ECG型心电图机原理分析报告.docx
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ECG型心电图机原理分析报告
ECG-6151型心电图机原理分析
ECG-6151型心电图机是一种采用单片机控制的小型心电图机，它具有自动选择导联、自动调节基线位置并自动进行增益控制、自动记录12导联心电图的功能。
主机由三块电路板组成：
浮地前置放大电路板、自动键控电路板和控制与主放大电路板。
主机还配有专用的交流供电充电器。
下面分别分析它们的电路原理。
一、浮地前置放大电路（UT-20037）
它包括输入电路、前置放大电路、光电耦合放大器、浮地电压产生电路、±8V非浮地电压产生电路和电池电压检测电路。
电路图如附图2—1。
（一）输入电路
输入电路包括缓冲放大器、威尔森网络、导联选择电子开关，此外还有屏蔽驱动器和右脚电极驱动器。
1．缓冲放大器
由导联电极检测到的心电信号，经导联线送到输人电路的输入端。
R585～R593是输入平衡电阻。
IC30l和IC302是由电压跟随器组成的专用缓冲放大集成块。
这种集成块的输入阻抗很高，可达IOOMΩ，而输出阻抗很低，以便于和后级放大器相匹配。
D380～D397是输入保护二极管，它们跨接在缓冲放大器的输入输出端。
在正常的情况下，心电信号只有几毫伏，二极管不导通，对心电信号没有影响。
当干扰信号大于0．6V时，保护二级管开始导通，相当于将缓冲放大器输入输出端短路，输入阻抗不再由缓冲放大集成块来决定，而取决于威尔森网络的输入阻抗。
由于威尔森网络的输入阻抗很低，干扰信号经过皮肤与电极的接触电阻和输入平衡电阻的分压衰减很大，从而起到对强干扰信号的抑制作用。
2．导联选择电子开关
由缓冲放大器输出的心电信号，经过威尔森网络加到导联选联开关电路，本机导联选择开关电路采用了模拟电子开关集成电路。
IC304～IC307应用的MCl4052是一种CMOS双路转换电子开关集成块。
开关的转换由CPU送到A、B、1N三个控制端的编码进行控制。
其中1N端子是禁令控制端。
当1N端子输人为逻辑高电平时，禁止开关的-选通，两路开关处于断路状态。
当为逻辑低电平时，两路开关允许选通。
选择状态由A、B端子的输入编码来决定。
A、B、lN三端的输人编码的逻辑值与电子开关的转换状态如表l-3-l所示。
表1-3-1
逻辑真值
开关选通的状态
lN
B
A
0
0
0
12接13脚
1接3脚
0
0
l
14接13脚
5接3脚
0
1
0
15接13脚
2接3脚
0
1
l
11接13脚
4接3脚
1
X
X
开路
开路
注：
表中x表示无论为何状态
IC304选择定标和第1、Ⅱ、Ⅲ导联；IC305选择aVR、aVL、aVF和V1；IC306选择V2～V5，IC307选择V6。
A、B、lN三端输入编码真值与导联选择的关系如表l-3-2。
表I-3-2
输人编码
导联选择逻辑功能
1N
B
A
IC304
IC305
IC306
IC307
0
0
0
TEST
aVR
V2
V6
0
0
1
I
aVL
V3
闲置
0
l
0
Ⅱ
aVF
V4
闲置
0
1
1
Ⅲ
V1
V5
闲置
1
X
X
不工作
不工作
不工作
不工作
3．屏蔽驱动器和右脚电极驱动器
IC303选用的AN6561是一种双运放集成块，其中的两个运算放大器分别接成屏蔽驱动器和右脚电极驱动器。
屏蔽驱动器（图中IC303的上面l／2）的作用是减小导联线至屏蔽线之间的漏电流，保障测试者的安全，提高电路的输入阻抗。
工作原理简述如下：
在导联线与屏蔽线之间存在着分布电容（长约2M的导联线其分布电容约为200PF）。
在这种情况下对50Hz的信号呈现的容抗约为几个兆欧。
如果屏蔽线直接接地，由于这个容抗与输入电路的输入阻抗处于并联状态，这将大大降低整机的输入阻抗，又由于导联线直接连接在人体上，这又会增加人体到地的漏电流，降低安全系数。
接上屏蔽驱动器情况就不同了。
屏蔽驱动器实际上是一个电压跟随放大器。
其电压放大增益为l，又具有很高的输入阻抗。
它的同相输入端接威尔森的中心点，即信号地，输出端接屏蔽线。
信号地的零电位经×1倍放大后，自举输送到屏蔽线上，这就既保证了屏蔽线与信号地之间的等电位，又将屏蔽地与信号地巧妙地隔离开来，从而保持了输入电路的高输入阻抗的特点。
图中IC303的下1／2接成右脚驱动器。
一般的心电图机通常把右脚电极作为心电信号的零电位来处理。
而本机把右脚电极作为抑制共模干扰的参考点，在右脚电极与威尔森网络的三个顶点之间设置了一个驱动电路，它实际上是一个反相输入式求和运算放大器。
三个肢体电极（除右脚电极之外）上的信号通过缓冲放大器之后分别加到威尔森网络的三个顶点上，三个顶点又分别通过10kQ的电阻接到驱动器IC303的反相输人端第7脚上。
同相输入端第6脚接浮地，输出端接到右脚电极上。
当右脚电极由于感应干扰信号电位发生变化时，其他三个肢体电极上也会感应到同相位的共模干扰信号。
这三支共模干扰信号经过右脚电极驱动器的放大后与的干扰信号相位正好相反，送到右脚电极上，恰好抵消了右脚电极上的共模干扰信号，使右脚电位维持在一恒定的电平上。
由于人体本身是一个导体，从而也抵消了其他肢体电极上的共模干扰信号，提高了共模抑制比。
当三个肢体电极上的共模干扰信号消失之后，IC303同相输入端与反相输入端的电位趋于一致，即是说，三个肢体电极的电位与浮地零电位趋于一致，最终使右脚驱动器输出也与浮地电位趋于一致，从而使右脚电位与浮地电位保持动态平衡。
（二）前置放大电路
前置放大电路包括：
多功能放大集成块IC308，封闭电路，时间常数电路，中问放大器和增益与基线自动调控电路等。
1．多功能放大集成块
1C308KT-5是一种多功能集成块。
内部除具有共模抑制比很高的差分放大器之外，还有定标信号发生器，起搏脉冲补偿电路和光电耦合驱动器。
内电路原理见图1-1-9。
1C308的第14、16脚是差分放大器的输入端。
第12脚是差分放大器的输出端，差分放大器的电压增益为20倍。
其共模抑制比很高，可达100db。
整机的共模抑制比主要取决于差分放大器。
1C308的第19脚是定标信号发生器的控制端。
定标时，由控制与主放大电路板送来一个逻辑零电平，使定标信号产生器产生一个lmV的定标电压，由差分放大器放大后输出。
图中的RX是外接标压幅度调整电位器。
一般在100Q～200Q之间。
当IC308型号为KT-5A时，需在RX处接一500Q电位器，对lmV标压的幅度进行校正。
IC308内还设有起搏脉冲补偿电路。
它的作用及电路原理与ECG-515l型心电图机的起搏脉冲抑制电路基本相同。
IC308的后半部是光电耦合驱动器。
第8脚为信号输入端，第10脚为基线调节控制端。
当调节基线钮时，第10脚的输入电压可在±6V之间变化，以改变基线的位移。
心电信号在本级放大2．5倍。
最后再由光电耦合驱动晶体管把心电信号电压变为驱动电流，提供给光电耦合器PC-02的发光二极管，从而把信号耦合到非浮地的高增益放大器进行放大。
’
2．时间常数电路与封闭电路
C30l、R335和R336组成时间常数电路。
时问常数T为：
T=RC=（R335+R336）·C301>3．2秒
封闭电路（INST或RESET）由Q301、Q302和Q303等组成。
当转换导联选择时，由CPU送来一个负脉冲（由高电平到低电平的跃变），使Q303导通，+8V的电压通过Q303为Q30l和Q302的基极提供正偏置电压，Q30l和Q302也瞬时导通。
在导通期间一方面将后级放大器的输入端对地短路，另一方面使C301通过Q301和Q302对地迅速放电，使基线回复原来的零位状态，为记录下一导联的心电信号作好准备。
当按下封闭（RESET）键控开关时，由CPU送来一个常低电平，使封闭电路一直工作，直至再次按一下RESET键，才解除封闭状态。
3．中间放大器
IC309接成增益为40倍的中间放大器。
VR301是置零调节电位器，调整VR309可使IC309在输入信号为零时，输出为零电平。
如果IC309的输出在无信号输入时不为零电平，那么在灵敏度选择电路的电阻分压网络R347～R349上就会分配一定的电压，这会使基线在转换灵敏度时产生位移。
因此VR309一定要调整在最佳状态。
，4．增益与基线自动调控电路
IC311、IC312和IC313等组成增益与基线自动调控电路。
IC3ll（KT-4）也是一-种多功能的集成电路，它的内部电路如图l3-1所示。
其内部的放大器和C305、C306组成峰值保持电路。
峰值电压储存在电容C305和C306上。
IC3ll的后半部是峰值运算电路。
在峰值保持和峰值运算电路之间还设置了一级缓冲放大器IC312。
电路的工作原理如下：
图1-3-1KT-4内部电路示意图
由IC309输出的心电信号电压，经过R375和R376的分压，减半后送到IC311的第l脚输入端。
由峰值保持电路进行正负峰值分离和正负峰值保持。
而后正负峰值信号通过两个缓冲放大器放大后，分别再送到IC3ll的峰值运算电路的输入端（第15、16脚），进行峰值运算：
正负峰值之差的一半取负值由第18脚输出，作为基线移位自动调节电压，而正负峰值之和（绝对值之和）的一半由第16脚输出，作为自动增益控制电压。
例如当心电信号的R波幅度升高时，由第18脚输出的负电压也随之增大。
这样由IC309输出的心电信号经过电阻R346后又叠加上一个直流负电平，从而使基线位置自动下移，使心电信号始终记录在记录纸的中部，达到基线移位自动调节的目的。
同样，R波幅越高，由IC31l第16脚输出的电压也越高。
这个电压加在比较器IC313的反相输入端第3脚上，而比较器的另一个同相输入端第4脚上还通过电阻分压加着一个约0．7V的电压。
当心电波幅不太大时，比较器输出为高电平（约+8V），当心电信号幅度（主要指R波）大到一定值（约为40ram）时，IC31l第16脚输出的电压将大于0．7V，这时比较器输出电压将会反转，由高电平变为低电平（为-SV）。
这个负脉冲送到控制与主放大电路板上的逻辑控制电路。
经CPU处理后再发出自动减小灵敏度的控制指令，一方面使液晶显示器上的灵敏度显示标压波形幅度减半，另一方面又给灵敏度选择电子开关送来新的编码，使灵敏度降低为原来的l／2。
IC3ll第4脚是停止峰值保持控制端。
高电平时允许峰值保持电路正常工作，低电平时停止峰值保持。
第5脚是峰值清除控制端，低电平时将峰值清零。
在自动转换导联期间或在手动工作方式时，这两个端子均为低电平控制。
5．灵敏度和滤波选择电路
IC310兼作灵敏度选择和滤波选择电子开关。
R347、R348、R349和R350组成分压衰减式灵敏度选择电路，它是靠改变分压比来改变灵敏度的。
灵敏度的转换和滤波的选择是靠改变A、B、c三端（即IC310第1l、10、9脚）的输入编码来完成的。
输入编码的
逻辑真值与转换功能的关系如表1-33所示。
表1-3-3
编辑逻辑值
功能
编码逻辑值
功能
B、A
灵敏度
C
滤波
10
1／2
0
OFF
l1
1
l
ON
01
2
ECG-6151型心电图机只具有RC网络组成的高通滤波器，即肌电滤波器。
当滤波开关合上时，C326被接在电路中，它与C327和R342组成高通滤波器。
R342为3912kΩ、C326为0.1μF，C327为0．01μ，此高通滤波器的起始频率为：
将电阻电容值代入上式得：
f≈35Hz
这样就滤除了35Hz肌电平干扰，同时也滤除了35Hz以上的高频信号。
ECG-6151A型心电图机使用了50Hz陷波器作为交流干扰滤波器，用来滤除50Hz的交流干扰信号。
50Hz陷波-器如图13-2所示。
这也是有源带阻滤波器，其滤波中心频率为
其中R=R30M—R30N一634KC=C346=C347=0．0047μF
代入上式得：
f≈50Hz
目前生产厂家已将50Hz滤波电路制成小电路板，只要将它安装在前置放大电路板上，即可弥补ECG-6151型机的缺点，获得满意的滤波效果。
（三）光电耦合放大器
1．光电耦合器
PC-02是一种光电池型有源信号传输器件，由于它的传输线性良好、隔离性能强，所以现在较多地应用于信号传输、隔离电路中。
由IC308中的耦合驱动器为PC-02中的发光二极管提供驱动电流，随心电信号强弱的变化而产生明暗变化的光线。
从电路图上看与IC308第l、3脚相接的二极管符号表示发光二极管，而另外的两个二极管符号实际上代表光电池型的光敏传感器。
它们可把光线的变化转换为电压信号。
一路送后级高增益放大器进行放大，另一路则反馈到IC308的第7脚引入负反馈。
关于光电耦合器的工作原理本章第一节已有详细说明，这里不再重复。
本机所用的光电耦合器的结构和原理与ECG-6511型心电图机所用的光电耦合器完全相同。
R357和ZD30l组成稳压电路，在ZD301上得到一5.6V的稳压，通过R306为光电耦合器中的光敏传感器提供一个稳定的起始偏压。
由于在无信号时发光二极管发出一定强度的光，因此光敏传感器在无信号时便产生了一个直流电压。
这个起始偏压正好抵消了这个直流电压，使放大器在零信号时输出为零。
2．高增益放大器
IC314（1／2）接成反相输入的高增益放大器。
R353是负反馈电阻，由于光敏传感器的内阻很小，所以放大器增益很高，约为500倍。
R354和C302是高频负反馈电路。
由于光的频谱很宽，放大后的心电信号中含有丰富的高频分量。
这些高频成份通过负反馈而被滤除，心电信号由IC314第8脚送到后级主放大器。
（四）浮地与非浮地电压产生电路
同ECG-5151型心电图机一样，本机前置放大电路和输入电路采用了浮地电路方式。
因此供电也采用浮地电压。
浮地电压是由直流／直流转换而产生的，即把+12V的直流电压通过振荡电路转变为交流，经隔离变压器耦合，再经过整流滤波后得到浮地的直流电压，为浮地电路提供工作电源。
Q304、Q305、Q312、IC314（1／2）和隔离变压器初级绕组组成电感耦合式振荡电路，其电路结构和工作原理与ECG-5151型心电图机±9V非浮地电压产生电路的振荡电路基本相同，详见本章第一节。
不同之处是回授到IC314同相输入端第4脚决定振荡幅度的反馈电压是由变压器初级绕组（6～7）上引出，再经过D306和C322的整流滤波以及VR302与R359分压之后取得的。
这样作是为了保证隔离变压器次级输出电压浮地性良好。
Q304集电极输出的振荡电压频率为70kHz，幅度约为23V。
次级绕组8～9端和10～ll端输出的交变电压经整流滤波后得到±8V的浮地电压，为前置放大电路提供工作电压。
由12～13绕组上得到的交变电压整流滤波后得到+5V直流电压，作为自动键控电路和控制电路的工作电源；由10～14绕组输出经整流滤波后得到+3V的电压，作为IC308中耦合驱动器的工作电压；另外+8V与+5V的输出端接在一-起，组成一组非对称性的正负电源（+5V，8V），作为导联选择电子开关集成电路的工作电压。
这样作是为了使导联选择集成块的逻辑低电平与控制电路中的逻辑低电平一致起来。
Q3ll是整个浮地电压产生电路的控制开关。
当它导通时，浮地电压转换电路便停止工作。
Q311的工作状态由电池电压检测电路和定时控制电路来控制。
Q307、Q308、Q309、ZD303、IC320（1／2）变压器T302以及D319、D320和
气18、IC319等组成±8V非浮地电压产生电路。
Q308集电极输出的振荡电压频率为
30kHz?
幅度约为16V。
所产生的±8V直流电压为控制与主放大电路板上的接地电路提供工作电压。
Q310与Q311的作用一样，它也是由电池电压检测电路和自动定时电路进行控制。
（五）电池电压检测电路
IC320、ZD316、R30A、R30B、R30C和R30D等组成电池电压检测电路。
IC320（1／2）接成一个电压比较器。
由稳压管ZD316上取得的+5V稳压通过R30E加到比较器IC320的同相输入端第6脚上，作为比较器的基准参考电压。
电池电压在R30B、R30C和R30D上进行分压。
由R30C上端取得的分压经R30加到比较器的反相输入端第7脚上。
当电池电压比较充足时，R30C上端的分压高于基准参考电压，这时IC320输出为低电平。
（为零伏）。
此时Q310和Q311因基极反偏而截止，直流／直流转换器正常工作。
当电池电压降低后，电阻R30C上端的分压也随之降低，当低于基准参考电压（+5V）时，比较器翻转，IC320（1／2）的输出由低电平变为高电平（约为+12V）。
这个高电平经过二极管D322和降压电阻后送到Q310和Q3ll的基极使它们导通，使两个直流／直流转换器停止振荡，切断主供电电源，降低耗电量为原来的1／5，防止电池过放电。
使用蓄电池和使用干电池时自动保护的电压值是不一样的。
当使用蓄电池供电时，蓄电池电池盒的负极将分压电阻R30D对地短路，使R30C上端的起始分压较低。
当蓄电池电压降为10V时，保护电路就起作用。
而使用干电池供电时R30D不被短路，使R30C上端的起始分压较高，因此干电池电压降得很低（约为6．5V）时，R30C上端的分压才低于基准参考电压，保护电路才被启动。
由于干电池是一次性电源，所以保护电压设计得较低，R30F是正反馈电阻，加速保护作用。
当电池电压检测电路被启动，即比较器IC320（1／2）输出由低变高电平之后，这个高电平通过电阻R30F反馈到IC320的同相输入端第6脚，使IC320（1／2）达到并维持饱和输出状态。
D398的作用是在接通电源的瞬间使比较器的反相输入端迅速建立起工作电压，防止电路的误保护。
二、自动键控电路（UT-20781）、
自动键控电路是整机的操作系统，它包括操作按键开关、键控编码器和显示译码电路。
电路图如附图2-2。
（一）键控编码电路
SW701～SW71l是操作功能按键开关。
除毫伏标压开关SW711外，所有其他操作功能开关选通之后都通过IC701进行键控编码。
IC701是一种静态四位编码器，共有16种编码输出状态。
第10～13脚为编码输出端，第14脚为选通脉冲输出端，每按一个开关，其输出端就输出一组相应的编码，同时第14脚还输出一个选通脉冲。
它们被送到控制电路的单片微机Icl01，以产生相应的操作指令。
第15脚为时钟脉冲输入端，由控制电路送来4096Hz的脉冲信号作为IC701的时钟信号。
各功能开关的选通状态与IC701输出编码的对应关系如表l-3-4所示。
表1—3—4
管脚编号
开关功能
输入端
逻辑值
输出端逻辑值
4321
9765
13121110
14
开关名称
oN时功能
R4R3R2Rl
C4C3C2C1
D4D3D2Dl
ST
SW70l
START／SToP
O111
1101
000O
兀
SW702
INST／RESET
1ll0
1l10
0O01
兀
SW703
ADV+
l110
1101
0010
兀
SW704
REV-
l11O
1O1l
O011
兀
SW705
1／2
l101
l11O
0100
兀
SW706
1
110l
llO1
0101
兀
SW707
2
1l01
10l1
0110
兀
SW708
AUTO
1011
l11O
01l1
兀
SW709
HUM
101l
110l
1000
兀
SW710‘
25／50
101l
101l
1OOl
兀
（二）译码和显示电路
1．译码器
lC702和IC703（MCl4028）是二进制变十进制的数据译码器。
它们对单片机送来的导联转换编码进行译码。
其输入输出编码的逻辑真值与导联选择状态的对应关系如表卜3—5所示。
表1一3—5
IC编号
输入编码
DCBA
输出编码
Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Qo
导联选
择状态
lC702
0000
0001
0010
00l1
0l00
O10l
Ol10
01ll
00000001
0O0000lO
00000100
0000l0O0
000l00OO
00l00000
O100O00O
l00000O0
TEST
I
Ⅱ
Ⅲ
aVR
aVL
aVF
V，
IC703
0000
000l
00l0
0011
0100
00000001
00000O1O
00O00l00
0O0OlOOO
00010000
V2
V3
V4
V5
V6
2．异或门驱动器
IC705～Ic709（Mcl4070）组成异或门驱动器。
每一个集成块中有四个异或门。
这是一种正逻辑的异或门。
、
当两个输人端的输入电平相异时，输出为高电平，两个输入端的电平相同时输出为低
邑平。
本机的异或门实际上是一个脉冲相位控制门。
其中一个输入端加着一个32Hz的脉扣波，另一个输入端分别接在译码器输出端。
当译码输出为高电平时，相应异或门的输出衣冲与输入脉冲相位反相。
否则其输出脉冲与输入脉冲相位相同。
3．液晶显示器。
液晶显示器是一种低电压低功耗的显示器件，本机所用的液晶显示器工作原理是：
在。
CD的公共控制端（第l、2、36、39、40脚）上施加32Hz的脉冲波。
在每一个显示环声的控制端，通过IC705～IC709的20个异或门也同时施加着相同频率的脉冲。
当显示不节控制端的脉冲波与公共控制端的脉冲波同相位时，LCD便无显示（因为同相位时加芏显示环节的电压为零）。
而当相位相反时便有显示。
这等于在显示环节加上了脉冲电矗．
采用脉冲供电方式不仅为了降低LCD的功耗，同时也为了延长LCD的使用寿命。
此外，Q702和发光二极管LED701是记录指示电路，Q703和LDE702是封闭指示电路，它们都由单片机来控制。
三、控制与主放大电路（UT-20033）
控制与主放大电路如附图2-2。
（一）控制电路
控制电路包括：
单片机控制电路、音响电路、检纸电路、马达调速控制电路和自动定时电路。
1．单片机控制电路
ECG-615l型心电图机采用了单片微型计算机，并配以程序监控EPROM及外计数器（分频器）等外围电路来控制整机的工作程序。
（1）单片机ICl01
IC101（MSM5840RS）是一种四位的单片微型计算机。
芯片包含CPU、RAM（容量为128×4位），可编程定时器／计数器，时钟脉冲发生器，4位算术逻辑运算单元，30根I／O线（其中输入／输出双向四位接口两个：
PA和PB，四
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