心電信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目:心電信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)目錄摘要 心電信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)摘要：心電信號(hào)檢測(cè)電路是各種心電監(jiān)護(hù)儀中的核心組成部分，其性能的好壞直接影響心臟疾病的準(zhǔn)確診斷和治療，因此心電信號(hào)檢測(cè)電路的精確性和可靠性是至關(guān)重要的。針對(duì)心電信號(hào)具有的特殊性、微弱性和易受干擾等特點(diǎn)，本心電信號(hào)檢測(cè)電路由高性能單片集成的儀器放大器AD620組成的前置放大電路、50HZ雙T陷波電路以及以6N136為核心的光電隔離電路構(gòu)成,從而使該電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低溫漂和高信噪比等特點(diǎn),很好地滿足心電采集設(shè)備的要求，電路簡(jiǎn)單可靠，可行性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：心電信號(hào)檢測(cè)；前置放大；陷波；光電隔離TheManufactureofECGcircuitdesignAbstract:TheManufactureofECGcircuitisthecorecomponentoftheECGmonitor,thequalityofthesystemdirectlyimpactsontheaccuracyofdiagnosisandtreatmentsaboutheartdiseases,thereforetheaccuracyandreliabilityofECGdetectionsystemisveryimportant.Duetotheparticularityandweakandeasilydistractedofecgsignals,weusehigh-performancesingle-chipAD620formedtheECGpreamplifiercircuit,doubleT-notchfiltercircuitandhighspeeddatatransmissionphotoelectricisolationcircuittodesigntheManufactureofECGcircuit,whichmakethiscircuithashighinputimpedance,highcommonmoderejectionratio,lownoise,lowtemperaturedriftandhighsignal-to-noiseratiocharacteristics,suchaswellmeettherequirementsofecgacquisitiondevice,withtheadvantagesofsimpleandfeasibility.Keywords:ECGdetection;preamplifier;filter;Photoelectricisolation1引言心臟周圍的組織和體液都能導(dǎo)電，因此可將人體看成為一個(gè)具有長(zhǎng)、寬、厚三度空間的容積導(dǎo)體。心臟好比電源，無(wú)數(shù)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化的總和可以傳導(dǎo)并反映到體表。在體表很多點(diǎn)之間存在著電位差也有很多點(diǎn)彼此之間無(wú)電位差是等電的。現(xiàn)今檢測(cè)心電信號(hào)的主要方法是提取體表任意兩點(diǎn)的心電電位差形成的周期性曲線，即心電圖ECG。它反映了心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的生物電變化[1]。心臟活動(dòng)時(shí)，心肌產(chǎn)生生物電信號(hào)，將其記錄下來的曲線稱為心電圖。電生理學(xué)證明，心電圖實(shí)際上是描述心臟激動(dòng)(興奮與恢復(fù))的整個(gè)過程中，由這個(gè)激動(dòng)而引起休表任意兩點(diǎn)間變動(dòng)著的電位差曲線。正常人的心電圖中每一個(gè)心動(dòng)周期有五個(gè)波，各為P、Q、R、S、T波(還可能有一種很小的u被)。這些波形的幅值、時(shí)間間隔都有一定的范圍。既然心電圖能反映心臟在興奮與恢復(fù)的整個(gè)過程中的電現(xiàn)象，反過來，我們可以從這些電現(xiàn)象中分析和推斷機(jī)體的生理和病理狀態(tài)。臨床心電圖學(xué)，就是通過分析心電圖各波形，結(jié)合其它臨床資料，給以適當(dāng)?shù)慕忉?，以輔助臨床診斷的學(xué)科。例如，我們可以從P波的時(shí)限、波向、幅值來輔助診斷左右心房疾患；從Q、R、S波、ST段以及T波的顯著改變來輔助診斷心室肌病變、心肌梗死、梗死前兆及病變部位的定位等。同時(shí)，心電圖更能準(zhǔn)確地反映出各種心律失常疾病。有時(shí)，在進(jìn)行一些重要手術(shù)時(shí)，還可以根據(jù)心電圖的臨床監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行，提示必要的藥物的合迎使用。因此，近幾十年來，心電圖在臨床中得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用[2]。20世紀(jì)80年代美國(guó)成功研制了利用電話線來傳輸心電信號(hào)的監(jiān)護(hù)設(shè)備[3]。之后美國(guó)GeorgeWashington大學(xué)研制出基于Palm型掌上電腦的心電記錄儀,可以記錄三導(dǎo)心電數(shù)據(jù),在掌上電腦上實(shí)時(shí)顯示心電圖[4]。Nelwan等開發(fā)了使用無(wú)線PDA作為心電發(fā)送工具的心電監(jiān)護(hù)儀器[5]。心電采集系統(tǒng)是各類心電監(jiān)護(hù)儀器不可或缺的重要組成部分，研究和分析心電信號(hào)檢測(cè)放大電路對(duì)提高心電監(jiān)護(hù)儀的綜合性能有著很大的實(shí)際意義。本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)人體特點(diǎn)制作一個(gè)方便易行和調(diào)試簡(jiǎn)單的ECG檢測(cè)放大電路。2心電信號(hào)的特征、檢測(cè)電路的要求以及心電圖導(dǎo)聯(lián)2.1人體心電信號(hào)的特征心電信號(hào)屬生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，具有如下特點(diǎn)：1、信號(hào)具有近場(chǎng)檢測(cè)的特點(diǎn)，離開人體表微小的距離，就基本上檢測(cè)不到信號(hào)；2、心電信號(hào)通常比較微弱，至多為mV量級(jí)；屬低頻信號(hào)，且能量主要在幾百赫茲以下（如表1所示)；3、干擾特別強(qiáng)。干擾既來自生物體內(nèi)，如肌電干擾、呼吸干擾等；也來自生物體外，如工頻干擾、信號(hào)拾取時(shí)因不良接地等引入的其他外來串?dāng)_等4、干擾信號(hào)與心電信號(hào)本身頻帶重疊(如工頻干擾)以及各種噪聲的影響（如1/f噪聲、熱噪聲和散粒噪聲等)。表1人體心電圖描記心電圖描記ECG所用傳感器測(cè)量幅度范圍頻率范圍（Hz）體表電極10μV-4mV（典型值1mV）0.05—250心臟電極典型值50mV0.05—250胎兒電極典型值10μV0.05—2502.1.1抑制干擾的措施雖然表面上50Hz干擾源沒有與測(cè)量電路直接連接，但是干擾依然存在，它通過各種耦合途徑進(jìn)入測(cè)量電路。主要的耦合途徑有[6]：（1）電容性耦合是由于導(dǎo)線和導(dǎo)線之間以及導(dǎo)線與元件、結(jié)構(gòu)件之間都存在著分布電容，一個(gè)導(dǎo)體上的干擾電壓通過分布電容使其他導(dǎo)體上耦合出干擾電位的現(xiàn)象。另外人體也是一個(gè)良導(dǎo)體，人體與50Hz電源電線之間存在分布電容，同樣能引入電容性耦合干擾。（2）電感性耦合即磁場(chǎng)耦合，是干擾電流產(chǎn)生的磁通隨時(shí)間變化而形成的干擾電壓。測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部的閉合回路或線圈是形成干擾電壓的主要原因。抑制電磁場(chǎng)干擾的主要方法是合理接地與電磁屏蔽兩種。合理接地是抑制電容性干擾的最好方法，原則是正確的一點(diǎn)接地。測(cè)量?jī)x器的接地應(yīng)從三方面考慮：一是儀器供電系統(tǒng)的安全接地，稱為保護(hù)接地；二是所設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)的工作接地；三是輸入回路或敏感回路的接地。接地不正確是生物醫(yī)學(xué)測(cè)量失敗的主要原因。電磁場(chǎng)屏蔽是指在測(cè)量系統(tǒng)工作區(qū)域加以金屬封閉隔離層，用以屏蔽從其他區(qū)域傳播來的電場(chǎng)或磁場(chǎng)輻射干擾。2.1.2降低噪聲的措施噪聲指的是測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、材料等本身物理因素所產(chǎn)生的自然不穩(wěn)定擾動(dòng)（包括電壓和電流噪聲）。噪聲和干擾對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的危害是相同的，但噪聲是電路內(nèi)部固有的，不能用諸如屏蔽、合理接地等方法予以消除。為了減小噪聲的影響，提高測(cè)量的信噪比，對(duì)于各種噪聲采用不同的措施：（1）1/f噪聲是由于不同材料之間不完全接觸形成起伏的電導(dǎo)率產(chǎn)生的。各種有源器件在制作工藝過程中存在缺陷都是1/f噪聲的主要成因。因此改善器件制作工藝，能從根本上降低分立元件的1/f噪聲。（2）熱噪聲是由導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的。它是普遍存在的，通常是用降低溫度的方法來削弱熱噪聲。在保證信號(hào)不失真情況下，應(yīng)盡量減小測(cè)量系統(tǒng)的頻帶寬度，或者電阻盡可能小，避免增加額外的熱噪聲。（3）散粒噪聲是由半導(dǎo)體器件中載流子擴(kuò)散到基區(qū)的不一致，使流過的載流子數(shù)目發(fā)生起伏，從而引起電流的無(wú)規(guī)則變化。它只與流過半導(dǎo)體PN結(jié)有關(guān)，所以二極管、三極管和集成運(yùn)算放大器等存在散粒噪聲，散粒噪聲電流的均方值與測(cè)量系統(tǒng)的頻帶寬度成正比。在一定條件下減小測(cè)量系統(tǒng)的頻帶寬度可降低散粒噪聲對(duì)檢測(cè)的影響[1]。2.2心電信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)要求心電信號(hào)檢測(cè)電路，應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)：具有較高輸入阻抗>1MΩ;放大器差動(dòng)增益約為1000（60db）;具有較高的共模抑制比（CMRR>80db）;等效輸入噪聲<10uv；頻帶范圍0.05hz～100hz；2.3ECG導(dǎo)聯(lián)方式臨床上為了便于比較所獲得的ECG波形,對(duì)測(cè)定ECG的電極位置、引線與放大器的聯(lián)接方式有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定,稱之為心電圖的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。臨床心電信號(hào)主要從體表收集,如將測(cè)量電極安置在體表相隔一定距離的兩點(diǎn),構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)聯(lián),可測(cè)量出心電在體表的電位差。Einthoven于1903年提出了標(biāo)準(zhǔn)雙極肢體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián);1934年Wilson引入了以中心電端WCT為參考的V1～V6單極胸導(dǎo)聯(lián);1942年Goldberger改良中心電端,提出了aVR、aVL、aVF單極加壓肢體導(dǎo)聯(lián)。經(jīng)過長(zhǎng)期臨床實(shí)踐,目前確立了標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)的常規(guī)地位。各肢體導(dǎo)聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示[7]。對(duì)于圖1標(biāo)準(zhǔn)雙極肢體導(dǎo)聯(lián)：Ⅰ導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)定義為心臟活動(dòng)時(shí)，傳導(dǎo)到左手和右手的心電電位之差；Ⅱ?qū)?lián)是傳導(dǎo)到右手和左腳之間的電位差；Ⅲ導(dǎo)聯(lián)是傳導(dǎo)到做事和左腳之間的電位差，三者構(gòu)成一個(gè)三角形。命右手、左手、左腳心電電位為UR、UL和UF，導(dǎo)聯(lián)組合原理為：Ⅰ=UL-URⅡ=UF-URⅢ=UF-UL單級(jí)加壓肢體導(dǎo)聯(lián)比雙極導(dǎo)聯(lián)多了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)，同理可得其導(dǎo)聯(lián)組合原理為：aVR=UR-(UL+UF)/2aVL=UL-(UR+UFaVF=UF-(UL+UR)/23心電信號(hào)檢測(cè)電路的整體制作根據(jù)前文所述，心電信號(hào)屬于低頻、微弱和強(qiáng)噪聲背景下的自然信號(hào)。這就要求測(cè)量系統(tǒng)必須能及時(shí)準(zhǔn)確地提取信號(hào)，放大信號(hào)并消除干擾噪聲，將所提取的心電信號(hào)無(wú)失真的映射到可視化終端?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。DC-DC隔離電源DC-DC隔離電源RALA前置放大器陷波器補(bǔ)償線性隔離放大器RL補(bǔ)償Vo圖3心電采集系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖人體組織是一個(gè)容積導(dǎo)體，心電信號(hào)可以傳遞到全身各處，不僅可用心臟電極測(cè)量心臟本身的電信號(hào)，也可由體表電極測(cè)量。但考慮到測(cè)量過程的安全性和復(fù)雜程度，一般都通過體表電極提取人體心電信號(hào)。上圖圖3中的電極RA和LA是心電信號(hào)的主要提取點(diǎn)，也是ECG前置放大信號(hào)的信號(hào)源，分別位于人體的右手和左手。本設(shè)計(jì)中我們采用標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)來提取人體信號(hào)。3.1ECG前置放大器按照心電信號(hào)特點(diǎn)，對(duì)心電放大器前置級(jí)的要求有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、和設(shè)置保護(hù)電路等。為了滿足以上要求，我們使用AD公司的集成儀器放大器AD620，它以同相并聯(lián)差動(dòng)放大為基礎(chǔ)，突出優(yōu)點(diǎn)是低頻噪聲小，從0.1Hz—10Hz的噪聲電壓p-p(峰-峰)值為0.28μV，失調(diào)電壓、溫漂都很小，共模抑制比為110dB，帶寬120Hz（G=100）。用AD620設(shè)計(jì)的電路圖如下：AD620AN[8]只需在1腳和8腳之間接入一個(gè)電阻便可設(shè)置1—100范圍內(nèi)的任何增益。其增益的計(jì)算公式：本實(shí)驗(yàn)中，，計(jì)算得AD620的增益約為7。圖5ECG放大器電路圖在上圖5中輸入信號(hào)經(jīng)過AD620AN、有源低通濾波器，為了方便數(shù)據(jù)分析，我們將圖5所示的ECG前置放大器電路分劃為兩個(gè)部分,即由AD620AN組成的一級(jí)高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移前置放大部分和由TL084組成的有源低通濾波器部分。圖6實(shí)際的調(diào)試電路第一部分如圖6所示，信號(hào)源VSIN使用的是函數(shù)發(fā)生器，選擇信號(hào)幅度大小為、頻率為的正弦波信號(hào)輸出，因?yàn)樵摵瘮?shù)發(fā)生器產(chǎn)生的波形幅度最小為10mv，我們使用10mv的信號(hào)，并使用電阻分壓從而得到人體ECG的模擬值。AD620的驅(qū)動(dòng)±12V的直流穩(wěn)壓源。實(shí)際測(cè)得函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波的最小幅值為:經(jīng)過電阻分壓以后實(shí)際進(jìn)入AD620AN的電壓幅值為：所以求得：該值與人體的ECG的幅值接近，可以用來調(diào)試電路。3.1.1AD620AN實(shí)際放大倍數(shù)以及共模抑制比AD620AN實(shí)際放大倍數(shù)的測(cè)量：改變函數(shù)發(fā)生器正弦波的幅值和頻率，用示波器觀測(cè)AD620AN輸出端6腳的信號(hào)的幅度，列表如下：表2AD620AN增益測(cè)量頻率（Hz）20406080Vin（mV）59.259.859.462.0Vout1（mV）268.1275.0276.0280.0AD620AN差模增益4.54.64.64.5即實(shí)際電壓放大倍數(shù)（差模增益）約為：AD620AN共模抑制比測(cè)量：將R1和R2短接后加上、80Hz的正弦波信號(hào)后，6端電壓值為21.2mV，得出共模增益為：則共模抑制比應(yīng)為：3.1.2有源低通濾波電路該部分電路如圖7所示，該部分電路主要起到低通濾波、電壓放大的作用，在整個(gè)放大電路中放大的倍數(shù)最大。圖7有源低通濾波放大電路由R2、R3、R4和C5，TL084組成的一階低通濾波器，由公式：該一階低通濾波器的截止頻率為：其通帶放大倍數(shù)為：由R6、R7和C3，TL084組成的一階低通濾波器，截止頻率為：通帶放大倍數(shù)為：所以該有源低通濾波放大級(jí)電路實(shí)際的放大倍數(shù)為：當(dāng)、的正弦波信號(hào)后，Vo作為示波器的探測(cè)點(diǎn)。測(cè)出波形如圖8，差模信號(hào)放大后的幅值變?yōu)椋?，?shí)際放大倍數(shù)為：圖8有源低通濾波器輸出端波形3.2陷波電路心電信號(hào)由于頻率低、信號(hào)小、因此50Hz的工頻干擾特別嚴(yán)重。工頻干擾信號(hào)通過周圍儀器設(shè)備以及人體內(nèi)的分布電容混淆在心電信號(hào)之中，影響測(cè)量效果。為了去除人體或者測(cè)量系統(tǒng)中的工頻50Hz干擾，需要用帶阻濾波器（即陷波器）予以抑制。我們采用的是圖9所示的雙T網(wǎng)絡(luò)陷波器結(jié)構(gòu)。其通帶放大倍數(shù)傳遞函數(shù)令中心頻率，則電壓放大倍數(shù)通帶截止頻率阻帶寬度這里，稱作濾波器的品質(zhì)因數(shù)。如果=1，則=0.5，值將隨著的增加而增大。由的表達(dá)式得知，接近2時(shí)，趨近于無(wú)窮大，可使陷波電路的選頻特性達(dá)到最佳[9]。圖9雙T陷波電路由于陷波器對(duì)頻率的要求較高，所以間接要求我們對(duì)電阻電容值的選取必須做到將誤差縮小到最小范圍，由陷波的條件：，計(jì)算得時(shí)間常數(shù)為：根據(jù)實(shí)際可行的情況，我們選取，則計(jì)算得，，，在protel99SE下仿真得到陷波效果圖如圖10所示：圖10protel99SE下陷波電路仿真圖在實(shí)際實(shí)現(xiàn)雙T陷波電路時(shí)，我們對(duì)電容、電阻用萬(wàn)能表精密篩選，挑出滿足條件的器件，使選出的器件能盡量接近計(jì)算值，電容的選取上我們使用0.1u和0.22u的云母電容，電阻的選取上我們用普通電阻加滑動(dòng)變阻器搭配的方式來達(dá)到需要的精度。在輸入1V，頻率可調(diào)的正弦波信號(hào)下，測(cè)得的電壓值隨頻率的變化情況如表2所示。表3實(shí)際電路陷波數(shù)據(jù)頻率（Hz）2023262932353841444750V0（V）2.122.1461.821.040.70頻率（Hz）53565962656871747780V0（V）1.601.962.0802.20結(jié)合表3中數(shù)據(jù)繪圖分析，如圖11所示，此時(shí)陷波器的中心頻率在50Hz附近，完全達(dá)到預(yù)期目的，陷波深度為[10]圖11實(shí)際陷波曲線圖即心電信號(hào)中混雜的50Hz工頻干擾信號(hào)經(jīng)過該陷波電路后，信號(hào)衰減了10dB，而其他頻率的信號(hào)幾乎無(wú)衰減通過了陷波器進(jìn)入下級(jí)電路中，能很好地去除信號(hào)中的50Hz工頻干擾。3.3安全隔離在生物電測(cè)量中，為了確保測(cè)量安全和提高放大器抑制干擾的能力，在與生物體接觸的前置放大級(jí)采用浮地（或者浮置）放大器。所謂浮地，即信號(hào)在傳遞過程中，不是利用一個(gè)公共接地點(diǎn)逐級(jí)地往下面?zhèn)魉?，如人們所熟知的阻容耦合、直接耦合等，而是利用如電磁耦合或光電耦合等隔離技術(shù)。信號(hào)從浮地部分傳到普通接地部分，不僅兩部分之間沒有電路直接聯(lián)系，而且兩種地線無(wú)聯(lián)系，通過地線構(gòu)成的漏電流完全被抑制。浮地為浮置部分電路的等電位點(diǎn)，用不同的接地符號(hào)表示。浮地部分由隔離電源的輸出供電，普通電路部分由普通穩(wěn)壓電源供電，構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)。因此保障了被測(cè)人體的絕對(duì)安全，同時(shí)消除了地線中干擾電流的影響[11]。6N136是一種高速光電隔離器，適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求較高的場(chǎng)合。它的結(jié)構(gòu)原理圖如圖12所示。輸入信號(hào)經(jīng)過2、3腳使發(fā)光二極管發(fā)出光信號(hào)，通過內(nèi)部光通道到達(dá)輸出端光敏二極管，光敏二極管由于受光導(dǎo)通，經(jīng)過三極管放大后，從6腳輸出。6N136具有價(jià)格便宜，調(diào)試方便，噪聲小，隔離度高，線性度好等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。圖126N136結(jié)構(gòu)原理圖我們使用光電隔離器6N136來設(shè)計(jì)的安全隔離電路如圖13所示。我們采用5V電源供電，使用DC-DC變換器件MC78L05CP將12V電壓變換至5V，達(dá)到供電要求。圖13安全隔離電路在實(shí)際電路調(diào)試中，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生80Hz、2V的正弦波信號(hào)，加在安全隔離電路輸入端。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R29和R30，使6端輸出為不失真的正弦波。當(dāng)且時(shí)，三極管Q1工作在線性放大區(qū)，此時(shí)的輸出信號(hào)為完整的正弦波，無(wú)失真跡象，達(dá)到了隔離輸出效果。3.4補(bǔ)償跟隨該部分電路是對(duì)光電隔離產(chǎn)生的信號(hào)做進(jìn)一步的放大，使電路的總體設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期要求，并采用TL084運(yùn)放的跟隨電路，從而很大程度上降低了顯示部分電路可能存在的不穩(wěn)定以及負(fù)載的阻值變化對(duì)信號(hào)的影響，提高了電路的穩(wěn)定性。電路如下圖14所示：圖14補(bǔ)償跟隨電路4總結(jié)經(jīng)過ECG前置放大器、雙T陷波器、安全隔離三個(gè)電路的獨(dú)立調(diào)試成功后，我們按照總體框架圖合理地將三個(gè)單元電路連接起來，并加入補(bǔ)償電路，構(gòu)建成一個(gè)比較完整的ECG檢測(cè)電路。雖然整個(gè)電路在函數(shù)發(fā)生器模擬的人體信號(hào)下能很好的工作，但是在檢測(cè)實(shí)際人體心電信號(hào)時(shí)發(fā)現(xiàn)仍有很強(qiáng)的干擾信號(hào)。這主要是由于整個(gè)電路暴露于各種實(shí)驗(yàn)儀器向周圍空間散發(fā)50Hz電場(chǎng)中以及我們使用的電極較簡(jiǎn)陋造成的，