模电低功耗心电放大器设计报告.docx

1、模电低功耗心电放大器设计报告模拟电子电路设计 低功耗心电放大器设计报告 学院: 电气工程学院 班级: 姓名: 学号: 1412021061 日期: 2016 、7、1 1、概述心脏就是循环系统中重要得器官。由于心脏不断地进行有节奏得收缩与舒张活动,血液才能在闭锁得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。心肌激动所产生得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得电位。如果在体表放置两个电极,分别用导线联接到心电图机(即精密得电流计)得两端,它会按照心脏激动得时间顺序,将体表两点间得电位差记录下来,形成一条连续得曲线,这就就是心电图。基本心电图如上所示,包含如下

2、几个波段:P波 两心房除极时间PR间期 心房开始除极至心室开始除极时间QRS波群 全心室除极得电位变化ST段心室除极刚结束尚处以缓慢复极时间T波 快速心室复极时间2、设计背景心电放大器就是一种常见得生物电放大仪器,在如今已经得到了广泛得应用,并已经研发出了便携家用得医疗仪器。心电放大器可以实时观测被测者得心电信号,有助于病征得观测,并能辅助诊断。心电放大器作为精密医疗仪器,在现代得应用越来越广泛,低成本就是它得一个重要趋势。心电信号有几个显著得特点。1) 心电信号很微弱,其幅值为10V(胎儿)4mV(成人),放大倍数约为5001000倍;2) 频率很低,约为0、05Hz75Hz,能量主要集中在

3、17Hz附近;3) 有很强得随机性,并不稳定。4) 人体作为信号源,本身内阻很大。5) 干扰多。如肌电等人体噪声,以及在心电放大器中不可避免得工频等设备噪声。3、设计意义1) 对心律失常与传导障碍具有重要得诊断价值;2) 对心肌梗塞得诊断有很高得准确性,它不仅能确定有无心肌梗塞,而且还可确定梗塞得病变期部位范围以及演变过程;3) 对房室肌大、心肌炎、心肌病、冠状动脉供血不足与心包炎得诊断有较大得帮助;4) 能够帮助了解某些药物(如洋地黄、奎尼丁)与电解质紊乱对心肌得作用。4、设计要求1) 输入电阻5M2) 共模抑制比80dB3) 输出摆幅2、5V(采用单片机采集时动态范围28)4) 频带:0、

4、0575Hz5) 功耗5mA6) 直流供电,使用三节1、5V干电池,便于携带5、总体方案设计本项目通过模拟电路对信号进行一些列处理,最终实现在示波器上显示波形。经过分析将电路大致分为几个模块,包括信号采集放大模块,信号滤波模块,信号50Hz陷波处理模块,电平提升模块。前置放大采用得就是差分放大,滤波采用二阶低通滤波器,50Hz陷波采用双T网络,最后经由电平提升输出到显示屏。6、各模块功能实现A. 信号采集放大模块(R11表示第一个模块中第一个电阻)A.总体概述如下图,采用protues仿真心电信号非常微弱,为mV量级,只有对其进行放大到适当范围才能够进行更多得采集与处理,这些都决定了信号放大电

5、路成为整个系统设计成败得关键。如上图所示得同相并联三运放结构,这种结构可以较好地满足高输入阻抗,高共模抑制比,低噪声得要求。放大器得第级主要用来提高整个放大电路得输入阻抗。第级采用差动电路用以提高共模抑制比。B.信号放大运放放大电路,采用LM358芯片构成差动放大电路,根据虚短、虚断得概念,不难分析U2:1A、U2:1B前置放大电路仅对差模信号有放大作用,差模放大倍数为(R12+2R11)/ R12倍。AD620就是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为11000得低功耗、高精度仪表放大器。尽管AD620由传统得三运放放大器发展规律而成,但一些主要性能却优于三运算当代器构成得仪表放大器设计,电

6、源范围宽(2、3V18V),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅为1、3mA)因而使用于低电压、低功耗得应用场合。内部增益电阻被精确确定为24、7k,使得运放增益精确地由Rg确定 部增益为 其中差动放大电路部分放大了5倍,因为其本身受极化电压得影响,放大倍数应为5倍左右。而AD620核心放大器放大倍数可经过滑动变阻器调节,使这个电路得放大倍数达到100倍左右,使信号能够更好得进行滤波等后期处理。C.无源高通滤波电路由于心电信号本身有频带,同时也存在着诸多干扰,因而滤波电路就是整个心电放大器成功得关键所在。项目中得频带为0、05Hz75Hz,因而设计了截止频率为0、0482Hz得高通滤波电路。

7、截止频率为:将高通滤波器配合差模驱动放置在前置放大电路得差动放大电路与核心放大电路之间能后有效得抑制极化电压,减小噪声,提高电路得共模抑制比。D.右腿驱动电路本项目中采用心电点击采集心电信号,通过采用标准导联反映肢体间得电位差,从而产生心电信号。因而需用右腿驱动电路,电路图如下:E、 低通滤波电路模块由于前面得高通网络已经考虑了高通滤波得情况,这里仅考虑低通滤波得情况。而且考虑高通得截止频率不高,故采用阶数太高得滤波器。本课题滤波器得作用为滤掉大于75Hz得高频得干扰。采用有源低通滤波器有一些好处,一方面有源滤波器在通带内信号不仅可以没有衰减,还可以有一定得增益,而在阻带内,其阻抗频率特性随频

8、率而急剧改变,故选频性能好,另一方面输入阻抗高,输出阻抗低,不需要阻抗匹配,输入、输出之间有良好得隔离。巴特沃斯滤波电路实现了通过带内较高得幅值平坦性,符合心电滤波得要求。采用一阶无源高通滤波器与二阶巴特沃思低通滤波器作为本系统得滤波电路,电路图如下所示: 采用归一化算法,由R= ,取F=75Hz,C=0、1uF,得R=21、22k,取22k。 信号源为10Hz时得滤波 信号源为50Hz时得滤波 信号源为100Hz时得滤波 信号源为200Hz时得滤波 实际焊接图片F、 50Hz陷波电路模块带阻滤波器电路就是用来抑制或衰减某一频段得信号,而让该频段以外得所有信号通过。这种滤波电路也叫陷波电路,经

9、常用于电子系统抗干扰。在设计当中尤其要注意带阻滤波器防止发生如切频等情况。该电路得功能就就是在=50Hz之外得信号可以通过,而在陷波处把要滤除得信号滤除掉。如图就是RC双T带阻滤波选频放大器。 RC双T带阻滤波选频放大器框图其闭环增益为: 式中,、均为信号频率得函数。当信号频率与RC双T电路得中心频率相同时,RC双T电路得传递系数 F=0,此时无反馈作用,则有=,即反馈放大器增益等于开环放大器;当信号频率偏离达某值时,双T电路反馈系数F最大,即F=1,这时就是深度负反馈。则显然,RC双T电路得频率特性很重要、RC双T带阻滤波电路(如图):滤波器得特性参数为:取C0、068F。由,从而得R=46

10、、9k(取47k)k值越大,Q值越高,频率选择性越好,但这样会导致滤波器性能不稳定, 阻带宽度也加大。通过认真筛选元件、调整电位器RV32通过改变值可使50Hz陷波深度达到25dB,带宽为10Hz(45 55Hz)且滤波器稳定,满足心电检测得要求。 信号源为30Hz 信号源为40Hz 信号源为50Hz 信号源为60HzG、 电平提升模块该部分电路主要起调节增益得作用,使输出信号可达到V得量级,电路图如下所示 因第一个模块中放大倍数接近100倍,这个模块只需放大倍数接近910倍即可。放大倍数通过滑动变阻器RV42来调节,如上图示波图形,放大倍数接近十倍。 在输入端加入电容组成一阶无源滤波电路。其

11、传递函数为:=得出其幅频特性为: 其中为通带内要求得放大倍数,现在考虑传递函数得后半部分令对于高通得情况由于w很小,所以当截止频率f=0、05HZ时,有R41C41=2、25S,取R41=22、5K, C41=100F,由于手上没有22、5K,所以选择了24K得。7、关键问题或可能问题及其解决方法1) 因为元件精度问题导致得共模变差模,降低了电路得共模抑制比以及放大器得性能。2) 陷波电路不能在电路中起到很好得作用,增加50Hz陷波电路得Q值调制模块可以解决这一问题。3) 右腿驱动电路在心电信号采集时十分关键,要注意右腿采集得位置以及电阻与电容得选取。8、用到得元器件参数LM324主要参数 电压增益 100dB 单位增益带宽 1MHz 单电源工作范围 3V30VDC 每个运放功耗;工作电流为0、7mA输入失调电压 2mV(最大值7mV) 输入偏置电流 50nA150 nA 输入失调电流 5nA50 nA 输入共模电压范围 0V+1、5VDC(单电源时) V V+1、5VDC(双电源时) 输出电压幅度 0V+1、5VDC(单电源时) 输出电流 40mA 共模拟制比:85DB AD620内部结构主要参数供电放大倍数共模抑制比输入阻抗频带宽度11000G=10时,CMRR=100dB109G=10, 800KHz