十一组心电信号放大器设计完整版

全国大学生电子设计竞赛心电信号放大电路第1页/第10页设计报告书时间：2015-7-30设计题目：心电信号放大电路全国大学生电子设计竞赛心电信号放大电路第2页/第10页目录一、方案论证与选择...............................................31、心电信号前置级放大电路.........................................32、滤波器电路...................................................3二、设计总体方案....................................................4二、电路设计.....................................................41.心电信号前置放大电路............................................42.高通滤波器.....................................................5三、低通滤波器......................................................6四、50Hz陷波器.....................................................6五、测试方案和结果..................................................71.proteus仿真结果图..............................................72.测试仪器........................................................83.测试条件和结果..................................................82.测试结果分析....................................................9五、设计总结........................................................9附录................................................................9参考文献：.........................................................10全国大学生电子设计竞赛心电信号放大电路第3页/第10页心电信号放大器设计报摘要：心电信号等各种生理参数都是复杂生命体发出的强噪声条件下的微弱信号，其幅度在10uV-5mV之间，经过放大1000多倍才能被观察出来。频率范围为0.05Hz-100Hz，淹没在50Hz的工频干扰和人体其他信号之中。本设计根据心电信号特征设计一个性能良好的心电放大器,能够满足心电信号检测的要求。首先从人体体表采集心电电位的变化，经前置后，通过滤波和放大，得到的心电信号能够在示波器上显示出比较清晰的波形。在设计中采用低功耗、高精度的仪用放大器，即AD620作为放大器的前置级。经前置放大器后，运用低通和高通滤波器的串联，对心电信号有效频率外的干扰进行滤波。并且采用双T网络构成的陷波器，对50Hz的工频干扰进行抑制。最后通过一个主放大将心电信号进一步放大，便于后面波形的显示。关键词：心电信号；前置放大器；滤波；50Hz工频干扰一、方案论证与选择1、心电信号前置级放大电路由于心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号，所以要求前置放大器应具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力等特点，选择仪表放大器即可满足要求。考虑到要求高共模抑制比、高输入阻抗和调试方便，不使用采用集成运算放大器构成的仪表放大器，而是直接使用集成仪表放大器，本设计选用低成本集成仪表放大器AD620实现。2、滤波器电路正常心电信号的频率范围为0.05~100Hz，而90%的心电信号频谱能量集中在0.25~35Hz之间。噪声信号来源主要有工频干扰、电极接触噪声、人为运动肌电干扰、基线漂移等，其中50Hz的工频干扰最为严重。为了消除这些干扰信号，在心电信号放大器电路中，应加入高通滤波器、低通滤波器和50Hz工频信号陷波器。1）高通滤波器高通滤波器选择典型的压控电压源二阶滤波器。集成运算放大器选用高精度、低漂移运算放大器OP07。2）低通滤波器全国大学生电子设计竞赛心电信号放大电路第4页/第10页低通滤波器选择二阶型低通滤波器。集成运算放大器选用高精度、低漂移运算放大器OP07。3）50Hz干扰信号陷波器50Hz工频信号陷波器可以采用应用广泛的双T型有源带阻滤波器，这种滤波器的优点是品质因数可以调节，且和带阻滤波器的中心频率无关。二、设计总体方案根据心电信号的特点，对心电信号放大器的要求是高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声、低漂移、合适的通频带宽度和输出较大的动态范围等。典型的心电信号放大器的组成如图所示，主要有前置放大、高通滤波、低通滤波、50Hz陷波器等电路。图1心电信号放大器组成框图二、电路设计1.心电信号前置放大电路AD620作为高精度仪表放大器，只需要用改变1脚和8脚之间的外接电阻，即可实现放大器1~1000变化范围的电压增益。该放大器的差模电压放大倍数表达式为：G=1+49.4kΩ/Rg。本设计选择电压放大倍数等于10倍。心电信号前置放大电路低通滤波器50hz陷波器二级放大电路示波器高通滤波器全国大学生电子设计竞赛心电信号放大电路第5页/第10页32647851U1AD620R75.6kInputOutput图2前置放大电路2.高通滤波器电路结构如图。该电路的典型参数为：截止频率，品质因数，通带放大倍数。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，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。3267481U7OP07C847uFC947uFR1468kR1568kR1720kR1612kInputOutput图3二阶高通滤波器全国大学生电子设计竞赛心电信号放大电路第6页/第10页三、低通滤波器二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在该电路选择参数情况下，二阶低通滤波器的截止频率:Hz4.10610022.0106814.32121630RCf，2310AQ。3267481U6OP07R1268kR1368kC4220nFC5220nFInputOutput图4二阶低通滤波器四、50Hz陷波器在图中双T网络参数选择下，带阻滤波器的中心频率1.5010033.0101.9614.3212163RCf。全国大学生电子设计竞赛心电信号放大电路第7页/第10页R1896.1kR1996.1kC733nFC1033nF3267481U8OP07R215.1kR2291kR2048.1kC1133nFC1233nF3267481U9OP07InputOutput图550Hz干扰陷波器五、测试方案和结果1.proteus仿真结果图-12V+12V3267481U6OP07R1211kR1311kC4133nFC5100nF3267481U7OP07C847uFC947uFR1468kR1568kR1720kR1612kR1896.1kR1996.1kC733nFC1033nF3267481U8OP07R215.1kR2291kR2048.1kC1133nFC1233nF3267481U10OP07R2310kR25300kR249.6k+12v-12v3267481U9OP07图6proteus仿真图全国大学生电子设计竞赛心电信号放大电路第8页/第10页图7幅频特性曲线图2.测试仪器示波器、直流稳压电源、信号发生器3.测试条件和结果输入信号幅值为5mv，随着输入信号频率的改变测得输出电压幅值。输入频率hz1030405060输出幅值mv6.025.704.920.863.40输入频率hz80100122200300输出幅值mv5.044.744.202.000.94全国大学生电子设计竞赛心电信号放大电路第9页/第10页2.测试结果分析根据上述测试数据可得：（1）.当输入信号频率为10~30hz、70~100hz时，输出信号幅值几乎不变或者变化较小。(2).当输入信号频率为40hz时，输出信号幅值呈下降趋势，约50hz时下降到最小为0.86v。(3).当输入信号频率为122hz时，输出信号幅值为4.20v，约为正常幅值的0.707倍。由此可得放大电路放大倍数为1080倍，基本达到放大要求；低通高通滤波部分电路还存在一定误差，陷波器中心频率基本达到要求。五、设计总结通过本题的具体设计，我们对心电信号放大电路的整体设计原理及所要用到的各类芯片有了一个系统的认识和掌握，可谓受益匪浅。当然在设计过程中，我们还发现一些问题和不足，比如在方案论证方面，对于多个可实现同一功能的方案，我们犹豫不决。通过查阅大量资料及团队探讨，我们最终选择了最易实现的方案。本设计采用以AD620及OP07为核心的信号放大器来实现心电信号的放大，电路功耗小，灵敏度高，可由外接电池提供，容易实现基于移动式设备(如笔记本电脑)为核心的心电信号采集及处理，是一种实用的心电信号前端采集放大电路(信号的进一步优化可在采集后由软件进行调理)。并让我对心电生理信号的采集电路有了比较充分的了解。对以后的研究设计有较大的帮助。附录：附1元器件明细表：1、AD620一片2、OP07若干3、各阻值电阻4、各电容值电容附2仪器设备清单：1、数字万用表2、数字示波器全国大学生电子设计竞赛心电信号放大电路第10页/第10页3、直流稳压电源4、低频信号发生器附3电路图图纸：参考文献：【1】郭其贵.一种50hz陷波器的设计效果.新疆石油管理局地调处。【2】黄智伟.全国大学生电子竞赛-系统设计.北京：北京航空航天大学出版社2006.【3】高吉祥.高低频率滤波电路的设计.全国大学生电子竞赛培训系列教程.电子工艺大学出版社。