模拟电子电路心电图设计报告.docx

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模拟电子电路心电图设计报告

模拟电子电路心电图设计报告

《模拟电子技术基础》课程设计说明书

摘要

模拟电子技术课程设计对所学的基础理论知识是一次实践检测的过程。

为了观测到较

强的外界干扰下的微小的心电信号，分别采用前端放大，低通与高通，50Hz工频干扰，来

实现，同时加以右腿驱动电路。

本课设采用的核心放大元件为高精度，低噪声，低功耗的

通用仪表放大器INA128，经过低通与高通后，有加50Hz的双T陷波网络，将较强的工频干扰滤掉，使得到的心电波形较好。

关键词仪表放大器INA128；高精度运放OP07；OPA2340.

Abstract

Analogelectronictechnologycurriculumdesignfortheschool'sbasictheoryofknowledgeisa

practiceoftestingprocess.Inordertoobserveastrongoutsideinterferenceminorunderthe

ECG,wereusedtoenlargethefront-end,low-passandhigh-pass,50Hzfrequencyinterference,

toachieve,atthesametimeberightlegdrivecircuit.Thecoreofthislessonfortheuseof

amplificationdevicesforhigh-accuracy,lownoise,low-powergeneral-purposeinstrumentation

amplifierINA128,afteralowpassandhigh-passafterthetwo-plus50HzNotchTnetwork,a

strongpower-lineinterferencefilterout,sogetbetterECGwaveform.

Keywords:

instrumentationamplifierINA128;precisionOPAMPOP07;OPA2340.

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《模拟电子技术基础》课程设计说明书

1．设计内容及要求1.1设计目的及主要任务

1.1.1设计目的

（1）学会根据已学知识设计具有某一特定功能的电路；

（2）学会基本电路的组装与调试；

（3）进一步加深对模拟电子电路课程的理解与掌握。

1.1.2设计任务及主要技术指标

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.选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、

并画出总体电路原理图，阐述基本原理。

（选做：

用PSPICE或EWB软件完成仿真）

3.安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。

1.2设计思想

利用模拟电子电路所学知识，设计该系统电路图，在其输入部分可以利用差分输入

以减少共模增益，其放大部分可以利用运放来实现，滤波部分则可以采用无源滤波和巴特

沃斯有源滤波来实现，在工频陷波部分，采用较常用且较为理想的双T陷波网络实现，为增加其稳定性，可以引入负反馈。

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《模拟电子技术基础》课程设计说明书

2．电路工作原理分析、方案论证和确定2.1心电信号

2.1.1心电信号的产生

体表心电信号是人体电信号。

心电是在心脏有规律地收缩和舒张过程中，心肌细

胞产生的动作电位综合而成的电信号。

心脏在收缩之前先有电激动，约在0.025一0.075

秒后，才有机械的收缩活动。

心脏的电激动产生动作电流。

人体是一个很好的容积导体，

心脏正处于这一导体之中，可以将心脏的动作电流传导至身体各部。

因此，在一定的两个

体表部位放置电极板，用导线连接至心电图机，就可描出心电活动的曲线，即称为心动电

流图，简称心电图（electrocardiongraln，ECG）。

2.1.2心电信号的组成部分

1．P波：

代表心房肌的电激动过程，心

脏的激动起源于窦房结，最先传到心房，使之

激动。

P波代表心房肌的电激动过程，是心电

图中最先出现的波动。

P波正常宽度不超过

0.01s，高度正常不超过0.25mV。

2．P-R期间：

代表心房肌

开始除极到心肌开始除极的时限。

图1.医学上的心电信号

3.QRS波群：

反映心室肌除极过程的电位变化，通常历时0.06一0.105s。

4.S-T段：

从QRS波群终点到T波起点间的线段，反映左、右心室全部除极完毕到复

极开始以前的一段时间。

5．T波：

代表心室肌激动后恢复过程产生的电位变化过程,占时较长，约有0.05s~0.25s。

6．Q-T期间：

从QRS波起点到T波终点间的期间，代表整个心室肌自开始除极到复

极完毕的总时间。

7．U波：

T波之后有时可能看到一个很小的正向波，可能表示心肌激动后的电位变

化。

2.2工作原理分析

简易心电图仪的设计与制作，其原理主要为：

小信号的采集，小信号的放大，对较强

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《模拟电子技术基础》课程设计说明书

的干扰信号的滤除等。

小信号的采集主要是克服非常微弱的心电信号在1.5米的传输线过程中的强干扰。

信

号的放大主要是获得较大的增益。

滤除干扰则是在心电信号的主频率范围内最大限度的保

留心电信号。

2.3方案论证

2.3.1信号采集部分：

因为课题已规定用铜片作为采集电极，因此信号采集部分只能用此方案。

2.3.2信号的放大部分：

方案一：

ECG放大器的前置放大采用差动输入的三运放形式，如图2所示。

A1，A2组成同相并联输入第一级放大，A3为差动放大。

由于此方案需要采用过多的集成运放和分

立器件，稳定性难以保证，调试也有很大困难，因此不予采用信号提取与放大电路设计

方案二：

采用如E5534等低噪声并具有一定精度的普通运算放大器来构成放大电路，

但从体表采集到的信号除了人体心脏采集到的电压信号之外，还包括肌电，呼吸以及50HZ工频信号等带来的干扰。

其中，工频干扰引起的共模信号可能远大于心电信号，从而影响

系统对心电信号的分析，因此共模抑制比是衡量心电图仪的一项重要指标。

心电图仪要求

运算放大的共模抑制比不小于80dB。

E5534运算放大器共模抑制比虽然满足这样的需要，

但是由单个运放构成的电路难以满足较高的共模抑制比，故不采用这样的方案。

方案三：

采用低功耗，高精度的仪表放大器-----INA128。

其具有良好的共模输入抑

制能力，共模抑制比大于120dB，而且只需外接一个电阻就可以调节电压增益。

INA128可以将毫伏级的心电信号放大成伏级的，便于测量。

同时，INA128对直流电源的要求低，甚至只需2.25V的直流电源电压就可以表现出出色的功能，静态电流只有700uA，功耗非常低。

因此，在本设计的放大部分即采用INA128仪表放大器。

2.3.3滤波部分：

由于心电信号易受噪声干扰，并且主要能量成分集中在0.05HZ~100HZ频带内，本系统采用滤波的方法对心电信号做进一步的处理，即对所采集的信号进行高通、低通、陷波

处理.

2.3.3.1高通滤波：

方案一采用结构和设计都比较简单的RC一阶无源滤波电路。

无源滤波电路的通带放大

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《模拟电子技术基础》课程设计说明书倍数及其截止频率都随负载变化而变化，这一缺点常常不符合信号处理的要求，但是，在

本试验中，对0.05Hz的高通要求，只需要电路设计保证即可，不用实测，即要求不高，

故可以用此方案。

方案二采用0.05HZ的高通滤波器电路有源滤波电路一般是由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能起到滤波作用，与此同时还可以进行

放大。

组成电路时应选用带宽合适的集成运放。

有源滤波电路适用于信号处理。

但是，此

方案实现时相对复杂，且起作用不明显，故不采用此种方案。

2.3.3.2低通滤波

低通滤波可选择有源滤波或数字滤波，但数字滤波较为复杂。

1.有源滤波：

方案一：

一阶滤波。

其结构相对简单，且采用了集成运算放大器，因此具有高输入

阻抗和低输出阻抗的特点，同时由于具有缓冲作用，滤波效果比无源滤波器好，幅频特性

曲线能达到-20dB/10倍频程，但要想实现更明显的滤波效果，此方案则不能满足要求。

方案二：

二阶滤波。

它和一阶滤波采用类似结构，但幅频特性曲线能达到-40dB/10倍频程，滤波效果比一阶明显。

方案三：

二阶以上的高阶滤波。

它是由多个一阶和二阶滤波器组成，理论上比上述

两种滤波器好，但其电路过于复杂，所需阻容元件较多，且电路特性对元件的误差值较敏

感。

2.数字滤波：

数字滤波的优点是参数可调节性好，可以通过更改程序中的参数对截

止频率进行精确的调节。

由于参数不会随温度等环境因素改变，从而精确度得到保证。

但

是数字滤波对处理器的要求比较高，想要得到更好的滤波效果就要求滤波器取更高的阶

数，处理器时钟周期尽可能小，乘法的计算速度尽可能大。

一般非DSP处理器达不到要求。

以现阶段来说，很难实现本方案。

2.3.3.3陷波电路

本系统要除去工频50HZ的干扰，需要对混杂在心电信号里的50HZ信号作尽可能大的衰减处理。

处理方案集中在两种：

自适应相干模板ω法，模拟陷波法。

方案一：

自适应相干模板法利用工频干扰的相关特性，从原始输入信号中得到工频干

扰模板，进而从原始输入信号中减去工频归纳饶的模板，达到滤除工频的干扰。

但本方法

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《模拟电子技术基础》课程设计说明书程序设计十分复杂，因此不采用这种方法。

方案二：

双T陷波。

由双T网络的幅频特性可知，对于ω?

ωo的其他频率信号，通过双T网络具有较强的负反馈，因为双T网络具有良好的滤波特性，在仪表的电源噪声滤

波电路有较为广泛的应用，又因为双T网络具有比RC串、并联更好的选频特性，因此采用双T网络进行陷波。

本系统不必采用高阶滤波方案。

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《模拟电子技术基础》课程设计说明书

3.单元电路设计、参数计算及器件选择3.1心电信号的基本特征

心电信号是一种较微弱的体表电信号，成年人的幅值约为1mV，频率在0.01~250Hz范围内，属于低频率，低幅值信号，信号源内阻很大（两手臂间内阻约为600K），易受其他信号干扰。

3.2心电检测中的主要干扰

（1）共模信号干扰

（2）高频噪声干扰

（3）50Hz工频干扰

3.3电路的总体设计框图

基于心电信号本身的特征和存在的干扰，电路总体设计框图如下：

信低电信高号通路号通放滤采滤陷大波集波波级

右腿驱动

电路

图2.系统框图50Hz

对前端电路提出的指标要求有：

表1.电路指标

输入阻抗/MΩ增益共模抑制比/dB频带/Hz

>5?

600.05--301000倍左右

3.4单元电路设计

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《模拟电子技术基础》课程设计说明书3.4.1前置放大电路设计

前置放大电路设计电路图如下：

图3.前端放大电路其具体连接为：

图4.输入接线图

该