河南科技大學

1、生物醫(yī)學電子學課程設計生醫(yī) 031李佩鏈20030618生物醫(yī)學信號前置放大及濾波電路設計一、方案選擇及電路設計：1總體電路圖此電路由前置放大電路和濾波電路構成，框架圖如1-1 。前置放大濾波顯示1- 1 總框架圖圖 1-2 心電信號前置放大及濾波電路圖2 前置放大電路 ：1）前置放大電路的要求：由于生物電信號源產生的信號幅度小，頻率低，而且生物電信號源內阻高，存在較強的背景噪聲和干擾， 而生物電放大器是為了測量生物電位而專門設計的放大器，其最主要的作用就是把微弱的生物電位信號的幅度放大， 以便進一步處理、記錄或顯示。因此要求生物電放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪聲、低溫漂、合

2、適的頻帶寬度和動態(tài)范圍等特性。 而放大器的輸入阻抗、噪聲、漂移及共模抑制比等特性的好壞主要由前置放大器所決定。 為了克服測量生物電時伴隨的較強的 模干擾，在生物電放大器的前置級通常采用差動放大以1生物醫(yī)學電子學課程設計生醫(yī) 031李佩鏈20030618提高共模抑制比。放大級通常包括初級差分放大和運放構成的主放大級 , 在本次實驗中，初級差分放大采用的是三運放前置放大電路，主放大極由一個集成運放和電阻構成2）前置放大電路的構成：本次設計使用三運放前置放大器, 它具有以下優(yōu)點 :輸入阻抗高 , 由運放輸入阻抗決定 ;可適當減少 R4和 R1,從而使 CMRR增大 , 而不影響輸入阻抗與增益 ;R2

3、 和 R3失配僅影響 CMRR和 Ac;如圖 1.3 所示：圖 1.3 前置放大電路電路圖它的第一級是有兩個運放 A1 和 A2 組成，信號由兩個同相輸入差分放大器，因而有很高的的輸入阻抗，可達 1M 以上；第二級是由 A3 構成的基本差分放大器。由于理想運放輸入阻抗近似為零， A1 和 A2 輸入端的兩個電阻 R2 與電位器 R1 相并聯(lián)，所以可以得到：Ad(12R2) R5 =30R3R42生物醫(yī)學電子學課程設計生醫(yī) 031李佩鏈200306183）電路分析參數(shù)設置：R4=500 ,R2=2K ,R1=4K ,R3=2k ， R5=5K 高輸入阻抗：由于人體的心電信號是不穩(wěn)定的高內阻源的微

4、弱信號， 為了減小信號源內阻的影響，必須提高放大器的輸入阻抗，輸入阻抗是指開環(huán)運行時， 從兩個輸入端看進去的動態(tài)阻抗， 它等于兩個輸入端之間的電壓的變化和引起的輸入電流的變化的比值。輸入阻抗越大越好。由于第一級，第二級采用的時兩個運放接成同相并聯(lián)型運算放大器后接一差動運放。由于是同相輸入，所以阻抗大大增加，并決定了運放電路的輸入阻抗，一般 10M1M ，高輸入阻抗同時也是放大器高共模抑制比的必要條件。3 濾波電路 :（1）濾波器分析 ：濾波器是根據(jù)信號 , 干擾和噪聲的頻率成分進行分離和頻率選擇 , 使有用信號順利通過 , 而將干擾信號排除 , 將噪聲抑制掉的一種電子電路 , 濾波電路一般由電

5、容和電感組成。濾波器一般分為有源濾波和無源濾波兩種， 無源濾波它具有結構簡單， 不需要電源，內部噪聲低；性能穩(wěn)定，動態(tài)范圍大；高頻時響應良好，優(yōu)勢突出等特點，但是無源濾波電路在頻率較低時， L,C 參值很大，導致體積很大，損耗大。而有源濾波，它具有以下優(yōu)點：無電感，體積小，重量輕，電磁干擾小；運放可加電壓串聯(lián)負反饋， 所以輸入阻抗高， 輸出阻抗低， 輸入輸出之間有良好間隔，高階很容易實現(xiàn)；濾波的同時可以放大。生物電信號是低頻微弱信號 ,所以采用有源濾波器 ,濾波器的階數(shù)越高 ,濾波器濾出的效果越好 ,此次設計中采用的是二階濾波器 .這次設計中采用的是二階低通濾波器。二階低通濾波器的參數(shù)設定要根

6、據(jù)心電的頻率范圍和二階低通濾波器的性質進行設定，二階低通濾波器的傳遞函數(shù)：AfH (S)R1R2C1C 2S 111Af 1S2R1C1R2C1R2C2R1R2C1C23生物醫(yī)學電子學課程設計生醫(yī) 031李佩鏈20030618濾波器電路圖如下：圖 1-4 濾波器電路圖2）濾波器幅頻特性分析：測得該濾波器的幅頻特性曲線如下：4生物醫(yī)學電子學課程設計生醫(yī) 031李佩鏈20030618二、實驗結果及分析1、實驗波形圖 1實驗波形圖2、結果分析：共模增益 A c =Vo= 2*10-5=10-22*10 -32*10-3差模增益 A d=Vo=2-3 1000 ,10-31022則共模抑制比CM R

7、R|=100DB80DB,滿足要求。=20lg| AdAc3、高輸入阻抗將模擬的萬用表接入輸入端,并置位至歐坶檔 ,可以測出輸入電阻為2M1M 。5生物醫(yī)學電子學課程設計生醫(yī) 031李佩鏈200306184、等效輸入噪聲將放大器兩輸入端接地 ,可測出輸出電壓波形A 為：三思考題1. 設計的放大器其共模抑制比主要受哪些元件的影響 ?應如何選擇這些元件才能保證電路具有較高的共模抑制比 ?答：放大器的共模抑制比主要受電阻 R2,R3,R4,R5 的影響。讓差模增益盡可能大，就可使電路具有較高的共模抑制比。如何提高其抗干擾 , 尤其是抗共頻干擾 (50Hz) 的能力 ? 答：可加入 50Hz 的陷波器

8、。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： 腳驅動技術：取出心電放大器的共模信號，經(jīng)驅動器反相放大后，加在人的右腳（經(jīng)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。光電耦合：若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。四實驗中存在的問題：本次實驗中仍存在問題，最主要的是未能加入50HZ 的陷波器，干擾信號不能被完全濾掉，導致測試結果仍然有失真，其次是電路中的某些參數(shù)設置不夠恰當，不能準確得出

9、測量結果。五設計感想：這次課程設計，使我對生 物 醫(yī)學電 子學這門課程有了 更加深刻的認6生物醫(yī)學電子學課程設計生醫(yī) 031李佩鏈20030618識，同時也溫習了 EWB 環(huán)境的操作。老師布置下作業(yè)以后，通過去圖書館、上網(wǎng)查資料，請教其他同學終于將課程設計初步完成。在課程設計的過程中，由于一時的粗心馬虎，出現(xiàn)了一些錯誤，有時連線有錯誤，有時元件的參數(shù)設置不適當，使得電路的實驗結果不準確，在老師和同學們的指導和幫助下，終于完成了課程設計。所以，不管做什么事，都不能馬虎大意，要認真，專心，一絲不茍的去做，因為我相信，只要有付出，就會有收獲。這次課程設計，我收益非淺，同時也發(fā)現(xiàn)了自己知識水平的不足，對所學過的知識未能熟練掌握，更不能熟練的運用。這次的課程設計不僅鍛煉了實際動手操作能力，對心電信號有了一些認識， 對前置放大電路和濾波器更深的了解，通過多次的操作，演練，對示波器的運行也逐漸熟練。通過這次的課程設計，我又一次認識到理論聯(lián)系實踐的重要，理論要在實踐中得到證實，只有在實踐中，我們才能更加深刻的領會和掌握理論知識。參考文獻1 余學飛主編醫(yī)學電子儀器原理與設計，華南理工大學出版社王保