通帶和阻帶所處范圍（幅頻特性）.4（1）放棄使用帶通濾波器.4（2）采用高、低通濾波器疊加濾波.5（3）增加陷波器。.7四、設計流程圖四、設計流程圖.7五、設計電原理圖五、設計電原理圖.8六、設計具體說明六、設計具體說明.81、同相并聯(lián)型差動放大器、同相并聯(lián)型差動放大器.8生物醫(yī)學電子學課程設計說明書2（1）電路構成.8（2）高共模抑制比.9（3）差模電壓放大倍數(shù).9（4）作用.92、反相放大器、反相放大器.9（1）放大倍數(shù).10（2）作用.103、四階高通濾波器、四階高通濾波器.104、四階低通濾波器、四階低

3、通濾波器.115、陷波器、陷波器.116、整體參數(shù)選用情況、整體參數(shù)選用情況.12（1）具有較高輸入阻抗.12（2）放大器差動增益.13（3） 具有較高共模抑制比.13（4）等效輸入噪聲.14（5）頻帶范圍.147、設計的仿真情況、設計的仿真情況.14七、思考七、思考.15八、設計心得八、設計心得.16九、參考文獻九、參考文獻.16生物醫(yī)學電子學課程設計說明書3課程設計說明書課程設計說明書一、生物醫(yī)學信號的基本特征一、生物醫(yī)學信號的基本特征1、頻率特性絕大多數(shù)生物醫(yī)學信號處在 dc 至 10khz 之間，并具有較寬的頻帶。我們認為 ecg 處在 0.5hz 至 100hz。2、幅值特性 絕大多

4、數(shù)生物醫(yī)學信號非常微弱。ecg 在 mv 級。3、信號源阻抗高生物電信號源自活體，內阻在 k、m 級。4、強噪聲和干擾（1）干擾）干擾（來自測量系統(tǒng)外部的無用信號）：人體屬于電的良導體，而且“目標”大，難以屏蔽，很容易接受外部電磁波干擾。普遍存在的工頻 50hz 干擾幾乎落在所有生物電信號的頻帶范圍之內，完全淹沒微弱的生物電信號。（2）噪聲）噪聲（來自測量系統(tǒng)內部的無用信號）：分人體噪聲和儀器內部噪聲（電噪聲） 。采集 ecg 時肌肉顫動和呼吸運動形成噪聲。電噪聲由儀器內部載流子的無規(guī)則熱運動造成，也稱熱噪聲。二、對生理參數(shù)放大器的要求二、對生理參數(shù)放大器的要求1、增益高2、輸入阻抗高對信號源

5、的影響小，拾取的信號強。3、噪聲極低不淹沒極其微弱且信噪比低的生理弱信號。4、共膜抑制比高清除工頻及電極極化電位的干擾。5、基線漂移小使頻帶下限低放大倍數(shù)高的電路不致飽和，便于級連。6、頻帶適當抑制噪聲，防采樣混疊。7、隔離阻抗大切斷地線回路，確保人身安全。生物醫(yī)學電子學課程設計說明書4三、濾波器的選擇與參數(shù)設定三、濾波器的選擇與參數(shù)設定1、考慮是否采用電子元件由于生理信號頻率較低，選用有源濾波器。2、考慮截止頻率附近的幅頻、相頻特性較適合生理信號特征的濾波器有巴特沃茲濾波器和塞貝爾濾波器。前者適用于注重頻度有較好截止特性的場合，后者適用于注重相位的場合。由于本設計要求頻度有較好的截止特性，所

6、以選用巴特沃茲濾波器。3、考慮通帶和阻帶所處范圍（幅頻特性）（1）放棄使用帶通濾波器）放棄使用帶通濾波器設計要求頻帶范圍在 0.5hz 到 100hz，最直接的選擇是帶通濾波器（帶通濾波器的電原理圖如圖 1） 。根據中心頻率=7.07hz0fhplpff*確定相關參數(shù)： 000121002rcfkr圖 1 帶通濾波器電原理圖然而，二階帶通濾波器的截止陡度不夠，雖然可以用多個二階帶通濾波器串聯(lián)來增加截止陡度（即增大品質因數(shù) q） ，但是 q 與通帶寬度 b 滿足如下關系：（ 為帶通濾波器的中心頻率 ）0fqfb0即：中心頻率恒定，級連增大 q 的同時，帶寬 b 變窄，二、四、六階帶通濾波器的幅頻

7、曲線如圖 2：生物醫(yī)學電子學課程設計說明書5圖 2 帶通濾波器的幅頻曲線二、三、四階分別對應紅、藍、綠線。 比較可見，隨著階數(shù)的增加，頻帶陡度明顯增加，但同時頻帶寬度也明顯減小，被測信號通過二階帶通濾波器級連構成的多階帶通濾波器，低于0.5hz 和高于 100hz 被濾除的同時，會出現(xiàn)明顯的失真。圖 3 為通過四階帶通濾波器前后的的波形圖。 其中，紅線表示混有白噪聲的心電信號經過三運放和反相器，進入四階帶通濾波器前的波形，綠線表示四階帶通濾波器的輸出波形?？梢钥闯觯狠敵霾ㄐ坞m然去除了一些“毛刺” ，這些“毛刺”的頻率應在 0.5hz 至 100hz 以外，但是心電波形明顯失真，拿最明顯的 qr

8、s 波來說，甚至發(fā)生了反相，查相關資料獲知 qrs 波的頻率約為 17hz，在通帶范圍內，但由于頻帶很陡，與頻率為 7.07hz（中心頻率）的成分，即幅值放大倍數(shù)最多的成分相比，放大倍數(shù)明顯減小，所以失真嚴重。圖 3 通過四階帶通濾波器前后的波形因此，只能放棄選用帶通濾波器。（2）采用高、低通濾波器疊加濾波）采用高、低通濾波器疊加濾波用截止頻率為 0.5hz 的高通濾波器和截止頻率為 100hz 的低通濾波器串聯(lián)完成 0.5hz100hz 的選通。分別將兩個二次高通濾波器和兩個二次低通濾波器級連，提高截止頻帶陡度的同時，又使頻帶寬度得到保持。 （如圖 4）生物醫(yī)學電子學課程設計說明書6圖 4

9、高、低通濾波器串聯(lián)后的幅頻特性曲線這里，以低通濾波器為例，說明級連方法： 圖 5 低通濾波器參數(shù)圖高階濾波器由兩個或多個二階濾波器串聯(lián)組成，如圖 6。盡管每個濾波器的形式相同，截止頻率相等，但它們的 b 值不同，如表 1。圖 6 兩個二階濾波器串聯(lián)的四階濾波器階次1b2b3b4b21.41441.8450765461.9321.4140.517681.9621.6631.1110.3896表 1 巴特沃茲濾波器常數(shù)表二次濾波器 1（=1.845）1b二次濾波器 2（=0.76542b）生物醫(yī)學電子學課程設計說明書7（3）增加陷波器。）增加陷波器。僅使 50hz 成分被濾除，去除工頻干擾。四、設

10、計流程圖四、設計流程圖圖 7 設計流程圖差動放大器反相放大器四階高通濾波器四階低通濾波器陷波器含白噪聲和 50hz 工頻干擾的心電信號放大濾波后的心電信號生物醫(yī)學電子學課程設計說明書8五、設計電原理圖五、設計電原理圖圖 8 設計電原理圖六、設計具體說明六、設計具體說明1、同相并聯(lián)型差動放大器圖 9 同相并聯(lián)型差動放大器電原理圖 影響多級放大器的噪聲性能的主要是第一級，為達到低噪聲性能，設計時須盡可能地增大第一級的增益，并選用低噪聲器件來構成第一級。但第一級（前置級）的增益也不能無限制增大。電路的直流穩(wěn)定性會被過大的增益破壞；還要考慮電極與皮膚接觸可以接受的要求。所以采用如圖 9 同相并聯(lián)型差動

11、放大器，并使取 30。fa（1）電路構成）電路構成其第一級是由兩個運放 a1、a2 組成，信號由兩個同相輸入差分放大器輸入，因而有很高的輸入阻抗。第二級是由 a3 構成的基本差分放大器。生物醫(yī)學電子學課程設計說明書9（2）高共模抑制比）高共模抑制比共模抑制比的定義cdcmraaklg20 a1 與 a2 的總共模抑制比212112cmrcmrcmrcmrcmrkkkkk選擇、盡可能接近，則1cmrk2cmrk12cmrk31cmrdcmrkaka3 是電路具有高共模抑制比的主要環(huán)節(jié)，只要保證 a3 的外圍電阻具有對稱性，就可以使電路具有很高的共模抑制比。這里dbdbdbkkkcmr801206

12、0111（3）差模電壓放大倍數(shù)）差模電壓放大倍數(shù)=da1221rr31rrf這里3011011211kkkkaadf（4）作用）作用抑制共模信號，將電壓幅值放大 30 倍。2、反相放大器圖 10 反相放大器電原理圖采用反相分壓反饋型放大器，也稱 t 型反饋型放大器。 生物醫(yī)學電子學課程設計說明書10（1）放大倍數(shù)）放大倍數(shù)（要求）232421221rrrrafffr224r這里411125012mkkmaf（2）作用）作用將電壓幅值放大 4 倍，反相信號恢復為同相。3、四階高通濾波器圖 11 四階高通濾波器為將低于 0.5hz 的干擾信號濾除，讓放大后的被測信號通過高通濾波器，僅保留被測信號中

13、頻率高于 0.5hz 的成分。為增大濾波器的品質因數(shù) q，將兩個二階高通濾波器級連，構成四階高通濾波器。圖 12 四階高通濾波器的幅頻特性紅線、藍線分別表示的是二階和四階高通濾波器的幅頻特性。隨著階數(shù)的增加，截止陡度趨于理想。截止頻率： hzf5 . 00生物醫(yī)學電子學課程設計說明書11放大倍數(shù)：4260. 110046.2311005 .1513kkkkaf4、四階低通濾波器圖 13 四階低通濾波器為將高于 100hz 的干擾信號濾除，讓放大后的被測信號通過低通濾波器，僅保留被測信號中頻率低于 100hz 的成分。為增大濾波器的品質因數(shù) q，將兩個二階低通濾波器級連，構成四階低通濾波器。圖

14、14 四階低通濾波器的幅頻特性紅線、藍線分別表示的是二階和四階低通濾波器的幅頻特性。隨著階數(shù)的增加，截止陡度趨于理想。截止頻率：hzf1000放大倍數(shù)：576. 2253112575. 314kkkkaf生物醫(yī)學電子學課程設計說明書125、陷波器圖 15 陷波器圖 16 二階（紅線） 、四階（藍線）陷波器的幅頻曲線截止頻率：hf500放大倍數(shù)：24. 3200160120016015kkkkaf6、整體參數(shù)選用情況（1）具有較高輸入阻抗）具有較高輸入阻抗測量方法(如圖 17)，將整個系統(tǒng)的輸入端接入直流電壓源，在一級運放的外接電阻上并連電壓表，用分壓法測得輸入阻抗大于 1m。圖 17 測量等效

15、輸入阻抗生物醫(yī)學電子學課程設計說明書13（僅截取了全電路的輸入部分）（2）放大器差動增益）放大器差動增益計算值 142824. 3576. 24260. 143054321fffffdaaaaaa實測值（如圖 17）將純凈的心電信號由示波器顯示（紅線） ，測出原始心電信號電壓幅值mvvi1003. 2將純凈的心電信號以差模形式接入放大濾波系統(tǒng)的輸入端，在系統(tǒng)輸出端接示波器，顯示放大波形（綠線） ，測出放大后的信號電壓幅值vvo7744. 5142813751003. 227744. 5mvvvvvaiiod圖 17 原始波形與放大波形（3） 具有較高共模抑制比具有較高共模抑制比計算值dbdbc

16、mrr80120測量值在輸入端接入共模信號和差模信號，令共模信號為零，測得差模增益 （當）99.596897.2829611.16mvvvvaiod0idv令差模信號為零，測得共模增益（當）510170. 17655. 22358. 3vnvvvaioc0icv計算共模抑制比dbaakcdcmr13410170. 199.59lg20lg205生物醫(yī)學電子學課程設計說明書14圖 18 共模抑制比的測試（4）等效輸入噪聲）等效輸入噪聲 將系統(tǒng)輸入端直接接地，在輸出端用示波器顯示系統(tǒng)噪聲幅值。 （如圖18）圖 18 系統(tǒng)噪聲波形任測一點幅值vpvv101811.96（5）頻帶范圍）頻帶范圍0.5h

17、z100hz，50hz 工頻被濾除整體濾波效果見圖 19。圖 19 整體幅頻曲線生物醫(yī)學電子學課程設計說明書157、設計的仿真情況圖 19 混雜心電信號（綠）與純凈心電信號（紅）波形七、思考七、思考（1） 設計的放大器，其共模抑制比主要受哪些元器件的影響？應如何選擇這些元件才能保證具有較高的共模抑制比？答：a3 是決定整個系統(tǒng)共模抑制比的關鍵部分，它自身所選元件的共模抑制比、外接電阻的是否精確匹配、以及 a1、a2 是否盡可能相同，都影響總設計的共模抑制比。提高 a3 的共模抑制比，和其外接電阻及其前置級 a1、a2 的對稱性，可以保證具有較高的共模抑制比。（2）如何進一步提高其抗干擾，尤其是

18、抗工頻干擾（50hz）的能力。答：使用截止頻率為 50hz 的陷波器，為加強陷波效果還可級連成高階的。（3）臨床使用的心電圖機中，前置放大電路一般包括緩沖放大器，前置放大器，光電耦合器等。思考如何在現(xiàn)有電路的基礎上增加功能，如光電耦合，導聯(lián)緩沖，右腿驅動和屏蔽驅動等。答：a、屏蔽驅動。導聯(lián)線用屏蔽電纜，屏蔽接地時，分布電容變?yōu)榉糯笃鬏斎攵说募纳娙荩ㄈ鐖D 20） 。為消除此影響，導聯(lián)線的屏蔽層不予接地，而接到與共模輸入信號相等的電位上，取出放大電路的共模電壓用以驅動屏蔽層，使兩寄生電容的端電壓保持不變，即電容對共模電壓不產生分流。圖 20 導聯(lián)線的分布電容b、右腳驅動。生物醫(yī)學電子學課程設計說明書16腳驅動技術：取出心電放大器的共模信號，經驅動器反相放大后，加在人的右腳（經一限流電阻） ，構成以人體為相加點的電壓并聯(lián)負反饋，增大了共模抑制比。c、光電耦合。使用光電二極管將前置級與后置級隔離。信號源部分與輸出回路采用獨立電源分別接不同的地，即使是遠距離信號傳輸，也可避免受到各種干擾。八、設計心得八、設計心得這次課程設計最大的心得是，事物相互聯(lián)系，考慮實際問題時，必須統(tǒng)觀全局，綜合考慮，不能像在理論學習時只做理想化處理。僅拿濾波器的選擇來說，為將頻帶定在 0.5hz100hz，最直觀的選擇是帶通，但考慮實際