心電圖儀設(shè)計(jì)制作

1、-PAGE . z課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生： 專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：工作單位：信息工程學(xué)院 題 目: 心電圖儀設(shè)計(jì)與制作初始條件：模擬電子技術(shù)根底知識(shí)、會(huì)使用Multisim進(jìn)展仿真分析.要求完成的主要任務(wù):制作一路心電信號(hào)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(cè)試，由電路設(shè)計(jì)予以保證；c3dB高頻截止頻率：30Hz，誤差：5Hz；d頻帶響應(yīng)波動(dòng)：在3dB之；e共模抑制比：60dB含1.5m長(zhǎng)的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線，共模輸入電壓圍：7.5V；f差模輸入電阻：5M可不測(cè)試，由電路設(shè)計(jì)予以保證；時(shí)間安排：序號(hào)安排容容所需時(shí)間天1電路方案設(shè)計(jì)12電路仿真與分析

2、23撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告14辯論1合計(jì)5指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任或責(zé)任教師簽名： 年月 日目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc308200798摘要 PAGEREF _Toc308200798 h IHYPERLINK l _Toc308200799Abstact PAGEREF _Toc308200799 h IIHYPERLINK l _Toc308202100引言 PAGEREF _Toc308202100 h 1HYPERLINK l _Toc3082021011 設(shè)計(jì)方案比擬 PAGEREF _Toc308202101 h 2HYPERLINK l

3、 _Toc3082021021.1 光電效應(yīng)手指脈搏傳感器 PAGEREF _Toc308202102 h 2HYPERLINK l _Toc3082021031.2 壓電瓷式脈搏傳感器 PAGEREF _Toc308202103 h 3HYPERLINK l _Toc3082021041.3 銅片式脈搏傳感器 PAGEREF _Toc308202104 h 3HYPERLINK l _Toc3082021052 單元電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc308202105 h 5HYPERLINK l _Toc3082021062.1 前置放大局部 PAGEREF _Toc308202106 h

4、 5HYPERLINK l _Toc3082021072.2 帶通濾波電路 PAGEREF _Toc308202107 h 8HYPERLINK l _Toc3082021082.3 后級(jí)放大電路 PAGEREF _Toc308202108 h 9HYPERLINK l _Toc3082021093 仿真結(jié)果及分析 PAGEREF _Toc308202109 h 10HYPERLINK l _Toc3082021103.1 前置放大電路局部仿真 PAGEREF _Toc308202110 h 10HYPERLINK l _Toc3082021113.2 帶通濾波局部仿真 PAGEREF _To

5、c308202111 h 10HYPERLINK l _Toc3082021123.3 放大局部仿真 PAGEREF _Toc308202112 h 11HYPERLINK l _Toc3082021133.4 整體電路仿真 PAGEREF _Toc308202113 h 12HYPERLINK l _Toc3082021144 總結(jié) PAGEREF _Toc308202114 h 14HYPERLINK l _Toc3082021155 元件清單 PAGEREF _Toc308202115 h 15HYPERLINK l _Toc3082021166 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc308

6、202116 h 16-. z摘 要本文主要介紹了如何應(yīng)用放大電路，抑制共模信號(hào)電路，低通濾波電路及后級(jí)放大電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易心電圖儀.本文還介紹了心電信號(hào)的特點(diǎn)及其對(duì)放大電路的要求.對(duì)于具體的單元電路設(shè)計(jì)也做了簡(jiǎn)要介紹.AbstactThis paper mainly introduces how to apply the amplifier circuit and suppress mon mode signal circuit,low-pass filter circuit and after-class amplifier design simple Electrocardiograph.T

7、his article also describes the characteristics of ECG and its impact on amplifier requirements.With regard to the specific circuit design unit also made a brief introduction.-. z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. 如下列圖所示,心電信號(hào)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

8、T波不應(yīng)低于R波1/10.其主要頻率圍為0.0530HZ,幅度約為05mV,信號(hào)十分微弱.心電信號(hào)圖由于心電信號(hào)?；祀s有其它生物電信號(hào),加之體外以50Hz工頻干擾為主的電磁場(chǎng)的干擾,使得心電噪聲背景較強(qiáng),測(cè)量條件比擬復(fù)雜.為了不失真地檢出有臨床價(jià)值的干凈心電信號(hào),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).1設(shè)計(jì)方案比擬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

9、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(hào), 方便檢測(cè).一級(jí)放大電路局部: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.昂二階低通濾波局部: 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.電源局部采用電池供電.其優(yōu)點(diǎn)是,電路構(gòu)造簡(jiǎn)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,由于缺少陷波局部的設(shè)計(jì),50HZ的工頻信號(hào)會(huì)給電路帶來極大干擾,使輸出信號(hào)失真.1.2 壓電瓷式脈搏傳感器圖1-2選用壓電瓷片HTD作為

10、傳感器，把人體的脈搏震動(dòng)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)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(duì)較貴.數(shù)據(jù)采集局部,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.濾波局部選用數(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(duì)截止頻率進(jìn)展準(zhǔn)確的調(diào)節(jié).由于參數(shù)不會(huì)隨溫度等環(huán)境因素改變從而準(zhǔn)確度得到保證，但是數(shù)字濾波對(duì)處理器的要求比擬高，想要得到更好的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.電源局部采用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 銅片式脈搏傳感器圖1-3銅片式脈

11、搏傳感器的原理與壓電瓷類似,由于銅片的形變產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào). 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(hào)十分微弱,噪聲背景強(qiáng)且信號(hào)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具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、適宜的頻帶和動(dòng)態(tài)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.濾波局部選用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?/p>

12、阻電容累積誤差過大影響濾波效果.后級(jí)放大局部用OP07做放大，電源局部采用正負(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.2 單元電路設(shè)計(jì)2.1前置放大局部因?yàn)槌惺艿男盘?hào)非常微弱，對(duì)于后級(jí)的信號(hào)處理和測(cè)量較難實(shí)現(xiàn)，所以在進(jìn)展信號(hào)處理之前必須先對(duì)信號(hào)進(jìn)展前置放大.對(duì)前置放大電路的要超低的噪聲，捕獲信號(hào)的能力較強(qiáng)因?yàn)樾盘?hào)是非常微弱的，所以這就需要前放電路有很大的輸入電阻.則根據(jù)這一要求，查資料比擬之后，我選擇了OP07這一芯片，該芯片的特點(diǎn)是雙電源供電，部噪聲小.對(duì)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(duì)于同相放大電路，其根

13、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(duì)于同相電路的接法，其輸入電阻即為運(yùn)放的阻，可是為無窮大，這樣電路捕獲信號(hào)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.(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(hào)的能力很強(qiáng)，盡管可以增加R1來提高捕獲微弱信號(hào)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，而且這樣也要求反應(yīng)電阻更大，進(jìn)一步加大熱噪聲，這樣非常不利于微弱信號(hào)的

14、放大.根據(jù)以上的比擬，前放電路選擇了同相放大的電路形式.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(jí)的放大倍數(shù)為A=1+R2/R1，選擇這一級(jí)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，則R2就取490K.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(hào)主要集中在0.05HZ到30HZ的頻帶圍,因此,采用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

15、局部的放大倍數(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(hào)的低頻成分,其截止頻率設(shè)計(jì)為f=0.05HZ.則,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)成低通濾波器.為了不損失其高頻成分,截止頻率設(shè)計(jì)為30HZ. 則,w=2f=188.496 rad/s. 由計(jì)算公式w*w=1/( C1*C5*R2*R3)可

16、得,選取,C1=3.3 uF,C5=1uF,R2=2.6K,R3=4.7K即可滿足條件.2.3后級(jí)放大電路后級(jí)放大電路如圖2-5所示：圖2-5 后級(jí)放大電路由于前置放大局部選擇的放大倍數(shù)為50，所以這一級(jí)放大倍數(shù)選擇為20，后級(jí)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.3仿真結(jié)果及分析本實(shí)驗(yàn)采用Multisim軟件進(jìn)展仿真，仿真過程及分析如下.3.1前置放大電路局部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

17、濾波局部仿真帶通濾波20HZ時(shí)波形如圖3-2：圖3-2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，無常測(cè)試，所以不再測(cè)試.3.3 放大局部仿真放大局部仿真波形如圖3-4所示：圖3-4 放大局部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(jí)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

18、級(jí)放大級(jí)聯(lián)，如圖3-5：圖3-5 整體電路圖輸入20Hz，峰值4mV(即峰峰值8mV)正弦信號(hào)，得到的輸出波形及參數(shù)如圖3-6：圖3-6輸入峰值為4mV(即峰峰值8mV)，而頻率為30Hz正弦波信號(hào)時(shí)，輸出波形及幅值如圖3-7：圖3-7可以看到，當(dāng)信號(hào)頻率為20Hz時(shí)，輸出信號(hào)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%誤差圍.當(dāng)輸入30Hz信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)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.4 總結(jié)心電系統(tǒng)的前向通路對(duì)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間的對(duì)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(hào)的特點(diǎn)，因?yàn)樾碾娦盘?hào)輸出時(shí)的幅度不上5mV，則選擇一個(gè)適合的放大器對(duì)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，在比照心電放大的各種要求才確定一個(gè)最方便、最實(shí)用的方法.根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)二階帶通濾波器來對(duì)信號(hào)進(jìn)展濾波，也使我明白了多階濾波器的設(shè)計(jì).5 元件清單函數(shù)