工程设计心电信号采集讲述Word文档格式.docx
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据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。
因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视，准确地进行心电信号的提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。
随着电子技术的迅速发展，医用电子监护系统今年来已在临床诊断中逐渐应用。
心电信号是心脏电活动的一种客观表现方式，是一种典型的生物电信号，具有频率、振幅、相位、时间差等特征要素。
由于心电信号从不同方面和层次上反映了心脏的工作状态，因此心电检测系统在心脏疾病的临床诊断和治疗过程中具有非常重要的参考价值。
二、设计要求
1.设计脉搏或心电信号放大器
增益：
60dB～70dB～80dB三档可调
带宽：
0.01HZ～200HZ，可插入50HZ陷波器
2.设计测量和显示心率的数字电路（用七段数码管）
3.设计心率越限报警电话（报警范围为），报警方式：
喇叭或蜂鸣器鸣叫，屏幕显示
4.完成模拟电路和数字电路的仿真和虚拟实验
5.完成印刷板设计
6.基本框图
图1脉搏与心电信号采集与监测系统
三、总体方案论证以及框图
心脏跳动时会产生微弱的电流并能向身体各个部位传导，引起人体肤表层电位发生变化。
由于人体部分组织不同与心脏距离也不同，因此人体皮肤表层不同部位的心电电位的变化也不同。
将皮肤表层特定部位之间的电位差以时间为函数记录下来，这种记录曲线称为心电图。
心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复的过程中的生物电变化情况。
正常人典型的心电图如图2所示。
它由一个P波一个QRS波群,一个T波和一个U波等组成.这些波形反映了心脏一次激动过程中,皮肤表层某两点之间的电位变化情况。
图2正常的心电信号图
信号作为心脏电活动在人体体表的表现，信号一般比较微弱，幅值范围在10uV~1mV之间,其频率约在50~150次/分钟，最高频谱分量小于100Hz，所以极易受环境影响。
1、心电信号的特点及其检测方法
通过查阅资料，人体心电信号有如下的特点:
（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；
（3）属低频信号，且能量主要在几百赫兹以下；
（4）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；
（5）干扰信号与心电信号本身频带重叠（如工频干扰等）。
获取心电信号的方法是：
依靠与肢体接触的电极，通过多股绝缘芯线绞成的屏蔽线与仪器相连，在测定心电波形时，电极安放的位置以及导线与放大器的连接方式称“导联”。
为了便于比较，临床上对常用导联做出了严格规定：
通常将电极安放在四肢和胸部引出心电波。
2、消除50Hz工频干扰方法
任何磁性体或通电导体周围存在磁场，故人和测试仪器均处于电磁场环境，人体会携带干扰电压。
消除办法有：
（1）选用输入阻抗高的放大器，保证差分电路阻抗平衡，可提高共模抑制比；
（2）用共模干扰电压驱动导联线的屏蔽层，提高放大器对共模信号抑制能力；
（3）采用右腿驱动电路消除人体上的共模电压；
（4）采用50Hz带阻滤波器；
根据设计要求采用最后一种。
放大后的信号可达1V~5V~15V。
然后将该信号送至测频电路中测出心率，并通过报警电路来实现高低限报警。
3、设计思路
本次设计将分为心电信号放大，干扰的滤除（模电部分），然后测量和显示心率并设计心率越限报警（数电部分）。
具体框图见图1。
四、心电信号调理器的设计与仿真
1、放大器设计思路
如图4所示，由于人体心电信号的特点，加上背景噪声较强，采集信号时电极与皮肤间的阻抗大且变化范围也较大，这就对前级（第一级）放大电路提出了较高的要求，即要求前级放大电路应满足以下要求：
高输入阻抗；
高共模抑制比；
低噪声、低漂移、非线性度小；
合适的频带和动态范围。
图3INA128内部结构
为此，选用仪用放大器INA128作为前级放大（预放）。
INA128的核心是三运放电路（相当于集成了三个OP07运放）。
INA128是低功耗、高精度的通用仪表放大器。
它们通用的三运放设计和体积小巧使其应用范围广泛。
反馈电流输入电路即使在高增益条件下（G=100时，200KHz）也可提供较宽的带宽。
单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择。
INA128提供工业标准的增益等式，与AD620兼容。
INA128的封装为8引脚塑料DIP和SO-8表面衬底封装，规定温度范围为-40℃至+85℃。
INA128还有对应的双配置INA2128。
2、50Hz陷波器设计思路
心电信号比较容易受50HZ工频干扰，为滤除50HZ工频干扰，所以在信号放大器中嵌入50HZ陷波器（带阻滤波器）。
受干扰的心电信号如图所示：
图4受干扰的心电信号
陷波器由带通滤波器与相加器构成。
3、总体仿真结果
（1）一级放大器
电路图：
波形图为：
（2）二级放大器
电路图：
波形图：
（3）一级和二级放大器连接
一级放大器放大倍数：
1.403V÷
÷
10mV=99.2
二级放大器放大倍数：
438.3mV÷
10mV=31.0
总放大倍数：
44.256V÷
10mV=3129
其中二级放大器反馈电阻由20KΩ固定电阻和20KΩ滑动变阻器相连组成，故可调节倍数为20~40倍，整个放大器可调节倍数为2000~4000倍。
（4）50Hz陷波器（重点）
带通滤波器频谱图：
加入移相器后波形图：
由所得制实际电路板我们发现，此处陷波器中的带通滤波器对放大后的信号有一个相移，导致50Hz处的衰减幅度并不理想。
因此，我们在电路中加入了一个移相器，使此相移抵消后再输入至相加器。
从而，此陷波器消除50Hz工频的能力大大提高，使50Hz工频尽可能的受到抑制。
五、心率测量、显示以及报警电路的设计
1、心率测量方法
采用测频率法，用一个闸门信号去启动一个计数器，对被测信号计数。
但将闸门时间减少为几秒或十几秒，而将整形后的心电信号倍频作为计数时钟，因此可以减少测量时间。
当闸门信号结束时，同时关闭计数器最后经译码送至数码管显示，用测频率法测心率的原理框图和波形图如下：
Tc为闸门时间，Ts为心电信号的周期。
N为闸门时间内的心电信号计数值，它们关系为：
N*Ts=Tc
图5测频率法测心率的原理框图
为减少测量时间，讲闸门时间减少为15秒，整形以后的心电信号倍频作为计数时钟。
我们可以采用锁相倍频法，将锁相环压控振荡器VCO输出频率经一可变分频器分频后送鉴相器鉴相。
其框图如下：
图6锁相倍频法原理图
利用单稳态74LS121,4倍频电路用CD4046，晶体振荡器频率选为32768Hz，经两片12位二进制计数器CC4040的2的15次方分频得到频率1Hz信号。
然后再经74LS161模15分频，D触发器2分频得到宽度为15s的计数闸门。
心电信号计数器采用三片十进制计数器74160。
译码驱动电路采用三片。
数码管采用七段显示器。
2、心率测量以及显示电路的设计
（1）整形电路以及4倍频电路的设计
由于我们要在15秒内测量1分钟内的脉搏数，所以我们要对脉搏进行调频。
60/15=4需要4倍频电路如将15秒内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应的一分钟的脉搏数，从而缩短测量时间。
倍频电路形式很多，如锁相倍频器，异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里还用能满足设计要求的异或门组成的4倍频电路U9a和U9b构成二倍频电路，U8a和U8b构成二倍频电路；
俩二倍频电路串联组成四倍频电路利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当出入有‘0’变成‘1’或由‘1’变成‘0’时，都会产生脉冲输出。
图74倍频电路
由于模拟器件基本上无法倍频低频信号，虽然理论可以，但是在实际工程中和模拟器件都无法实现，故改为运用D触发器倍频：
理论波形（经仿真可行，但由于仿真频率低速度慢略去）：
（2）闸门电路设计以及控制信号产生逻辑电路
首先要产生1个周期为1s的秒信号，然后经过1分频，再经2分频成为周期为30s、脉宽T=15s的闸门信号。
同时产生控制心电信号计数器的清零信号和计数器状态输出的锁存信号。
产生秒信号可以采用晶体频率为32768Hz，用阻容元件和门电路构成的晶体振荡器电路如图。
微调C2可微调振荡频率。
晶振输出进入第一片1位二进制计数器CC4040作为时钟CLK,第一片CC4040的输出又作为第二片CC4040的时钟。
根据要求可知，从第二片CC4040的Q2输出得到频率为1Hz的秒信号。
3、主计数器、锁存、译码、显示电路设计
由心率的上限，用3位数码显示。
主计数器由三片74LS160构成，用两片74LS374锁存器保证数码管稳定显示最终的计数结果。
4、报警电路的设计
报警门限为低端40次/分，高端为150次/分。
采用数字比较器实现心率的比较与报警。
电路如下
六、关于PCB制板
在这次工程设计中，我们已经焊接了一个能够实现放大以及陷波功能的实物板，因此略去了PCB制板这一步骤。
图1主板：
仪放，放大器和陷波器
图2整流和异或门
图3全通移相器和D触发器
七、前景展望
今年来心血管疾病成为危害人类的主要疾病之一，对于心血管疾病早期的检测可以使患者有效的预防其发作，并作出相应的治疗，而心电检测设备能够检测出心电信号的状态，并只观的显示出来，因此在医疗检测及临床医疗诊断中有重要的意义，但现有医疗机构使用的家虐设备多为心电图机，体积较大，价格也较昂贵。
针对现今心电图机国外产品价格高，国内产品功能短缺不足，开发研究适合市场需求的价格相对低廉、功能相对完善的简易心电图仪具有十分重要的意义，简易心电图仪具有携带方便，价格便宜，实时监控性强的特点。
八、心得体会
通过这次工程设计，不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，使我们进学会了使用AltiumDesigner软件，并且让我们对它们有了更加浓厚的兴趣。
对于脉搏与心电信号采集与监测系统，我们将一个大的系统分为几个相对独立的模块分别设计、仿真，很大程度上提高了
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