心電放大電路設(shè)計報告

1、心電放大器設(shè)計1 設(shè)計題目 設(shè)計一單導(dǎo)聯(lián)心電放大器，心電信號的幅度范圍為0.55mv，要求放大器與后續(xù)計算機(jī)系統(tǒng)中的10位a/d轉(zhuǎn)換器相連接，a/d轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為05v。1.1 主要技術(shù)指標(biāo)1) 輸入阻抗：5m2) 偏置電流：2na3) 輸入噪聲：10uv4) 共模抑制比：100db5) 耐極化電壓：300mv6) 漏電流：10ua7) 頻帶：0.05250hz1.2 具體要求1) 設(shè)計放大器電路；2) 計算電路中個元器件的參數(shù)值；3) 對選擇的關(guān)鍵元器件說明其選擇理由。2 引言 在當(dāng)今社會中,心臟病等心血管已經(jīng)成為了世界范圍內(nèi)常見的疾病,號稱“頭號殺手”。由于心臟病有突發(fā)性以及長久性

2、，對心臟病人也需要長期的治療和監(jiān)護(hù)。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，血液才能在閉鎖的循環(huán)系統(tǒng)中不停地流動。心臟在機(jī)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(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電極，分別用導(dǎo)線聯(lián)接到心電圖機(jī)(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。圖1 標(biāo)準(zhǔn)的心電圖心電圖是檢查心臟情況的一個重要方法，其應(yīng)用范圍包括以下幾個方面： (1) 分析與鑒別各種心律失常。 (2) 查明冠狀動脈循環(huán)障礙。 (3) 指示左右房竄肥

3、大的情況，協(xié)助判別心瓣膜病、高血壓病、肺源性及先天性心臟病的診斷。 (4) 了解洋地黃中毒、電解質(zhì)紊亂等情況。(5) 心電監(jiān)護(hù)已廣泛應(yīng)用于手術(shù)、麻醉、用藥觀察、航天、體育等的心電監(jiān)測以及危重病人的搶救。 3 系統(tǒng)設(shè)計3.1 設(shè)計思路心電信號十分微弱，常見的心電頻率一般在0100hz之間，能量主要集中在17hz附近，幅度小于5mv，心電電極阻抗較大，一般在幾十千歐以上。在檢測生物電信號的同時存在強(qiáng)大的干擾，主要有電極極化電壓引起基線漂移，電源工頻干擾(50hz)，肌電干擾(幾百hz以上)，臨床上還存在高頻電刀的干擾。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

4、很高的共模抑制比。電極極化電壓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增益不能過大，而且要有去極化電壓的rc常數(shù)電路。由于信號源內(nèi)阻可達(dá)幾十k、乃至幾百k，所以，心電放大器的輸入阻抗必須在幾m以上，而且 cmrr也要在60db以上（目前的心電圖機(jī)共模抑制比一般均在89db）。同時要在無源、有源低通濾波器中有效地濾除與心電信號無關(guān)的高頻信號，通過系統(tǒng)調(diào)試，最后得到放大、無噪聲干擾的心電信號。3.2結(jié)構(gòu)框圖本電路設(shè)計主要是由五部分構(gòu)成。1、前置放大電路。其中前置放大器是硬件電路的關(guān)鍵所在，設(shè)計的好壞直接影響信號的質(zhì)量，從而影響到

5、儀器的特性；2、共模抑制電路。在設(shè)計中使用了右腿驅(qū)動電路、屏蔽驅(qū)動電路，它們可以消除信號中的共模電壓，提高共模抑制比，使信號輸出的質(zhì)量得到提高；3、低通濾波電路及時間常數(shù)電路。常見的心電頻率一般在0.05-100hz之間，能量主要集中在17hz附近，幅度微小，大概為5mv，臨床監(jiān)護(hù)有用頻率為0.530幾hz，因此設(shè)計保留40hz以下的信號。時間常數(shù)電路實現(xiàn)一階無源高通，截止頻率為0.05hz，時間常數(shù)為3.6s。4、工頻50hz的陷波電路。本設(shè)計采用了雙t帶阻濾波電路，它能夠?qū)δ骋活l段的信號進(jìn)行濾除，用它能有效選擇而對電源工頻產(chǎn)生的50hz的噪聲進(jìn)行濾除；5、主放大電路：心電信號需要放大上千倍

6、才能觀測到，前置放大增益只有100250左右，在這一級還需要放大410倍左右。 總體電路框圖如圖 3.3電路設(shè)計3.3.1 前置放大電路由于人體心電信號的特點，加上背景噪聲較強(qiáng)，采集信號時電極與皮膚間的阻抗大且變化范圍也較大，這就對前級(第一級)放大電路提出了較高的要求，即要求前級放大電路應(yīng)滿足以下要求：高輸入阻抗；高共模抑制比；低噪聲、低漂移、非線性度?。缓线m的頻帶和動態(tài)范圍。為此，選用analog公司的儀用放大器ad620作為前級放大(預(yù)放)。ad620的核心是三運(yùn)放電路(相當(dāng)于集成了三個op07運(yùn)放)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 ad620 放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖該放大器有較高的共模抑制比(

7、cmrr)，溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小且具有調(diào)節(jié)方便的特點，是生物醫(yī)學(xué)信號放大的理想選擇。根據(jù)小信號放大器的設(shè)計原則，前級的增益不能設(shè)置太高，因為前級增益過高將不利于后續(xù)電路對噪聲的處理。參數(shù)選擇：由于ad620的增益與之間關(guān)系如下：g=1+(r1+r2)/r3，選取r21=r22=27k,r23=6.2k, c21=39pf, c22=200pf,c23=39pf,前置放大倍數(shù)：g1=1+(r1+r2)/r3=9.7。3.3.2 右腿驅(qū)動電路 體表驅(qū)動電路是專門為克服50hz共模干擾，提高cmrr而設(shè)計的， 原理是采用人體為相加點的共模電壓并聯(lián)反饋，其方法是取出前置放大中的共模電壓

8、，經(jīng)過驅(qū)動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接到人體的右腿上，所以稱為右腿驅(qū)動，通常，病人在做正常的心電檢測時，空間電場在人體產(chǎn)生的干擾電壓以及共模干擾時非常嚴(yán)重。而使用右腿驅(qū)動電路就能很好的解決上述問題，下圖就是右腿驅(qū)動的電路圖。其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。參數(shù)選擇：如上圖上標(biāo)示，c41=0.01uf,r41=10k,c42=1m.3.3.3 低通濾波放大電路由rc元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為rc有源濾波器，其功能是讓一定的頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號。具有理想幅頻特性的濾波器是很難實現(xiàn)的（如圖10虛

9、線）。只能用實際的濾波器的幅頻特性去逼近理想的特性。常用的方法是巴特沃斯（butterworth）逼近和切比雪夫（chebysher）逼近，為保證心電信號原形，采用較平坦的巴特沃思有源濾波。如圖所示，濾波器的階數(shù)n越高，幅頻特性衰減的速度越快，就越接近于理想幅頻特性。 圖10 巴特沃斯幅頻特性圖11 實用二階低通巴特沃思濾波器參數(shù)選擇：要濾除250hz的頻率，經(jīng)過mulisim仿真選擇阻值，如圖上圖中各元件的標(biāo)注，r41=r42=r=6.8k,c41=c42=0.1uf,根據(jù)二階低通巴特沃思濾波器公式：截止頻率為=1/(2rc)=258hz，基本上符合設(shè)計要求。3.3.4 0.05hz高通濾波

10、器電路此次設(shè)計用的是反相的二階巴特沃茲高通濾波器，其中放大倍數(shù)設(shè)置為1，截止頻率為0.05hz。如圖5所示，各個電阻以及電容的參數(shù)值在電路中已標(biāo)明。圖5 巴特沃茲二階反相高通濾波電路3.3.4 50hz陷波電路工頻干擾時心電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾具有一定的抑制作用，但是有部分工頻干擾是以差模方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定的因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以必須專門濾波。采用如下圖所示的有源雙t帶阻濾波器，該電路的q值隨著反饋系數(shù)(01)的增高而增高，q值與關(guān)系如下q=1/(1-),調(diào)節(jié)下圖中的r64和r64可以改變

11、q值。圖13 50hz雙t陷波電路參數(shù)選擇：實驗中選用陷波效果很好的經(jīng)驗參數(shù)。即r61=r62=r=33 k，r64=2k，r4=148k,r63=1/2 r=15k。c61=c62=c=0.1uf，c63取0.2uf。根據(jù)公式：中心截止頻率 f0=1/(2rc)= 50hz 上圖中，濾波電路增益g2=r65/(r65+r64)=0.9。阻帶寬度：bw= f0/q= 其中：q=1/2 (2-auv)3.3.5 次級放大電路第二級放大電路主要以提高增益為目的，選用普通的opa2335放大芯片即可。電路圖如下： 參數(shù)選擇：r31=9.1k，r32=1m,c31=680pf c31能起到一定的低通濾

12、波作用第二級放大倍數(shù)：g3=r32/r31=110整個電路放大倍數(shù)g=g1*g2*g3=9.7*0.9*100=873倍4 電路性能的實驗驗證按照上圖搭建電路圖，通過orcad6.1仿真，結(jié)果基本上能符合設(shè)計的要求。5 仿真5.1前置放大電路仿真 仿真電路圖：仿真結(jié)果：從仿真結(jié)果看出，實際前置放大倍數(shù)為k1=46.8ma/4.7ma=9.9，與預(yù)期放大結(jié)果相同。5.2低通濾波電路仿真電路：仿真結(jié)果：1、輸入f=60hz時，輸出波形圖如下：輸出和輸入基本上一致，信號沒有被衰減。2、輸入f=250hz時，輸出波形圖如下：輸出結(jié)果衰減為：323uv/4.9mv=6.5%250hz頻率的輸入雜波濾除了93.5%。3、輸入f=1khz時，輸出波形圖如下：結(jié)果：1khz頻率的輸入雜波基本上被濾除 5.3 50hz陷波電路仿真電路：仿真結(jié)果：有圖可知，當(dāng)輸入信號為50hz的工頻干擾信號時，雜波基本上被濾除。5.4次級放大電路仿真電路連接圖：仿真結(jié)果：從圖中可以發(fā)現(xiàn)，放大倍數(shù)g2=2.65v/27.6mv=96，與預(yù)期的設(shè)計