简易心电图仪设计报告

生物医学工程学院电子技术综合实验室课程设计报告题目：简易心电放大仪指导教师：年级：专业：学号：姓名：学号：姓名：一、设计要求与技术指标设计制作一台简易心电图仪，用于测量人体心电信号并在示波器上显示，其示意图如图1所示。LARARL心电信号放大器通用示波器图1简易心电图仪示意图导联电极说明：(1)LA（左臂），RA（右臂），RL（右腿）。(2)心电信号（标准I导联）的电极接法：RA接放大器反相输入端（－），LA接放大器同相输入端（＋），RL作为参考电极，接心电放大器参考点。(3)RA、LA和RL的皮肤接触电极分别通过1.5m长的屏蔽导联线与心电信号放大器连接。技术指标(1)制作一路心电信号测量放大器，其技术指标如下：(a)电压放大倍数1000，误差5%。(b)3dB低频截止频率0.05Hz。(c)3dB高频截止频率100Hz，误差10Hz，在200Hz处的衰减10dB。(d)通带内响应波动3dB。(e)共模抑制比60dB。(f)差模输入电阻5MΩ。(2)按标准I导联的接法进行实际的心电图测量，能在示波器上较清晰地显示心电波形。标准I导联心电波形的示意图如图2所示。图2心电波形示意图(3)实际测量心电图时，放大器的等效输入噪声（包括50Hz干扰）400μV（峰-峰值）。二、总体电路框图电路设计共五个部分组成第一是由前置放大器，这一级增益选在20倍左右。第二是屏蔽驱动电路，采用右腿驱动电路，它不仅可以消除电路中的共模信号，还可以提高工模抑制比。第三是由滤波电路组成。由于心电信号频率在0.05—100hz以内，所此电路要将这频带以外的信号都滤除。第四是由50hz的限波电路组成，这主要采用双T带阻滤波电路。第五是后级放大电路，前置放大电路放大倍数为100-200左右，这一级还需要放大6—10倍左右。总体框图如下图所示：前置放大屏蔽驱动右腿驱动屏蔽层输入信号右腿高通滤波带阻滤波低通滤波电压放大输出信号前置放大为20倍，高通滤波为二阶巴特沃斯型滤波器通带放大倍数为1.6倍，低通滤波为四阶巴特沃斯滤波器通带放大倍数为1.6*1.6=2.56倍，后级为反向放大电路放大倍数为12倍，总共放大倍数为A=20*1.6*1.6*1.6*1.6*12.2=1000倍三、设计方案与方案比较一）、前置放大电路（1）根据心电信号的特点，前置级应该满足下述要求：1)高输入阻抗。被提取的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。一般情况下，信号源的内阻为100kΩ，则放大器的输入阻抗应大于1MΩ。2)高共模抑制比CMRR。人体所携带的工频干扰以及所测量的参数以外的生理作用的干扰，一般为共模干扰，前置级须采用CMRR高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。3)低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。（2）方案的选择方案（一）：三运放仪用放大电路如图3所示的同相并联三运放结构，这种结构可以较好地满足上面三条要求。A1、A2构成放大器的第I级，主要用来提高整个放大电路的输入阻抗。第II级采用差动电路用以提高共模抑制比。将A3、A4两个同相输入运放电路并联，再与A5差分输入串联的三运放差分放大电路。根据虚短、虚断的概念，不难分析A3、A4前置放大电路仅对差模信号有放大作用，差模放大倍数为（R3+2R1）/R3倍。这样的电路有以下几个优点：a.A3、A4提高了差模信号与共模信号之比，即提高了信噪比，因差模信号按差模增益比放大，远高于共模成分（噪声）；b.决定增益的电阻（R1、R2、R3）对共模抑制比CMRR没有影响，因此电阻的容差不重要，R1、R4的失配仅使两输出端之间的差模增益失配，与CMRR相比，这一点并不重要。电路的另一个特点是对共模输入信号没有放大作用，共模电压增益接近于零。这个因素不仅与实际的共模输入有关，而且也与A3和A4的失配电压和漂移有关。如果A3和A4有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作为共模信号出现，没有被放大，还能被第二级抑制。这样对于A3和A4的漂移要求就会降低。A3和A4前置放大级的差模增益要做得尽可能高，相比之下，第二级（A5）的漂移和共模误差就可以忽略，对放大器的要求就可以大大降低。当R4=R5，R6=R7+RP时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即：Avd=(（R3+2R1）/R3)(R6/R4)由此可知，上述电路具有输入阻抗高，共模抑制比高等优点，可作为通用仪用放大器使用。图3三运放仪用放大器方案（二）利用AD620来设计放大电路AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1～1000的低价格、低功耗、高精度仪表放大器。它体积小，为8管脚的SOIC或DIP封装；供电电源范围为±2.3V～±l8V；最大供电电流仅为1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大输入失调电压为5OμV，最大输入失调电压漂移为lμV/。C，最大输入偏置电流为2.0nA。G=10时，其共模抑制比大于93dB。在1kHz处输人电压噪声为9nv／（Hz）1/2．在0.1Hz～10Hz范围内输人电压噪声的峰--峰值为0.28μV，输入电流噪声为0.1pA／（Hz）1/2。G=l时它的增益带宽为120kHz，建立时间为15μs总的来看，AD620的特点可归结为如下几点：A.AD620能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标，故可用于精确的数据采集系统，作为各种微弱信号的前置调理器；B.只用一只外部电阻就能设置放大倍数l～l000；C.体积小，只有8个引脚；D.低功耗，最大的供电电流为1.3mA；E.价格低，建立时问短，所以它也非常适用于多路转换系统的V/I变换电路。利用AD620构成心电放大器前置放大级：图五图5是AD620在心电图监测仪的的应用，这里的源阻抗可高达1MΩ，甚至更高，AD620的低功耗、低供电电压及低噪声特性得到了充分发挥。方案（三）用MAX4194实现MAX4194也是增益可调的仪用放大器，下面是它的特性参数：A.+2.7V单电源工作B.低功耗93µASupplyCurrent8µAShutdownCurrentC.高共模抑制比：115dB(G=+10V/V)D.低输入失调电压：50µV(G=+100V/V)E.G＝1000V/V时3dB带宽为147HzF.轨至轨输出MAX4194的这些优异性能使它十分适合心电放大器的设计。设计电路如下：图六方案选择及元器件选择：三运放仪用放大器，虽然可以满足一般要求，但由于集成化低，所用元件多，结构复杂，调试困难，难以满足当前各种微弱生理参数测量的高稳定性、高共模抑制比、高安全性的要求。MAX4194的封装形式是贴片，用起来不太方便，所以选用DIP封装的AD620。（3）元件参数计算：1导联输入：导联线又称输入电缆线。其作用是将电极板上获得的心电信号送到放大器的输入端。心脏电兴奋传导系统所产生的电压是幅值及空间方向随时间变化的向量。放在体表的电极所测出的ECG信号将随不同位置而异。心周期中某段ECG描迹在这一电极位置不明显，而在另一位置上却很清楚。为了完整描述心脏的活动状况，应采用多电极导联方式测量心电信号，基于现在的实验条件及要求，选择3导联方式：左臂（LA），右臂（RA）以及右腿（RL）。各导联线以不同颜色的标志来表示所接的部位。为了减少连接时发生错误，国际统一规定字母和导线色标为：R-右臂（红）；L-左臂（黄）；RF-右腿（黑）2输入保护：由于此系统用于人体心信号的检测与诊断，，其将不可避免的与其他高电压电子器件（如起搏器）同时作用于同一人体，导致加在心电图机上的电压迅速增大，损坏心电图机，有必要在本套系统之前加入保护电路。由于保护电阻要求在输入5000V高压时不会损坏电路，二极管应选用的漏电的微型二极管，最大允许通过的顺时电流为100mA,那么限流保护电阻R23=R24=220KΩ这一级增益选为20，AD620部分放大20倍。Rg=2.7k，由公式G=49.4kΩ/RG+1计算得到，前级总放大倍数AV前=（49.4/Rg+1）＝20。为了说明差分式放大电路指引共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大电路对差模信号的电压增益AVD与对共模信号的电压增益AVC之比的绝对值，即KCMR=|AVD/AVC|差模电压增益越大，共模电压增益越小，则共模抑制能力越强，放大电路的性能越优良，因此希望KCMR值越大越好。共模抑制比也可以用分贝表示：KCMR=20lg|AVD/AVC|dB二)共模信号抑制电路右腿驱动电路：虽然AD620的共模抑制比较高，但当接入其他电路时，其共模抑制比会变得较低，我们在提高共模抑制比的同时，也要考虑用直接降低共模信号的方法来提高其值，右腿驱动电路就是一个很好的降低抑制共模信号的方法，在右腿接入一反向放大器，并与仪表放大相连，可以将共模信号抑制1＋K倍（K为反向放大增益），从而有效的降低了共模信号。取R2=10MΩ,R1=10KΩ,从而K＝R1/R2=1000,加一电容组成低通滤波器，是电路稳定，在这里选取C=4.7nF。地屏蔽电路：由一射级跟随器组成,。图7右腿驱动与地屏蔽电路参数设置R2=1MR1=100KR3=11kc1=4.7nF三）、高通滤波电路要求：3dB频率是0.05Hz设计原理：此模块采用二阶巴特沃斯电路可满足以下要求3dB频率是0.05Hz，高通滤波器选择典型的压控电压源二阶滤波器，电路结构如图。该电路的典型参数为：截止频率RCf210，品质因数031AQ，通带放大倍数101RRAf现要求滤波器的截止频率等于0.05Hz，Q=0.707，取电容等于47μF，则电阻kΩ67.805.0104714.3216R，选用电阻68kΩ。通带电压放大倍数A0=3-1/Q≈1.586，取R1=20kΩ，Rf=0.586R1=0.586×20kΩ=11.72kΩ，取12kΩ。集成运算放大器选用高精度、低漂移运算放大器OP07。电路图如下图8二阶高通滤波器四）低通滤波器要使在在200Hz处的衰减10dB。四阶低通滤波器电路如图。该滤波器的参数指标为：截止频率RCf210，品质因数031AQ，通带放大倍数10A。f=1/(2*3.14*R*C)取R12=R13=R7=R8=160K,R15=R10=20K,R9=R14=12K,C4=C5=C6=C7=10Nf,F=1/(2*3.14*160*1000*10*10-9)=106.3HZ在该电路选择参数情况下，二阶低通滤波器的截止频率，2310AQ五、后级放大电路设计原理：此电路采用反向放大电路和滤波电路；参数设计如下：R18=100KR19=510KC10=33UFC11=330PF低端截至频率f1=1/2*3.14*C10*R18=0.05Hz高端截至频率f2=1/2*3.14*C11*R19=100Hz