心電放大電路

1、 交流心電放大器設(shè)計報告 天津大學生物醫(yī)學工程 王博一 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&

2、#160;  全心室除極的電位變化ST段 心室除極剛結(jié)束尚處以緩慢復極時間T波  快速心室復極時間普通心電圖有一下幾點用途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(zhì)紊亂對心肌的作用。5、心電圖作為一種電信息的時間標志，常為心音圖、超聲心動圖、阻抗血流圖等心功能測定以及其他心臟電生理研究同步描紀，以利于確定時間。6、心電監(jiān)護已廣泛應

3、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。 本設(shè)計由于采用交流供電，其實際意義在于用在，心電監(jiān)護以及心電的靜態(tài)檢測方面，因此在設(shè)計上就力求全面反應各個波段上的電位情況，并盡量減少噪聲，以達到國家基本心電圖機要求二 系統(tǒng)設(shè)計心電信號十分微弱，頻率一般在0.5100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近，幅度大約在10uV（胎兒）5mV（成人）之間，所需放大倍數(shù)大約為500-1000倍。而50hz工頻信號，極化電壓，高頻電子儀器信號等等干擾要求心電信號在放大的過程中始終要做好噪聲濾除的工作，以下便給出一個整體化框圖，力圖從多個方面削減這些干擾變壓穩(wěn)流DC/DC變換導聯(lián)輸入輸

4、入保護帶通陷波前置放大光電隔離50Hz陷波器右腿驅(qū)動信號輸出后置放大 三 具體實現(xiàn)Vi+ VO ViRL1 導聯(lián)輸入：導聯(lián)線又稱輸入電纜線。其作用是將電極板上獲得的心電信號送到放大器的輸入端。心臟電興奮傳導系統(tǒng)所產(chǎn)生的電壓是幅值及空間方向隨時間變化的向量。放在體表的電極所測出的ECG信號將隨不同位置而異。心周期中某段ECG描跡在這一電極位置不明顯，而在另一位置上卻很清楚。為了完整描述心臟的活動狀況，應采用多電極導聯(lián)方式測量心電信號，基于現(xiàn)在的實驗條件及要求，選擇3導聯(lián)方式：左臂（LA），右臂（RA）以及右腿（RL）。各導聯(lián)線以不同顏色的標志來表示所接的部位。為了減少連接時發(fā)生錯誤，國際統(tǒng)一規(guī)定

5、字母和導線色標為：R-右臂（紅）；L-左臂（黃）； RF-右腿（黑）2 輸入保護：由于此系統(tǒng)用于人體心信號的檢測與診斷，其將不可避免的與其他高電壓電子器件（如起搏器）同時作用于同一人體，導致加在心電圖機上的電壓迅速增大，損壞心電圖機，有必要在本套系統(tǒng)之前加入保護電路。由于保護電阻要求在輸入5000V高壓時不會損壞電路，二極管應選用的漏電的微型二極管 ，最大允許通過的順時電流為100mA,那么限流保護電阻R1為50K3 前置放大：分為四部分：（1）差動放大：如果將保護電阻直接接入后面的時間常數(shù)電路，其輸入阻抗將大為減小，減低了心電圖機的性能，若加入差動發(fā)大器，其差模輸入阻抗為2Ri，共模輸入阻抗

6、為Ri/2，增加了輸入電阻，進一步抑制了電極噪聲與50Hz干擾，提高了共模抑制比?？紤]到前級存在極化電壓，最大為300mV，此極放大增益不宜過高，大約定在6倍左右，選取R2=24K，R310 K，其增益為=6 （2）時間常數(shù)電路：由于電極和電介質(zhì)或體液接觸，在金屬界面上總會產(chǎn)生極化電壓，其最大值可能為300mV，這部分電路的主要功能就是濾出極化電壓以及其余低頻干擾，這部分選取高通濾波器，截至頻率為0.34Hz，（這里可能截至頻率過高，影響有效信號，可以將其定位0.05Hz，選擇330K與10uF的器件），根據(jù)f，取R5=100K,得C1=C2=4.7uF ,從前極電阻中間引入驅(qū)動，避免了因電器

7、元件不匹配使共模信號轉(zhuǎn)化為差模信號而不易濾除的影響。（3）右腿驅(qū)動電路：雖然AD620的共模抑制比較高，但當接入其他電路時，其共模抑制比會變得較低，我們在提高共模抑制比的同時，也要考慮用直接降低共模信號的方法來提高其值，右腿驅(qū)動電路就是一個很好的降低抑制共模信號的方法，在右腿接入一反向放大器，并與儀表放大相連，可以將共模信號抑制1K倍（K為反向放大增益），從而有效的降低了共模信號。取R8=10M,R7=10K,從而K=1000,加一電容組成低通濾波器，是電路穩(wěn)定，在這里選取C=4700pF。（4）儀表放大：由于這部分電路采用集成的AD620，其輸入電阻為1000M，共模抑制比為95dB，滿足本

8、單元設(shè)計要求，增益定為20倍，根據(jù)AG=1+50K/RG,可取RG5K。 4 光電隔離為了降低由電容耦合產(chǎn)生的位移電流，保證人體生命安全，有必要使用光電隔離電路，它使前級放大器與后級放大器之間沒有電的聯(lián)系，提高了抗干擾型和安全性。在這里選取的器件為TLP521,其最大允許通過電流為50mA。選擇三個電阻均為1K，前極輸入大約小于0.5V，流入二極管的電流大約為0.5mA,不會損壞器件。后級加以高通，濾除了直流漂移6 濾波電路 高頻干擾，其他醫(yī)療儀器的噪聲會干擾心電信號的測量，其幅度不是很高，但由于心電信號同樣較微弱，再加上前級的1000倍左右的放大，高頻干擾信號必須考慮濾除，已知人體心電信號頻

9、率大約為0.05Hz100Hz，而低于0.05Hz的信號已經(jīng)在前置放大器中濾除，因此設(shè)計一低通截止頻率為100Hz的濾波器。 在基本常用的幾種濾波器中，巴特沃思濾波器在通帶內(nèi)最為平坦，并且單調(diào)變化，但它的缺點就是衰減較為緩慢，這點可以考慮加大階數(shù)來提高衰減速度， 在這里我們?nèi)?階，利用歸一化算法，得到如下圖，其仿真效果如下圖 選用歸一化算法，求得FSF628，取Z10000，得出R=10K,C1=0.56uF,C2=0.22 uF,C3=0.032 uF 7 陷波電路 雖然前端采用集成化器件已經(jīng)有了很高的共模抑制比，但由于它不能消除干擾以及后級電路再次引入50Hz工頻干擾，在電路的最后部分仍需

10、加入50Hz陷波器，其可以采用雙T帶阻濾波器，其品質(zhì)因數(shù)與反饋系數(shù)有一定比例關(guān)系 Q=但并不是品質(zhì)因數(shù)越大越好，品質(zhì)因數(shù)越大，其也越大，電路將出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至自激振蕩，本部分選為R=32K,C=0.1uF。f=49.7Hz,實際取R=30,f53.1Hz，適當運用電阻誤差，可以將其近似調(diào)整為50Hz左右。變位器調(diào)到0.5K，29.5/30=0.98,Q=12.55 增益控制 前級一共放大了6×20共120倍，最終要求放大到伏的量級，因此還需放大10倍左右，在此接入增益控制級，用于選擇增益放大級數(shù)，兩個固定電阻選為30K和270K，電位器選為20K,調(diào)節(jié)范圍910倍。電容取100uF，實

11、現(xiàn)一個基本的一階高通，截至頻率為f0.05Hz，本電路使用反向發(fā)大器，不會帶來太多的干擾，精度較高。8 電源由于采用220V交流供電，必須設(shè)計電壓轉(zhuǎn)換部分以保證穩(wěn)定的為放大器以及各個芯片供電，220V電壓接變壓器變壓后，經(jīng)橋式整流電路整流，再經(jīng)電容濾波電路濾波，最后用三端穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，即可得到所需電壓。電路中接入C2用來實現(xiàn)頻率補償，防治自激振蕩，減小高頻噪聲和改善負載的瞬態(tài)響應，C3用來較小有輸入電壓引入的低頻干擾。直流/直流轉(zhuǎn)換電路。主要的目的是進行電壓的變換及隔離因為直流不能直接通過變壓器升、降壓，所以先將直流通過開關(guān)電路變成交流，頻率一般是幾百K，這時的交流波形沒有交流電正弦波那樣好。

12、變成交流后通過變壓器進行變壓，輸出的交流通過整流、濾波、穩(wěn)壓等電路變回直流。當然變壓器的磁心一般是錳鋅鐵氧體的，不能用硅鋼片的。以下是DC/DC變換的基本電路以及參數(shù)設(shè)置 ，型號為ND105S05考慮到價格以及來源的影響，當沒有得到DC/DC時。前端可采取電池供電的方法（），也能達到本部分所需要的效果四 總結(jié) 本設(shè)計是針對交流供電的心電放大器，運用高共模抑制比高集成度的芯片MAX4194可以提高系統(tǒng)整體性能，同時再輔以陷波濾波等電路降低外部干擾，將被檢測信號放大大約1000倍，以利于觀察，同時加以多種隔離電路，力爭保證安全。附：各器件功能及參數(shù)一 LM324N1 引腳分布 2 參數(shù)說明電壓增益 100dB 單位增益帶寬 1MHz 單電源工作范圍 3V-30VDC 每個運放功耗（V+=5V時） 1mV/op.Amp 輸入失調(diào)電壓 2mV（最大值7mV） 輸入偏置電流 50nA-150 nA 輸入失調(diào)電流 5nA-50 nA 輸入共模電壓范圍 0-V+-1.5VDC（單電源時） V- -V+-1.5VDC（雙電源時） 輸出電壓幅度 0-V+-1.5VDC（單電源時） 輸出電流 40mA 放大器間隔離度 -12