心電放大器設計報告

1、生物醫(yī)學電子學課程設計東北大學低成本心電放大器設計報告生物醫(yī)學電子學課程設計 設計報告學 校 ： 東北大學 學 院 ： 中荷生物醫(yī)學與信息工程學院 專業(yè)班級 ： 生醫(yī)1202班 姓 名 ： 魚忘七秒 學 號 ： 201252xyz 指導老師 ： 李 剛 20生物醫(yī)學電子學課程設計東北大學低功耗心電放大器設計報告低功耗心電放大器設計報告1.概述心臟是循環(huán)系統(tǒng)中重要的器官。由于心臟不斷地進行有節(jié)奏的收縮和舒張活動，血液才能在閉鎖的循環(huán)系統(tǒng)中不停地流動。心臟在機械性收縮之前，首先產(chǎn)生電激動。心肌激動所產(chǎn)生的微小電流可經(jīng)過身體組織傳導到體表，使體表不同部位產(chǎn)生不同的電位。如果在體表放置兩個電極，分別用

2、導線聯(lián)接到心電圖機(即精密的電流計)的兩端，它會按照心臟激動的時間順序，將體表兩點間的電位差記錄下來，形成一條連續(xù)的曲線，這就是心電圖。基本心電圖如上所示，包含如下幾個波段：P波  兩心房除極時間P-R間期   心房開始除極至心室開始除極時間QRS波群   全心室除極的電位變化ST段 心室除極剛結束尚處以緩慢復極時間T波  快速心室復極時間2.設計背景心電放大器是一種常見的生物電放大儀器，在如今已經(jīng)得到了廣泛的應用，并已經(jīng)研發(fā)出了便攜家用的醫(yī)療儀器。心電放大器可以實時觀測被測者的心電信號，有助于病征的觀測，并能輔助診斷。心電

3、放大器作為精密醫(yī)療儀器，在現(xiàn)代的應用越來越廣泛，低成本是它的一個重要趨勢。心電信號有幾個顯著的特點。1) 心電信號很微弱，其幅值為10V（胎兒）-4mV（成人），放大倍數(shù)約為5001000倍；2) 頻率很低，約為0.05Hz-75Hz，能量主要集中在17Hz附近；3) 有很強的隨機性，并不穩(wěn)定。4) 人體作為信號源，本身內阻很大。5) 干擾多。如肌電等人體噪聲，以及在心電放大器中不可避免的工頻等設備噪聲。3.設計意義1) 對心律失常和傳導障礙具有重要的診斷價值；2) 對心肌梗塞的診斷有很高的準確性，它不僅能確定有無心肌梗塞，而且還可確定梗塞的病變期部位范圍以及演變過程；3) 對房室肌大、心肌炎

4、、心肌病、冠狀動脈供血不足和心包炎的診斷有較大的幫助；4) 能夠幫助了解某些藥物（如洋地黃、奎尼?。┖碗娊赓|紊亂對心肌的作用。4.設計要求1) 輸入電阻>5M2) 共模抑制比>80dB3) 輸出擺幅>2.5V（采用單片機采集時動態(tài)范圍28）4) 頻帶：0.0575Hz5) 功耗<5mA6) 直流供電，使用三節(jié)1.5V干電池，便于攜帶5.總體方案設計本項目通過模擬電路對信號進行一些列處理，最終實現(xiàn)在示波器上顯示波形。經(jīng)過分析將電路大致分為幾個模塊，包括信號采集放大模塊，信號濾波模塊，信號50Hz陷波處理模塊，電平提升模塊。前置放大采用的是差分放大，濾波采用二階低通濾波器，

5、50Hz陷波采用雙T網(wǎng)絡，最后經(jīng)由電平提升輸出到顯示屏。6.各模塊功能實現(xiàn)A. 信號采集放大模塊（R11表示第一個模塊中第一個電阻）A總體概述如下圖，采用protues仿真心電信號非常微弱，為mV量級，只有對其進行放大到適當范圍才能夠進行更多的采集和處理，這些都決定了信號放大電路成為整個系統(tǒng)設計成敗的關鍵。如上圖所示的同相并聯(lián)三運放結構，這種結構可以較好地滿足高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲的要求。放大器的第I級主要用來提高整個放大電路的輸入阻抗。第II級采用差動電路用以提高共模抑制比。B信號放大運放放大電路，采用LM358芯片構成差動放大電路，根據(jù)虛短、虛斷的概念，不難分析U2:1A、U2:

6、1B前置放大電路僅對差模信號有放大作用，差模放大倍數(shù)為（R12+2R11）/ R12倍。AD620是一種只用一個外部電阻就能設置放大倍數(shù)為11000的低功耗、高精度儀表放大器。盡管AD620由傳統(tǒng)的三運放放大器發(fā)展規(guī)律而成,但一些主要性能卻優(yōu)于三運算當代器構成的儀表放大器設計,電源范圍寬(±2.3V-±18V),設計體積小,功耗非常低(最大供電電流僅為1.3mA)因而使用于低電壓、低功耗的應用場合。內部增益電阻被精確確定為24.7k,使得運放增益精確地由Rg確定 部增益為 其中差動放大電路部分放大了5倍，因為其本身受極化電壓的影響，放大倍數(shù)應為5倍左右。而AD620核心放大

7、器放大倍數(shù)可經(jīng)過滑動變阻器調節(jié)，使這個電路的放大倍數(shù)達到100倍左右，使信號能夠更好的進行濾波等后期處理。C無源高通濾波電路由于心電信號本身有頻帶，同時也存在著諸多干擾，因而濾波電路是整個心電放大器成功的關鍵所在。項目中的頻帶為0.05Hz75Hz，因而設計了截止頻率為0.0482Hz的高通濾波電路。截止頻率為：將高通濾波器配合差模驅動放置在前置放大電路的差動放大電路與核心放大電路之間能后有效的抑制極化電壓，減小噪聲，提高電路的共模抑制比。D右腿驅動電路本項目中采用心電點擊采集心電信號，通過采用標準導聯(lián)反映肢體間的電位差，從而產(chǎn)生心電信號。因而需用右腿驅動電路，電路圖如下：E實際焊接圖B. 低

8、通濾波電路模塊由于前面的高通網(wǎng)絡已經(jīng)考慮了高通濾波的情況，這里僅考慮低通濾波的情況。而且考慮高通的截止頻率不高，故采用階數(shù)太高的濾波器。本課題濾波器的作用為濾掉大于75Hz的高頻的干擾。采用有源低通濾波器有一些好處，一方面有源濾波器在通帶內信號不僅可以沒有衰減，還可以有一定的增益，而在阻帶內，其阻抗頻率特性隨頻率而急劇改變，故選頻性能好，另一方面輸入阻抗高，輸出阻抗低，不需要阻抗匹配，輸入、輸出之間有良好的隔離。巴特沃斯濾波電路實現(xiàn)了通過帶內較高的幅值平坦性，符合心電濾波的要求。采用一階無源高通濾波器和二階巴特沃思低通濾波器作為本系統(tǒng)的濾波電路，電路圖如下所示：采用歸一化算法，由R= ，取F=

9、75Hz，C=0.1uF，得R=21.22k，取22k。 信號源為10Hz時的濾波 信號源為50Hz時的濾波 信號源為100Hz時的濾波 信號源為200Hz時的濾波 實際焊接圖片 C. 50Hz陷波電路模塊帶阻濾波器電路是用來抑制或衰減某一頻段的信號，而讓該頻段以外的所有信號通過。這種濾波電路也叫陷波電路，經(jīng)常用于電子系統(tǒng)抗干擾。在設計當中尤其要注意帶阻濾波器防止發(fā)生如切頻等情況。該電路的功能就是在=50Hz之外的信號可以通過，而在陷波處把要濾除的信號濾除掉。如圖是RC雙T帶阻濾波選頻放大器。 RC雙T帶阻濾波選頻放大器框圖其閉環(huán)增益為： 式中，、均為信號頻率的函數(shù)。當信號頻率與RC雙T電路的

10、中心頻率相同時，RC雙T電路的傳遞系數(shù) F=0，此時無反饋作用，則有=，即反饋放大器增益等于開環(huán)放大器；當信號頻率偏離達某值時，雙T電路反饋系數(shù)F最大，即F=1，這時是深度負反饋。則顯然,RC雙T電路的頻率特性很重要.RC雙T帶阻濾波電路(如圖)：濾波器的特性參數(shù)為：取C0.068µF。由，從而得R=46.9k(取47k)k值越大，Q值越高，頻率選擇性越好，但這樣會導致濾波器性能不穩(wěn)定， 阻帶寬度也加大。通過認真篩選元件、調整電位器RV32通過改變值可使50Hz陷波深度達到-25dB，帶寬為10Hz(45 55Hz)且濾波器穩(wěn)定，滿足心電檢測的要求。 信號源為30Hz 信號源為40H

11、z 信號源為50Hz 信號源為60Hz 實際焊接電路D. 電平提升模塊該部分電路主要起調節(jié)增益的作用，使輸出信號可達到V的量級，電路圖如下所示因第一個模塊中放大倍數(shù)接近100倍，這個模塊只需放大倍數(shù)接近910倍即可。放大倍數(shù)通過滑動變阻器RV42來調節(jié)，如上圖示波圖形，放大倍數(shù)接近十倍。在輸入端加入電容組成一階無源濾波電路。其傳遞函數(shù)為：=得出其幅頻特性為: 其中為通帶內要求的放大倍數(shù)，現(xiàn)在考慮傳遞函數(shù)的后半部分令對于高通的情況由于w很小，所以當截止頻率f=0.05HZ時，有R41C41=2.25S,取R41=22.5K, C41=100µF，由于手上沒有22.5K，所以選擇了24K

12、的。實際焊接圖片7.最終實驗結果a) 模擬信號輸入與輸出結果顯示輸入10Hz，1.1mV的正弦波信號，輸出結果為：b) 心電信號輸入與輸出結果顯示8.關鍵問題或可能問題及其解決方法1) 因為元件精度問題導致的共模變差模，降低了電路的共模抑制比以及放大器的性能。2) 陷波電路不能在電路中起到很好的作用，增加50Hz陷波電路的Q值調制模塊可以解決這一問題。3) 右腿驅動電路在心電信號采集時十分關鍵，要注意右腿采集的位置以及電阻和電容的選取。9.項目的不足之處1) 項目中沒有采用單片機，未能實現(xiàn)單片機A/D轉換，繪出波形；2) 測試過程沒有脫離示波器；3) 使用了三塊環(huán)氧板，電路也重新焊了多次，浪費材料。10.用到的元器件參數(shù)LM324主要參數(shù) 電壓增益 100dB 單位增益帶寬 1MHz 單電源工作范圍 3V-30VDC 每個運放功耗;工作電流為0.7mA輸入失調電壓 2mV（最大值7mV） 輸入偏置電流 50nA-150 nA 輸入失調電流 5nA-50 nA 輸入共模電壓范圍 0-V+-1