理工大心电图仪课程设计.docx
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理工大心电图仪课程设计
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
心电图仪设计与制作
初始条件：
AD620运放、LM324运放、电位器、电容、电阻等。
要求完成的主要任务:
1、基本功能：
（1）制作一路心电信号放大器，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（可不测试，由电路设计予以保证）；
c．－3dB高频截止频率：
30Hz，误差：
5Hz；
d．频带内响应波动：
在3dB之内；
e．共模抑制比：
60dB（含1.5m长的屏蔽导联线，共模输入电压范围：
7.5V）；
f．差模输入电阻：
5MΩ（可不测试，由电路设计予以保证）；
（2）系统能显示心率；
（3）能在示波器屏幕上较清晰地显示心电波形。
心电波形大致如下图所示：
图1
2、扩展功能：
（1）能在计算机上显示相应波形。
时间安排：
序号
阶段内容
所需时间
1
方案设计
1天
2
电路安装调试
2天
3
撰写报告
1天
4
答辩
1天
合计
5天
表一
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
本系统利用高精度通用运算放大器AD620对输入的心电信号进行放大，再进行高通滤波,滤去高频生物电，同时采用右脚屏蔽驱动电路，消除50Hz生物电和机器信号的影响，最后在数字示波器上得到清晰的心电波形。
关键字：
心电AD620LM423心电波形
Abstract
Thissimpleelectrocardiogramsystemcanamplifytheinputheartbeatsignalthroughhigh-precisionuniversalopampAD620,andthengetridofhighfrequencybioelectricitythroughhigh-passfilter.Simultaneously,weuseright-footshadecircuittoeliminatetheimpactof50Hzinterference.Thenwecanseetheclearelectrocardiogramonthedigitaloscilloscope.
Keywords:
heartbeatAD620LM324electrocardiogram
1.总体电路方案设计与选择
1.1心电图仪设计要求
1.1.1基本功能：
（1）制作一路心电信号放大器，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（可不测试，由电路设计予以保证）；
c．－3dB高频截止频率：
30Hz，误差：
5Hz；
d．频带内响应波动：
在3dB之内；
e．共模抑制比：
60dB（含1.5m长的屏蔽导联线，共模输入电压范围：
7.5V）；
f．差模输入电阻：
5MΩ（可不测试，由电路设计予以保证）；
（2）系统能显示心率；
（3）能在示波器屏幕上较清晰地显示心电波形。
心电波形大致如下图所示：
图2
1.1.2扩展功能
（1）能在计算机上显示相应波形。
1.2系统基本方案
根据题目要求，系统可以划分为心电信号采集部分和电源部分，其中心电信号的采集部分包括前置放大模块，带通滤波器模块，陷波电路模块和主放大器模块。
1.3各模块方案选择和论证
1.3.1前置放大器的设计论证与选择
方案一：
三运放差分电路
在测量人体心电的过程中，由于人体信号源电阻式变化的，会造成心电信号的放大增益极不稳定。
同时，由于50Hz工频信号以及肌电呼吸所带来的干扰，会使差分放大电路的共模抑制比急剧下降，共模干扰极易淹没及其微小的心电信号。
所以一般的差分放大电路，例如OP07,0P02等，虽然能够抑制共模干扰，但是无法达到足够高的共模抑制比，所以我们不采取这种方案。
图3（三运放差分电路）
方案二：
仪用放大器
由于共模抑制比是衡量心电图仪性能的重要指标之一，而且一般的心电图仪都要求运算放大器的CMR不小于80。
高精度仪用放大器可以消除共模至双端输入的AC线路常见噪声，并放大输入端所残余的非直流信号，又由于它有极高的共模输入电阻，所以人体的信号源电阻的变化对输入电阻的影响几乎可以忽略不计，所以仪用放大器满足需要求。
但是考虑到它的价格偏贵，性价比不高。
采用INA128进行心电信号的放大
图4（仪用放大器）
方案三：
利用AD620来设计放大电路。
AD620是只用一个外部电阻就可以设置放大倍数1-1000的低功耗，高精度的仪表放大器。
尽管它由传统的三运放放大器发展规律而成，但一些主性能却优于三运放构成的仪表放大器。
它的设计体积小，功耗非常低，因而适用于低功耗和低电压的场合。
图5（AD620电压放大电路图）
1.3.2低通滤波器的设计论证与选择：
方案一：
一阶有源滤波。
其结构十分简单并且采用了集成运算放大器，因此具有较高输入阻抗和低输出阻抗，滤波效果不错。
但要想实现更理想的滤波效果，此方案仍不能满足要求。
方案二：
二阶有源滤波。
其结构相对一阶滤波而言，采用两个一阶滤波电路串联构成，滤波效果相对于一阶滤波，相当明显。
图为实用二阶低通滤波器。
图6（二阶有源滤波）
方案三：
二阶以上高阶滤波。
此滤波器是由多个一阶或二阶滤波器组成，其滤波效果很好，但是其电路要比一阶电路复杂得多，所需电阻电容较多，而电阻电容的实际值很难与设计要求精确匹配，有时甚至为了匹配一个阻值需要好多个电阻串并联，同时由于不能避免环境因素对电阻，电容的影响。
因此所用的电阻电容越多，误差越大，而达不到预期的滤波效果。
综上所述，选择方案二。
1.3.3陷波电路的设计论证与选择
方案一：
分别设计一个高通滤波器和一个低通滤波器，并将它们并联，并设置好适当的截止频率，这样，低频分量和高频分量都可以通过，但是两个截止频率值之间的频率分量就被减弱了，达到了陷波的目的。
但是由于滤波电路不是完全理想，所以效果不能达到精度更高的要求。
方案二：
采用双T模拟陷波电路。
它具有较强的负反馈，并具有良好的滤波特性，比RC串，并联网络具有更好的选频特性
选择方案二作为陷波电路。
2硬件电路设计
2.1心电信号采集模块
2.1.1心电信号概述
由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动。
心脏在机械性收缩之前，首先产生电激动。
心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电位。
如果在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电图机（即精密的电流计）的两端，它会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图。
为了记录心电，将探测电极安置于体表相隔一定距离的两点，此两点即构成一个导联，临床中广泛应用的是标准十二导联系统，分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个标准导联，aVR、aVL、aVF三个加压导联以及V1-V6六个胸极导联,本次实验采用I型导联。
主要是反应左手、右手以及左腿任两电极间的电压差，无探查电极和无关电极之分，是双极导联。
双极导联就是拾取两个测试点的电位差。
这里采用标准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。
RA：
右臂；LA：
左臂；RL：
右腿。
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。
这里采用了标准I型导联。
2.1.2心电信号采集模块电路框图
由于心电信号十分微弱，其幅度不过5mV，频率低，一般集中在0.02~100HZ，人体的电阻也在几十千欧左右，同时由于不同的环境和不同的个体，人体的心电信号表现出不稳定性和随机性。
因此心电信号便夹杂了许多高强度的干扰。
有以位移电流的形式引入的50HZ的工频电源干扰，；电极的极化干扰；肌肉机械活动所产生的肌电干扰等等，必须要滤除。
电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可达几伏甚至几十伏，所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。
电极移动引起基线漂移是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mV，因此，心电放大器的前级增益不能过大。
电路设计主要是由以下几部分构成。
第一是前置放大电路。
放大器是硬件电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量，心电信号必须要经过前置放大电路初步放大，对各干扰信号进行初步抑制；
第二是带通滤波器电路。
为了保留和不损失心电信号的低频成分，用带通滤波器来滤除心电频率以外的干扰信号。
第三是工频50Hz的陷波电路和35Hz的陷波电路。
工频50Hz的陷波电路主要是采用了双T带阻滤波电路。
对于电源工频产生的50Hz的噪声，用它能有效选择而对噪声进行滤除；35Hz的陷波电路主要是对人体的肌电信号进行滤除。
第四是主放大器电路。
由于AD转换电路要求的输入信号电压为1V左右，而心电信号确不过5mV，因此在前置放大的基础上必须进行更进一步的放大，而且放大倍数要求比较高。
模块主要电路框图如图7所示：
图7心电信号采集模块电路框图
2.1.3前置放大电路的设计
心电信号十分微弱，常见的心电频率在0-100HZ之间，能量主要集中在17HZ附近，幅度小于5mv，心电电极阻抗较大，一般在几十千欧以上。
在吗检测生物电信号的同时存在强大的干扰，主要有电极极化电压引起基线漂移，电源工频干扰（50HZ），肌电干扰（几百HZ以上），临床上还有高频电刀的干扰。
电源工频干扰主要是以共模形式存在，是以放大器必须具有很高的共模抑制比。
电极极化电压引起基线漂移时由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mv，因此心电放大器的前级增益不宜过大，心电放大器的输入阻抗必须在几兆欧以上，而且CMR也必须在60dB以上，同时要在有源滤波器中有效地滤除与心电信号无关的高频信号，通过系统调试，最后得到放大、无噪声干扰的心电信号。
如图3所示为前置放大部分的电路图：
图8
2.1.4带通滤波电路设计
如图7所示，带通滤波器由LM324提供的两个运放构成，由于心电信号频率主要集中在0.05~100Hz左右，频带较宽，就用两个运放分别设计一个二阶压控有源高通和低通滤波器，组合成带通滤波。
图9
其中，A1，C1，C2，R1，R2构成高通滤波器，为不损失心电信号低频成分，其截止频率设计为：
f=1/（
）=0.25Hz（2.1.4.1）
A2，R3，R4，C3，C4构成低通滤波器，同样，为不损失高频成分，截止频率设计为：
f=1/（
）=109.83Hz（2.1.4.2）
2.1.550Hz陷波电路电路的设计
工频干扰是心电信号的主要干扰，虽然前置放大器对共模感染具有较强的抑制作用，但有部分工频干扰是以差模信号进入电路的，且频率处于心电信号频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因数，前级电路输出的心电信号还是存在较强的工频干扰，必须专门滤除。
由于干扰较强，本设计用了两级的50Hz的陷波，电路才达到较好的效果。
如图10所示为50Hz的陷波电路图。
通过计算可以知道陷波频率为
49.2HZ
图10
35Hz陷波电路电路的设计
图
电极与皮肤接触时会引进肌电信号，这些信号会存在不同程度的干扰，有必要加以抑制。
肌电信号一般在10~3kHz之间，主要集中在35Hz左右。
这些干扰也可以用同样的方式滤除。
其滤除原理同50Hz的滤除原理是一样的，差别在于参数设计的不同，如图所示，C1，C2均取值0.22uF，R1取值4.7K，R2取值1K，算出
35.1HZ
2.1.7主放大电路设计
主放大电路由A3，R5，R6构成，考虑到心电信号幅度约为0~5mV，而AD转换输入信号要求1V左右，从而整个信号电路的电路放大倍数需要1000倍左右。
而前置放大约10倍左右，因此本级放大倍数设计为100倍左右，即
G=1+R6/R5
100（2.1.7）
其电路图如图12所示：
2.2稳压电源模块
为保证动态输出范围大于+10V，电源电压必须大于10V，但又不可大于芯片的工作电压。
因此，我们选择制作+12稳压电源。
利用变压器将220V交流电降为14V交流,再经过桥式整流,电容滤去电源中的高频分量，通过稳压器7812，7912获得+12V电压。
图13
3系统测试
3.1测试仪器
测试使用的仪器设备如表1所示。
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
直流数字稳压电源（YB1731B）
1
江苏扬中市电子厂
2
万用表（MF47）
1
南京天宇电表厂
3
示波器（YB43280）
1
江苏绿扬电子仪器有限公司
4
函数发生器/计数器（CA1640P）
1
扬中科泰电子仪器
表2
指标测试
3.2.1电压放大倍数的测试
测试结果如表3所示。
测试次数
1
2
3
4
5
输入电压（mV）
15.0
10.6
10．0
12
10.2
输出电压（V）
15.1
10.4
9．7
11.9
983
实际增益（倍）
1000.1
981.1
970.0
991.7
963.7
结果分析:
放大倍数误差在±5%的范围内，满足要求。
3.2.2-3dB高频截止频率
理论计算截止频率为500HZ，输入峰峰值为7mV的正弦波，频率调节范围为50～550HZ，用示波器测量输出电压值，所得数据如表3所示。
测试次数
1
2
3
4
5
6
频率（HZ）
500
440
170
210
61
83
输出电压（V）
5.63
5.75
7.09
6.87
7.10
7.10
实际增益（倍）
-1.80
-1.84
-0.31
-0.23
0
0
表4-3dB高频零截止频率测试结果
3.2.3共模抑制比的测试
由于选用的是放大器AD620，其DATASHEET中已标明它的CMR能达到120dB，因此能满足题目对共模抑制比大于等于60dB的要求。
3.3结论
设计的以AD620为信号处理器的心电监护系统，经过对系统的电压放大倍数、-3dB高频、低频截止频率、共模抑制比等的测试，基本上达到了设计制作要求。
电路原理的仿真
4.收获、体会和建议
初次尝试制作心电图仪课程设计，感觉跟理论学习很不一样，从选题到方案论证到定稿，从理论到实践，在这几天中，学到很多很多的的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在本次课程设计过程中，存在的问题是：
其一，在实物焊接之前，没有充分对整个电路进行合理布局，导致焊板规划不是很恰当，这无疑增加了外界对电路内部的干扰，这是在以后的实际操作过程中需要引起足够重视的地方；其二，元器件的参数是根据心电信号的频率以及集成芯片所确定的，但在实际应用时因为有些元件只能选择参数相近的来替代，无法取得计算时得到的准确波形；其三，对Protel及multisim相关软件的应用不够熟练。
这些都是在今后的实践过程中需要注意的。
作为通信工程专业的学生，能够独立分析、设计和调试电路是必备的专业素养，所以我们应该在平时就注重培养自己在这方面的能力，从最简单最基本的做起，一点一滴，经过了量的积累，相信最终会获得质的飞跃。
虽然最终实物做出来了，但这并不是我一个人做出来的。
通过这次课程设计，我明白了一个团队精神的重要性，因为从头到尾，都是大家集体出主意，来解决中间出现的各种问题。
从原理图的最终敲定，到波形的仿真，到元器件的选择与购买，到最后实物的焊接与调试，这都是大家分工合作的结果，正是因为大家配合得默契，每项工作都完成得很棒，衔接得很好，才使我们很快的完成了任务。
尽管现在只是初步学会了高保真音频功率放大器设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，不仅因为它发生在特别的时间，更重要的是我又多掌握了一门新的技术，收获总是令人快乐，不是吗？
5.主要参考文献资料
1、谢自美主编《电子线路设计·实验·测试》第三版，华中科技大学出版社
2、孙梅生主编《电子技术基础课程设计》，高等教育出版社
3、何希才主编《常用电子电路应用365例》，电子工业出版社
4、陈光东主编《单片微型计算机原理与接口技术》，华中科技大学出版社
5、杨代华主编《单片机原理及应用》，中国地质大学出版社
6、许自图主编《电子电路原理分析与仿真》，西安电子工业出版社
7、林涛 主编《数字电子技术基础》，清华大学出版社
8、黄智伟主编《全国大学生电子设计竞赛训练教程》，北京电子工业出版社
9、梁宗善主编《新型集成电路的应用――电子技术基础课程设计》，华中科技大学出版社
10、《电子技术基础试验模拟部分》（武汉理工大学教材中心，2008年）
附录
１元器件清单
序号
名称
规格
数量
备注
1
电阻
1kΩ
8
2
电阻
10kΩ
15
3
电阻
4．7MΩ
2
4
电阻
500Ω
1
5
电阻
1MΩ
2
6
电阻
510KΩ
1
7
电阻
7．5MΩ
1
8
电阻
7．5KΩ
1
9
电阻
28KΩ
1
10
电阻
50KΩ
1
11
电阻
4．7KΩ
1
12
电阻
100KΩ
4
13
电阻
24KΩ
2
14
电阻
5．1KΩ
2
15
电阻
27KΩ
1
16
电阻
510Ω
1
17
电阻
51KΩ
2
18
电位器
0~10K
1
19
电位器
0~20K
2
20
电容
0.33uf
10
25V
21
电容
0.22uf
2
25V
22
电容
0.1uf
4
25V
23
电解电容
10uf
2
24
电解电容
2200uf
2
25
运放
UA741
8
26
运放
AD620
1
27
稳压管
7905
1
28
稳压管
7805
1
表5
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
男
专业、班级
通信工程0804
课程设计题目：
心电图仪设计与制作
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2010年1月22日
（注：
可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!
）
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