心电信号检测电路的设计

毕业论文(设计)题目:心电信号检测电路的设计目录摘要................................................................1Abstract............................................................11引言..............................................................22心电信号的特征、检测电路的要求以及心电图导联......................32.1人体心电信号的特征............................................32.1.1抑制干扰的措施............................................32.1.2降低噪声的措施............................................42.2心电信号检测电路设计要求......................................42.3ECG导联方式..................................................43心电信号检测电路的整体制作........................................63.1ECG前置放大器................................................63.1.1AD620AN实际放大倍数以及共模抑制比的测量.................83.1.2有源低通滤波电路.........................................93.2陷波电路.....................................................103.3安全隔离.....................................................133.4补偿跟随.....................................................154总结.............................................................15致谢..............................................................16参考文献...........................................................161心电信号检测电路的设计摘要：心电信号检测电路是各种心电监护仪中的核心组成部分，其性能的好坏直接影响心脏疾病的准确诊断和治疗，因此心电信号检测电路的精确性和可靠性是至关重要的。针对心电信号具有的特殊性、微弱性和易受干扰等特点，本心电信号检测电路由高性能单片集成的仪器放大器AD620组成的前置放大电路、50HZ双T陷波电路以及以6N136为核心的光电隔离电路构成,从而使该电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低温漂和高信噪比等特点,很好地满足心电采集设备的要求，电路简单可靠，可行性强。关键词：心电信号检测；前置放大；陷波；光电隔离TheManufactureofECGcircuitdesignAbstract:TheManufactureofECGcircuitisthecorecomponentoftheECGmonitor,thequalityofthesystemdirectlyimpactsontheaccuracyofdiagnosisandtreatmentsaboutheartdiseases,thereforetheaccuracyandreliabilityofECGdetectionsystemisveryimportant.Duetotheparticularityandweakandeasilydistractedofecgsignals,weusehigh-performancesingle-chipAD620formedtheECGpreamplifiercircuit,doubleT-notchfiltercircuitandhighspeeddatatransmissionphotoelectricisolationcircuittodesigntheManufactureofECGcircuit,whichmakethiscircuithashighinputimpedance,highcommonmoderejectionratio,lownoise,lowtemperaturedriftandhighsignal-to-noiseratiocharacteristics,suchaswellmeettherequirementsofecgacquisitiondevice,withtheadvantagesofsimpleandfeasibility.Keywords:ECGdetection;preamplifier;filter;Photoelectricisolation21引言心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差也有很多点彼此之间无电位差是等电的。现今检测心电信号的主要方法是提取体表任意两点的心电电位差形成的周期性曲线，即心电图ECG。它反映了心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化[1]。心脏活动时，心肌产生生物电信号，将其记录下来的曲线称为心电图。电生理学证明，心电图实际上是描述心脏激动(兴奋与恢复)的整个过程中，由这个激动而引起休表任意两点间变动着的电位差曲线。正常人的心电图中每一个心动周期有五个波，各为P、Q、R、S、T波(还可能有一种很小的u被)。这些波形的幅值、时间间隔都有一定的范围。既然心电图能反映心脏在兴奋与恢复的整个过程中的电现象，反过来，我们可以从这些电现象中分析和推断机体的生理和病理状态。临床心电图学，就是通过分析心电图各波形，结合其它临床资料，给以适当的解释，以辅助临床诊断的学科。例如，我们可以从P波的时限、波向、幅值来辅助诊断左右心房疾患；从Q、R、S波、ST段以及T波的显著改变来辅助诊断心室肌病变、心肌梗死、梗死前兆及病变部位的定位等。同时，心电图更能准确地反映出各种心律失常疾病。有时，在进行一些重要手术时，还可以根据心电图的临床监测，指导手术的进行，提示必要的药物的合迎使用。因此，近几十年来，心电图在临床中得到了愈来愈广泛的应用[2]。20世纪80年代美国成功研制了利用电话线来传输心电信号的监护设备[3]。之后美国GeorgeWashington大学研制出基于Palm型掌上电脑的心电记录仪,可以记录三导心电数据,在掌上电脑上实时显示心电图[4]。Nelwan等开发了使用无线PDA作为心电发送工具的心电监护仪器[5]。心电采集系统是各类心电监护仪器不可或缺的重要组成部分，研究和分析心电信号检测放大电路对提高心电监护仪的综合性能有着很大的实际意义。本设计主要是针对人体特点制作一个方便易行和调试简单的ECG检测放大电路。32心电信号的特征、检测电路的要求以及心电图导联2.1人体心电信号的特征心电信号属生物医学信号，具有如下特点：1、信号具有近场检测的特点，离开人体表微小的距离，就基本上检测不到信号；2、心电信号通常比较微弱，至多为mV量级；属低频信号，且能量主要在几百赫兹以下（如表1所示)；3、干扰特别强。干扰既来自生物体内，如肌电干扰、呼吸干扰等；也来自生物体外，如工频干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来串扰等4、干扰信号与心电信号本身频带重叠(如工频干扰)以及各种噪声的影响（如1/f噪声、热噪声和散粒噪声等)。表1人体心电图描记心电图描记ECG所用传感器测量幅度范围频率范围（Hz）体表电极10μV-4mV（典型值1mV）0.05—250心脏电极典型值50mV0.05—250胎儿电极典型值10μV0.05—2502.1.1抑制干扰的措施虽然表面上50Hz干扰源没有与测量电路直接连接，但是干扰依然存在，它通过各种耦合途径进入测量电路。主要的耦合途径有[6]：（1）电容性耦合是由于导线和导线之间以及导线与元件、结构件之间都存在着分布电容，一个导体上的干扰电压通过分布电容使其他导体上耦合出干扰电位的现象。另外人体也是一个良导体，人体与50Hz电源电线之间存在分布电容，同样能引入电容性耦合干扰。（2）电感性耦合即磁场耦合，是干扰电流产生的磁通随时间变化而形成的干扰电压。测量系统内部的闭合回路或线圈是形成干扰电压的主要原因。抑制电磁场干扰的主要方法是合理接地与电磁屏蔽两种。合理接地是抑制电容性干扰的最好方法，原则是正确的一点接地。测量仪器的接地应从三方面考虑：一是仪器供电系统的安全接地，称为保护接地；二是所设计电路系统的工作接地；三是输入回路或敏感回路的接地。接地不正确是生物医学测量失败的主要原因。电磁场屏蔽是指在测量系统工作区域加以金属封闭隔离层，用以屏蔽从其他区域4传播来的电场或磁场辐射干扰。2.1.2降低噪声的措施噪声指的是测量系统内部由器件、材料等本身物理因素所产生的自然不稳定扰动（包括电压和电流噪声）。噪声和干扰对于测量系统的危害是相同的，但噪声是电路内部固有的，不能用诸如屏蔽、合理接地等方法予以消除。为了减小噪声的影响，提高测量的信噪比，对于各种噪声采用不同的措施：（1）1/f噪声是由于不同材料之间不完全接触形成起伏的电导率产生的。各种有源器件在制作工艺过程中存在缺陷都是1/f噪声的主要成因。因此改善器件制作工艺，能从根本上降低分立元件的1/f噪声。（2）热噪声是由导体中载流子的随机运动引起的。它是普遍存在的，通常是用降低温度的方法来削弱热噪声。在保证信号不失真情况下，应尽量减小测量系统的频带宽度，或者电阻尽可能小，避免增加额外的热噪声。（3）散粒噪声是由半导体器件中载流子扩散到基区的不一致，使流过的载流子数目发生起伏，从而引起电流的无规则变化。它只与流过半导体PN结有关，所以二极管、三极管和集成运算放大器等存在散粒噪声，散粒噪声电流的均方值与测量系统的频带宽度成正比。在一定条件下减小测量系统的频带宽度可降低散粒噪声对检测的影响[1]。2.2心电信号检测电路设计要求心电信号检测电路，应达到的指标：1.具有较高输入阻抗1MΩ;2.放大器差动增益约为1000（60db）;3.具有较高的共模抑制比（CMRR80db）;4.等效输入噪声10uv；5.频带范围0.05hz～100hz；2.3ECG导联方式临床上为了便于比较所获得的ECG波形,对测定ECG的电极位置、引线与放大器的联接方式有严格的统一规定,称之为心电图的导联系统。临床心电信号主要从体表收集,如将测量电极安置在体表相隔一定距离的两点,构成一个导联,可测量出心电在体表的电位差。Einthoven于1903年提出了标准双极肢体Ⅰ、Ⅱ、5Ⅲ导联;1934年Wilson引入了以中心电端WCT为参考的V1～V6单极胸导联;1942年Goldberger改良中心电端,提出了aVR、aVL、aVF单极加压肢体导联。经过长期临床实践,目前确立了标准12导联系统的常规地位。各肢体导联结构如图1、图2所示[7]。对于图1标准双极肢体导联：Ⅰ导联的心电信号定义为心脏活动时，传导到左手和右手的心电电位之差；Ⅱ导联是传导到右手和左脚之间的电位差；Ⅲ导联是传导到做事和左脚之间的电位差，三者构成一个三角形。命右手、左手、左脚心电电位为UR、UL和UF，导联组合原理为：Ⅰ=UL-URⅡ=UF-URⅢ=UF-UL单级加压肢体导联比双极导联多了一个网络中心点，同理可得其导联组合原理为：aVR