心电信号放大器设计.docx

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心电信号放大器设计

成绩：

2015-2016学年01学期

“电力电子电气传动与可编程控制技术

（1）”

BUCK变换器的设计与仿真

姓名：

专业：

班级：

学号：

2015年12月

一、设计用于检测人体心电信号的放大器，要求如下：

1、输入阻抗≥10MΩ。

2、共模抑制比≥80dB。

3、电压放大倍数1000倍。

4、频带宽度为0.5Hz~100Hz。

5、放大器的等效输入噪声（包括50Hz交流干扰）≤200μV。

二、设计方案分析

1、心电信号的特点及检测

人体的各种生理参数如心电、脑电、肌电等生物电信号都是属于强噪声背景下微弱的低频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。

心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，与其他生物电信号相比，该信号也比较容易检测同时具有直观的规律性。

一般人体心电信号的幅值约20μV~5mV，频带宽度为0.05Hz~100Hz，由于心电信号取自于活体，所以信号源内阻较高，且存在着较强的背景噪声和干扰。

在检测人体生物电信号时，需要采用所谓的生物电测量电极，又称引导电极来实现的，通过引导电极将生物电信号引入到放大器的输入端。

对于心电信号的检测，临床上为了统一和便于比较所获得心电信号波形，对测定心电信号（ECG）的电极和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。

目前国际上均采用标准导联，即将电极捆绑在手腕或脚腕的内侧面，并通过较长的屏蔽导线与心电放大器相连接。

标准导联有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

其具体联接方法如图。

图1标准导联联线方法

2、心电信号放大器设计要求及组成

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、电压放大等电路。

图2心电信号放大器组成框图

三、主要单元电路参考设计

1、心电信号输入电极

电极（导联）对心电信号放大器的质量影响很大，采用的电极应该具有贴附力强、透气性好、吸汗、电极导电性能好、极化电压低的优质电极。

此外还应该具有对皮肤刺激小、佩戴舒适、拆卸方便等优点。

通常采用表面镀有AgCI的可拆卸的一次性的软电极，并在电极上涂有优质的导电膏，目前已有成品可买。

对于自制电极可以采用20mm×20mm的薄铜皮作为皮肤接触电极；用带有尼龙拉扣的布带或普通布带将电极捆绑在四肢相应位置；在进行心电图测量前，使用酒精棉球仔细将与电极接触部位的皮肤擦净。

2、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。

AD620仪表放大器的管脚排列见图3。

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。

AD620的最大失调电压仅为50μV，失调电压温漂0.6μV/℃，输入电压噪声为

，输入电流噪声

，所以作为前置放大器可以很好的工作。

为了避免在强干扰信号下，放大器输出产生失真，前置放大器的电压放大倍数不能设置过高，本设计选择电压放大倍数等于10倍。

另外为了消除强共模信号通过屏蔽层电容造成放大器输出的影响，一方面要求电极（导联）线的屏蔽层不予接地，另一方面设计了自举屏蔽驱动电路，采用缓冲放大器将连接点的共模电位驱动到屏蔽线，使引线屏蔽层分布电容的两端电压保持相等，从而消除了共模电压由屏蔽层分布电容引起的不均衡衰减。

为了进一步提高前置放大器的共模抑制比和抗干扰能力，再采用右腿驱动电路，从根本上降低空间电场在人体上产生的干扰。

整个前置放大器的电路如图。

图3AD620管脚排列图图4心电信号前置放大器

二、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，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。

集成运算放大器选用高精度、低漂移运算放大器OP07。

图5二阶高通滤波器

2、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

，品质因

数

，通带放大倍数

。

在该电路选择参数情况下，二阶低通滤波器的截止频率

，

。

图6二阶低通滤波器

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，图是自举式双T桥二阶有源带阻滤波器电路。

这种滤波器的有点是品质因数可以调节，且和带阻滤波器的中心频率无关。

在该电路中，当A2的同相输入端接地（反馈系数最小）时，滤波器的Q值最小，大约为0.3；当A2同相输入端的电位很接近滤波器的输出电位（反馈系数大）时，这时滤波器的Q值大，但Q值过大会造成电路的不稳定甚至自激，一般将Q值选在十至几十的范围内，调节图中RW可改变Q值大小。

在图中双T网络参数选择下，带阻滤波器的中心频率

，要求滤波器的阻带宽度BW=2Hz，则

。

图750Hz干扰陷波器

三、电压放大器

对于末级电压放大器的要求是应该具有低噪声、低漂移，且具有足够大的电压放大能力和一定的频带宽度，同时输出具有比较大的动态范围。

由于心电信号放大器总的电压放大倍数要求1000倍，前置级和高通滤波器通频带电压放大倍数分别为10和1.586，所以电压放大器的电压放大倍数为63即可满足要求。

采用低噪声、宽频带集成运算放大器NE5532构成的电压放大器如图。

图8电压放大器

整个电路系统中所有的集成器件采用±9V电源电压，每个集成器件注意电源滤波。

四、电路安装与调试

1电路安装前请仔细查阅有关集成器件的资料，并画出详细的安装电路图。

2前置放大器调试。

在图中将输入信号端RA或LA任一端接地，将大小是1V、频率是20Hz的正弦波信号输入到10KΩ和100Ω组成的电阻分压网络，然后将100Ω两端10mV的信号输入到前置放大器中，测量其前置放大器的输出，计算其电压放大倍数。

对前置放大器共模电压放大倍数的测量方法是，将前置放大器的输入信号RA和LA两端短接，同时对地输入5V频率为20Hz的正弦信号，测量前置放大器的输出，计算其共模电压放大倍数。

根据差模电压放大倍数和共模电压放大倍数计算共模抑制比。

3高通滤波器调试。

检查图电路连线无误后，接通±9V电源，先输入大小为1V的直流电压，测量其输出值；然后输入大小为1V的正弦波信号，改变其正弦波频率在0.01Hz~100Hz变化，分别测量在0.01Hz、0.05Hz、1Hz、10Hz、50Hz、100Hz下的输出电压，并求其滤波器的下限转折频率。

4低通滤波器调试。

检查图电路连线无误后，接通±9V电源，先输入大小为1V的直流电压，测量其输出值；然后输入大小为1V的正弦波信号，保持信号幅值不变，分别测量频率在1Hz~200Hz变化时的输出值，并测量出其上限转折频率。

550Hz信号陷波器调试。

按电路图连线后，输入幅值为1V、频率为50Hz的正弦波，测量输出电压，调节电位器Rw，使输出最小。

测量其带阻宽度。

6整机心电放大器调试。

将前置放大、滤波器电路和末级电压放大器级联起来，在输入频率为20Hz、幅值为10mV信号情况下，观测整个放大器的输出波形，调节末级电压放大器电路中的Rw，使电压总增益达到1000倍左右。

7在电路调试正常工作后，将电极接入人体，按照标准导联联接，可以通过示波器观察人的心电波形。

一般将X轴置于0.2s/div，Y轴置于0.5~2V/div。