心电放大电路设计报告.docx

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心电放大电路设计报告

心电放大器设计

1设计题目

设计一单导联心电放大器，心电信号的幅度范围为0.5～5mV，要求放大器与后续计算机系统中的10位A/D转换器相连接，A/D转换器的输入电压范围为0～5V。

1.1主要技术指标

1）输入阻抗：

≥5MΩ

2）偏置电流：

<2nA

3）输入噪声：

<10uV

4）共模抑制比：

≥100dB

5）耐极化电压：

±300mV

6）漏电流：

<10uA

7）频带：

0.05～250Hz

1.2具体要求

1）设计放大器电路；

2）计算电路中个元器件的参数值；

3）对选择的关键元器件说明其选择理由。

2引言

在当今社会中,心脏病等心血管已经成为了世界范围内常见的疾病,号称“头号杀手”。

由于心脏病有突发性以及长久性，对心脏病人也需要长期的治疗和监护。

心脏是循环系统中重要的器官。

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。

图1标准的心电图

心电图是检查心脏情况的一个重要方法，其应用范围包括以下几个方面：

（1）分析与鉴别各种心律失常。

（2）查明冠状动脉循环障碍。

（3）指示左右房窜肥大的情况，协助判别心瓣膜病、高血压病、肺源性及先天性心脏病的诊断。

（4）了解洋地黄中毒、电解质紊乱等情况。

（5）心电监护已广泛应用于手术、麻醉、用药观察、航天、体育等的心电监测以及危重病人的抢救。

3系统设计

3.1设计思路

心电信号十分微弱，常见的心电频率一般在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），临床上还存在高频电刀的干扰。

电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可达几V甚至几十V，所以心电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，而且要有去极化电压的RC常数电路。

由于信号源内阻可达几十KΩ、乃至几百KΩ，所以，心电放大器的输入阻抗必须在几MΩ以上，而且CMRR也要在60dB以上（目前的心电图机共模抑制比一般均在89dB）。

同时要在无源、有源低通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。

3.2结构框图

本电路设计主要是由五部分构成。

1、前置放大电路。

其中前置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，从而影响到仪器的特性；

2、共模抑制电路。

在设计中使用了右腿驱动电路、屏蔽驱动电路，它们可以消除信号中的共模电压，提高共模抑制比，使信号输出的质量得到提高；

3、低通滤波电路及时间常数电路。

常见的心电频率一般在0.05--100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近，幅度微小，大概为5mV，临床监护有用频率为0.5～30几HZ，因此设计保留40HZ以下的信号。

时间常数电路实现一阶无源高通，截止频率为0.05HZ，时间常数为3.6s。

4、工频50Hz的陷波电路。

本设计采用了双T带阻滤波电路，它能够对某一频段的信号进行滤除，用它能有效选择而对电源工频产生的50Hz的噪声进行滤除；

5、主放大电路：

心电信号需要放大上千倍才能观测到，前置放大增益只有100~250左右，在这一级还需要放大4~10倍左右。

总体电路框图如图

3.3电路设计

3.3.1前置放大电路

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。

为此，选用Analog公司的仪用放大器AD620作为前级放大（预放）。

AD620的核心是三运放电路（相当于集成了三个OP07运放），其内部结构如图1所示。

图1AD620放大器内部结构图

该放大器有较高的共模抑制比（CMRR），温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小且具有调节方便的特点，是生物医学信号放大的理想选择。

根据小信号放大器的设计原则，前级的增益不能设置太高，因为前级增益过高将不利于后续电路对噪声的处理。

参数选择：

由于AD620的增益与之间关系如下：

G=1+（R1+R2）/R3，选取R21=R22=27K,

R23=6.2K,C21=39pF,C22=200pF,C23=39Pf,

前置放大倍数：

G1=1+（R1+R2）/R3=9.7。

3.3.2右腿驱动电路

体表驱动电路是专门为克服50Hz共模干扰，提高CMRR而设计的，原理是采用人体为相加点的共模电压并联反馈，其方法是取出前置放大中的共模电压，经过驱动电路倒相放大后再加回体表上，一般的做法是将此反馈共模信号接到人体的右腿上，所以称为右腿驱动，通常，病人在做正常的心电检测时，空间电场在人体产生的干扰电压以及共模干扰时非常严重。

而使用右腿驱动电路就能很好的解决上述问题，下图就是右腿驱动的电路图。

其反馈共模电压可以消除人体共模电压产生的干扰，还可以抑制工频干扰。

参数选择：

如上图上标示，C41=0.01Uf,R41=10K,C42=1M.

3.3.3低通滤波放大电路

由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定的频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。

具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的（如图10虚线）。

只能用实际的滤波器的幅频特性去逼近理想的特性。

常用的方法是巴特沃斯（Butterworth）逼近和切比雪夫（Chebysher）逼近，为保证心电信号原形，采用较平坦的巴特沃思有源滤波。

如图所示，滤波器的阶数N越高，幅频特性衰减的速度越快，就越接近于理想幅频特性。

图10 巴特沃斯幅频特性

图11实用二阶低通巴特沃思滤波器

参数选择：

要滤除250Hz的频率，经过Mulisim仿真选择阻值，如图上图中各元件的标注，R41=R42=R=6.8k,C41=C42=0.1uf,

根据二阶低通巴特沃思滤波器公式：

截止频率为

=1/（2πRC）=258Hz，基本上符合设计要求。

3.3.40.05Hz高通滤波器电路

此次设计用的是反相的二阶巴特沃兹高通滤波器，其中放大倍数设置为1，截止频率为0.05Hz。

如图5所示，各个电阻以及电容的参数值在电路中已标明。

图5巴特沃兹二阶反相高通滤波电路

3.3.450Hz陷波电路

工频干扰时心电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰具有一定的抑制作用，但是有部分工频干扰是以差模方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定的因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤波。

采用如下图所示的有源双T带阻滤波器，该电路的Q值随着反馈系数β（0<β<1）的增高而增高，Q值与β关系如下Q=1/（1-β）,调节下图中的R64和R64可以改变Q值。

图1350HZ双T陷波电路

参数选择：

实验中选用陷波效果很好的经验参数。

即R61=R62=R=33KΩ，R64=2KΩ，R4=148KΩ,R63=1/2R=15KΩ。

C61=C62=C=0.1uF，C63取0.2uF。

根据公式：

中心截止频率f0=1/（2∏RC）=50Hz

上图中，滤波电路增益G2=R65/（R65+R64）=0.9。

阻带宽度：

BW=f0/Q=其中：

Q=1/2（2-Auv）

3.3.5次级放大电路

第二级放大电路主要以提高增益为目的，选用普通的OPA2335放大芯片即可。

电路图如下：

参数选择：

R31=9.1k，R32=1M,C31=680pF

C31能起到一定的低通滤波作用

第二级放大倍数：

G3=R32/R31=110

整个电路放大倍数G=G1*G2*G3=9.7*0.9*100=873倍

4电路性能的实验验证

按照上图搭建电路图，通过ORCAD6.1仿真，结果基本上能符合设计的要求。

5仿真

5.1前置放大电路仿真

仿真电路图：

仿真结果：

从仿真结果看出，实际前置放大倍数为K1=46.8mA/4.7mA=9.9，与预期放大结果相同。

5.2低通滤波电路

仿真电路：

仿真结果：

1、输入f=60hz时，输出波形图如下：

输出和输入基本上一致，信号没有被衰减。

2、输入f=250hz时，输出波形图如下：

输出结果衰减为：

323uV/4.9Mv=6.5%

250Hz频率的输入杂波滤除了93.5%。

3、输入f=1KHz时，输出波形图如下：

结果：

1kHz频率的输入杂波基本上被滤除

5.350Hz陷波电路

仿真电路：

仿真结果：

有图可知，当输入信号为50Hz的工频干扰信号时，杂波基本上被滤除。

5.4次级放大电路

仿真电路连接图：

仿真结果：

从图中可以发现，放大倍数G2=2.65V/27.6mV=96，与预期的设计相符合。

6结束语

采用以AD620及OP2335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，最低只需3V的电源，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）。

通过本次设计，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。