河南科技大學(xué)

1、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)課程設(shè)計(jì)生醫(yī) 031李佩鏈20030618生物醫(yī)學(xué)信號(hào)前置放大及濾波電路設(shè)計(jì)一、方案選擇及電路設(shè)計(jì)：1總體電路圖此電路由前置放大電路和濾波電路構(gòu)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(hào)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(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)幅度小，頻率低，而且生物電信號(hào)源內(nèi)阻高，存在較強(qiáng)的背景噪聲和干擾， 而生物電放大器是為了測(cè)量生物電位而專門(mén)設(shè)計(jì)的放大器，其最主要的作用就是把微弱的生物電位信號(hào)的幅度放大， 以便進(jìn)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(dòng)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(cè)量生物電時(shí)伴隨的較強(qiáng)的 模干擾，在生物電放大器的前置級(jí)通常采用差動(dòng)放大以1生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)課程設(shè)計(jì)生醫(yī) 031李佩鏈20030618提高共模抑制比。放大級(jí)通常包括初級(jí)差分放大和運(yùn)放構(gòu)成的主放大級(jí) , 在本次實(shí)驗(yàn)中，初級(jí)差分放大采用的是三運(yùn)放前置放大電路，主放大極由一個(gè)集成運(yùn)放和電阻構(gòu)成2）前置放大電路的構(gòu)成：本次設(shè)計(jì)使用三運(yùn)放前置放大器, 它具有以下優(yōu)點(diǎn) :輸入阻抗高 , 由運(yùn)放輸入阻抗決定 ;可適當(dāng)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(jí)是有兩個(gè)運(yùn)放 A1 和 A2 組成，信號(hào)由兩個(gè)同相輸入差分放大器，因而有很高的的輸入阻抗，可達(dá) 1M 以上；第二級(jí)是由 A3 構(gòu)成的基本差分放大器。由于理想運(yùn)放輸入阻抗近似為零， A1 和 A2 輸入端的兩個(gè)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(xué)電子學(xué)課程設(shè)計(jì)生醫(yī) 031李佩鏈200306183）電路分析參數(shù)設(shè)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(hào)是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微

4、弱信號(hào)， 為了減小信號(hào)源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器的輸入阻抗，輸入阻抗是指開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)， 從兩個(gè)輸入端看進(jìn)去的動(dòng)態(tài)阻抗， 它等于兩個(gè)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(jí)，第二級(jí)采用的時(shí)兩個(gè)運(yùn)放接成同相并聯(lián)型運(yùn)算放大器后接一差動(dòng)運(yùn)放。由于是同相輸入，所以阻抗大大增加，并決定了運(yùn)放電路的輸入阻抗，一般 10M1M ，高輸入阻抗同時(shí)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(hào) , 干擾和噪聲的頻率成分進(jìn)行分離和頻率選擇 , 使有用信號(hào)順利通過(guò) , 而將干擾信號(hào)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(wú)源濾波兩種， 無(wú)源濾波它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 不需要電源，內(nèi)部噪聲低；性能穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)范圍大；高頻時(shí)響應(yīng)良好，優(yōu)勢(shì)突出等特點(diǎn)，但是無(wú)源濾波電路在頻率較低時(shí)， L,C 參值很大，導(dǎo)致體積很大，損耗大。而有源濾波，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)電感，體積小，重量輕，電磁干擾??；運(yùn)放可加電壓串聯(lián)負(fù)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(shí)現(xiàn)；濾波的同時(shí)可以放大。生物電信號(hào)是低頻微弱信號(hào) ,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(shè)計(jì)中采用的是二階濾波器 .這次設(shè)計(jì)中采用的是二階低通濾波器。二階低通濾波器的參數(shù)設(shè)定要根

6、據(jù)心電的頻率范圍和二階低通濾波器的性質(zhì)進(jìn)行設(shè)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(xué)電子學(xué)課程設(shè)計(jì)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(cè)得該濾波器的幅頻特性曲線如下：4生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)課程設(shè)計(jì)生醫(yī) 031李佩鏈20030618二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1、實(shí)驗(yàn)波形圖 1實(shí)驗(yàn)波形圖2、結(jié)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(wàn)用表接入輸入端,并置位至歐坶檔 ,可以測(cè)出輸入電阻為2M1M 。5生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)課程設(shè)計(jì)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(cè)出輸出電壓波形A 為：三思考題1. 設(shè)計(jì)的放大器其共模抑制比主要受哪些元件的影響 ?應(yīng)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(jī)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(chǔ)上增加功能，如光電耦合，導(dǎo)聯(lián)緩沖，右腿驅(qū)動(dòng)和屏蔽驅(qū)動(dòng)等 ?答： 腳驅(qū)動(dòng)技術(shù)：取出心電放大器的共模信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器反相放大后，加在人的右腳（經(jīng)一限流電阻） ，構(gòu)成以人體為相加點(diǎn)的電壓并聯(lián)負(fù)反饋，增大了共模抑制比。光電耦合：若信號(hào)源部分與輸出回路采用獨(dú)立電源分別接不同的地， 即使是遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，也可避免受到各種干擾。四實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題：本次實(shí)驗(yàn)中仍存在問(wèn)題，最主要的是未能加入50HZ 的陷波器，干擾信號(hào)不能被完全濾掉，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果仍然有失真，其次是電路中的某些參數(shù)設(shè)置不夠恰當(dāng)，不能準(zhǔn)確得出

9、測(cè)量結(jié)果。五設(shè)計(jì)感想：這次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)生 物 醫(yī)學(xué)電 子學(xué)這門(mén)課程有了 更加深刻的認(rèn)6生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)課程設(shè)計(jì)生醫(yī) 031李佩鏈20030618識(shí)，同時(shí)也溫習(xí)了 EWB 環(huán)境的操作。老師布置下作業(yè)以后，通過(guò)去圖書(shū)館、上網(wǎng)查資料，請(qǐng)教其他同學(xué)終于將課程設(shè)計(jì)初步完成。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于一時(shí)的粗心馬虎，出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤，有時(shí)連線有錯(cuò)誤，有時(shí)元件的參數(shù)設(shè)置不適當(dāng)，使得電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，在老師和同學(xué)們的指導(dǎo)和幫助下，終于完成了課程設(shè)計(jì)。所以，不管做什么事，都不能馬虎大意，要認(rèn)真，專心，一絲不茍的去做，因?yàn)槲蚁嘈?，只要有付出，就?huì)有收獲。這次課程設(shè)計(jì)，我收益非淺，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己知識(shí)水平的不足，對(duì)所學(xué)過(guò)的知識(shí)未能熟練掌握，更不能熟練的運(yùn)用。這次的課程設(shè)計(jì)不僅鍛煉了實(shí)際動(dòng)手操作能力，對(duì)心電信號(hào)有了一些認(rèn)識(shí)， 對(duì)前置放大電路和濾波器更深的了解，通過(guò)多次的操作，演練，對(duì)示波器的運(yùn)行也逐漸熟練。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我又一次認(rèn)識(shí)到理論聯(lián)系實(shí)踐的重要，理論要在實(shí)踐中得到證實(shí)，只有在實(shí)踐中，我們才能更加深刻的領(lǐng)會(huì)和掌握理論知識(shí)。參考文獻(xiàn)1 余學(xué)飛主編醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì)，華南理工大學(xué)出版社王保