六導(dǎo)聯(lián)低功耗心電圖儀前端電路設(shè)計-

1、本文由avrdpy貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 六導(dǎo)聯(lián)低功耗心電圖儀前端電路設(shè)計 :字鍵關(guān) :字鍵關(guān) 耗功低,波濾,大放,號信電心:字鍵關(guān) :字鍵關(guān) .準(zhǔn)標(biāo)家國合符統(tǒng)系此,示顯果 結(jié)試測,試測行進(jìn)能性的路電對們我,準(zhǔn)標(biāo)關(guān)相的定制儀電心對家國據(jù)根.形波電心的析分 床臨于用可了到得塊模波濾個四和塊模大放個三過通統(tǒng)系.路電噪除,大放號信小的出計設(shè) :要摘 :要摘 點(diǎn)特個兩這的號信電心對針是就統(tǒng)系本.大較擾干,弱微號信于在點(diǎn)特要主號信電心:要摘 :要摘 京南,院學(xué)程工學(xué)醫(yī)與學(xué)科物生 學(xué)大南東( 群興趙:師教導(dǎo)指 婷婷柏,迪 唐,青培張,級

2、2005 210096 Design of Six-lead and low-power ECG Pre-circuit Zhang Pei-qing Tang Di Bai Tingting Zhao Xingqun ( School of Biological science and medical Eng. , Southeast Univ. , Nanjing 210096 , China Abstract: The main characteristics of the ECG signal are weak and great interference. Our system is

3、 aimed at both the ECG characteristics of the small signal amplification and the exception of circuit noise. Through the amplification system, we get the ECG waveform which can be used for clinical analysis. According to the state's electrocardiogram instrument developed by the relevant standard

4、, we tested the performance of the circuit, the results show that our system satisfies national standards. Key Word: ECG, amplification, filtering, low-power 1 作品簡介 1.1 項(xiàng)目介紹 該項(xiàng)目是一個心電儀前端模擬電路,用于采集并放大人體心電信號,放大后 的信號具有低失真,低干擾的特點(diǎn).同時,系統(tǒng)可以多導(dǎo)聯(lián)切換,進(jìn)行多路信號 采集.整個系統(tǒng)采用正負(fù) 2.5V 供電,功耗極低,正常工作電流不到 10mA,可以 采用干電池供電. 計設(shè)路電端

5、前儀圖電心耗功低聯(lián)導(dǎo)六 1 , , 學(xué)大南東 1.2 設(shè)計目標(biāo) 系統(tǒng)的基本功能為實(shí)現(xiàn)六導(dǎo)聯(lián)心電信號的測量,因此電路主要分為兩個模 塊:輸入電路,信號放大電路. 1.2.1. 輸入電路主要功能:在六個導(dǎo)聯(lián)間進(jìn)行切換. 導(dǎo)聯(lián)是記錄心電圖時電極在人體體表的放置位置及電極與放大器的連接 方式. 本系統(tǒng)采用的六導(dǎo)聯(lián)包括三個標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)和三個加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)構(gòu)成. 1.2.2. 信號放大電路主要實(shí)現(xiàn)心電信號的放大和濾波. 該電路由三個放大模塊和四個濾波模塊組成.三個放大模塊將信號放大 1000 倍左右,濾波模塊濾除功頻干擾,高頻噪聲.系統(tǒng)應(yīng)性能盡量滿足國家 制定的心電圖機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).最終預(yù)期得到可用于臨床分析的

6、心電信號:即得 到的信號具備標(biāo)準(zhǔn)心電的特征. 1.3 性能指標(biāo) 國家對心電儀主要參數(shù)的規(guī)定如表 1_1, 預(yù)計設(shè)計系統(tǒng)達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo) 準(zhǔn). 表 1_1 輸入阻抗 輸入回路電流 噪聲水平 心電儀主要參數(shù) 單端輸入阻抗不小于 2.5M . 各輸入回路電流不大于 0.1A. 折算到輸入端的噪聲應(yīng)小于 35V. 幅度頻率特性:以 10Hz 為基準(zhǔn),1Hz75Hz (-3.0dB+4.0dB 頻率特性 抗干擾能力 共模抑制比:KCMR>60dB 以上. 50Hz 干擾抑制濾波器:20dB 2 2.1 方案設(shè)計 方案設(shè)計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2 計設(shè)路電端前儀圖電心耗功低聯(lián)導(dǎo)六 學(xué)大南東 2.2 系統(tǒng)分析

7、心電信號是典型的小信號,所以心電儀的前端電路實(shí)現(xiàn)的是一個高精度放 大,濾波器的功能.同時,由于心電信號是通過測量皮膚表面的電位獲得的,所 以會存在很多干擾.實(shí)現(xiàn)這個系統(tǒng),就必須解決其面對的各種干擾問題. 表 2_1 主要干擾 心電信號中的干擾及對策 解決方案 屏蔽驅(qū)動電路 50Hz 工頻干擾 芯片電源供電等引入 50Hz 陷波電路 電極噪聲 金屬界面上產(chǎn)生極化電壓 人體接上電極導(dǎo)線就會起到 無線電波及高 收信天線的作用, 接收無線電 頻設(shè)備和干擾 波以及高頻設(shè)備來的電磁波 采用平均技術(shù)減少其影響, 被測信號往往非常微弱, 電子器件噪聲 因此電子器件的噪聲影響大 合理設(shè)計前置放大器電路 選擇低噪

8、聲器件, 增加低通濾波電路 增加隔直電容或高通網(wǎng)絡(luò) 產(chǎn)生原因 計設(shè)路電端前儀圖電心耗功低聯(lián)導(dǎo)六 構(gòu)結(jié)體總統(tǒng)系 1_2 圖 學(xué)大南東 3 2.3 器材選擇 表 2_2 器件類別 儀表放大器 器件型號* 數(shù)量 AD620 OPA691 OPA2335*4 LT1117-25 MAX4051*2 MAX828 系統(tǒng)使用芯片 器件用途 前置放大 右腿驅(qū)動 緩沖放大,濾 波,后級放大 降低電壓 通道選擇 反向電壓 輸入電流小 低功耗,高精度 能夠得到穩(wěn)定 2.5V 電壓 選擇理由 所 用 主 要 器 件 電流放大器 雙運(yùn)放 穩(wěn)壓管 模擬開關(guān) 反向器 3 3.1 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計 輸入電路 心電圖系統(tǒng)硬

9、件的輸入電路包括緩沖電路,導(dǎo)聯(lián)選擇電路,屏蔽驅(qū)動電路和 威爾遜電阻網(wǎng)絡(luò),其功能是為信號放大電路提供各導(dǎo)聯(lián)信號. 3.1.1 Wilson 電阻網(wǎng)絡(luò) 威爾遜網(wǎng)絡(luò)是由 9 個電阻組成的平衡電阻網(wǎng)絡(luò),6 個 20k 電阻組成三角 形連接,3 個 30k 電阻組成星形連接 .威爾遜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 3_1 所示. 1 威爾遜網(wǎng)絡(luò) 三個頂點(diǎn) 計設(shè)路電端前儀圖電心耗功低聯(lián)導(dǎo)六 是否 TI 器件 否 是 是 是 否 否 絡(luò)網(wǎng)阻電 nosliW 1_3 圖 學(xué)大南東 4 網(wǎng)絡(luò)的三個頂點(diǎn)通過緩沖放大器分別與左臂(LA,右臂(RA,左腿(LL 電極相連,三角形各邊的中點(diǎn)是加壓肢體導(dǎo)聯(lián)的參考點(diǎn),星形的中點(diǎn)(WCT是 威

10、爾遜網(wǎng)絡(luò)的中心點(diǎn). 本系統(tǒng)通過威爾遜網(wǎng)絡(luò)得到 6 個肢體導(dǎo)聯(lián)信號. 3.1.2 屏蔽驅(qū)動電路 獲取心電信號的電極與電路的緩 沖放大器之間是由一條長約 1.5m 的導(dǎo) 聯(lián)線(多股帶屏蔽層的電纜相連接.導(dǎo)聯(lián)線的輸入線線心與屏蔽層之間存在 著一定數(shù)量的分布電容(大約每米 100pF, 為消除干擾, 均將屏蔽層良好接地. 在頻率為 50Hz 時,屏蔽層分布電容(約 200pF的容抗可達(dá)幾兆歐,與前 置放大器的輸入阻抗差不多,由于兩者并聯(lián),就降低了信號放大電路的輸入 阻抗.同時由于各股心線的屏蔽電容值不完全相同,又造成前置放大器兩端 的輸入阻抗不平衡,導(dǎo)致電路的共模抑制比下降. TI 器 件 OPA23

11、35 屏蔽驅(qū)動電路如圖 3_2 所示.此時屏蔽地即是信號地.屏蔽驅(qū)動電路可 以消除屏蔽分布電容的影響,因?yàn)樗鼘?shí)際上是一個電壓跟隨器,輸入阻抗很 高 . 它的同相輸入端接威爾遜網(wǎng)絡(luò)的中心點(diǎn), 即信號地, 而輸出端接屏蔽地. 這樣既保證了屏蔽層的地與信號地之間是等電位,又可以將屏蔽地與信號地 隔離開來,保持了輸入電路的高輸入阻抗. 2 3.2 電源電路 電源電路如圖 3_3 所示, 由于系統(tǒng)的低功耗特性, 提供給所有芯片的供電必 5 計設(shè)路電端前儀圖電心耗功低聯(lián)導(dǎo)六 路電動驅(qū)蔽屏 2_3 圖 學(xué)大南東 須是標(biāo)準(zhǔn)正負(fù) 2.5V 電壓. 在本設(shè)計中我們采用的方案是將輸入電壓通過 7805 進(jìn) 行穩(wěn)壓后

12、輸入 1117-25 芯片,從而得到標(biāo)準(zhǔn) 2.5V 電壓.再通過 MAX828 芯片將 2.5V 電壓轉(zhuǎn)換成負(fù) 2.5V 電壓. 我們在每個電源的輸入輸出端都對地接了兩個電容, 大電容作為電路的蓄能 電容,減小自激振蕩,小電容則旁路掉該器件的高頻噪聲. TI 器 件 LT111725 3.3 信號放大電路及設(shè)計參數(shù) 信號放大電路及設(shè)計參數(shù) 放大電路 心電信號放大電路將輸入電路選擇的心電信號進(jìn)行處理并放大, 主要包括前 置放大電路,濾波電路和主放大電路三個部分. 3.3.1 前置放大電路 在生物電信號采集電路中,前置放大一般采用儀表放大器3,主要有共 模抑制比高,輸入阻抗大,精度高,漂移小等原因

13、.本設(shè)計使用的是 ADI 公司的 AD620,如圖 3_4 所示 右腿驅(qū)動電路由運(yùn)放 U5 和電阻電容構(gòu)成, 由對稱電阻 R6 和 R7 取出人 體共模電壓,經(jīng) AD705 運(yùn)算放大器組成反相驅(qū)動放大器施加給人體的右腿, 抵消共模干擾.電容器 C13 的值要做適當(dāng)選擇以維持右腿驅(qū)動電路穩(wěn)定性. 限流電阻 R11=1M ,取值較大,限制電流為毫安級的水平,增加了安全保 護(hù)性能,防止病人受到可能的傷害.此外,較低的偏置電流和電流噪聲,以 及較低的電壓噪聲改善了 AD620 的動態(tài)范圍,從而得到了更好的放大性能. 計設(shè)路電端前儀圖電心耗功低聯(lián)導(dǎo)六 路電源電 3_3 圖 學(xué)大南東 6 前置放大電路增益

14、理論值: A = 1+ 49.4k 2 ( R6 + R7 / R8 3.3.2 濾波電 路4 濾波電路由兩個 RC 高通網(wǎng)絡(luò),80Hz 低通電路和 50Hz 陷波電路構(gòu)成, 如圖 3_3 所示. TI 器件 OPA2335 7 分部動驅(qū)腿右 分部動驅(qū)腿右 分部動驅(qū)腿右 分部動驅(qū)腿右 計設(shè)路電端前儀圖電心耗功低聯(lián)導(dǎo)六 TI 器 件 OPA691 路電大放置前 4_3 圖 學(xué)大南東 號信模差入輸 號信模差入輸 號信模差入輸 號信模差入輸 高通電路 3dB 截止頻率理論值: f = 低通電路 3dB 截止頻率理論值: f = 陷波電路中心頻率理論值: f = 3.3.3 后級放大電路 后級放大電路

15、,即主放大電路,由兩個單運(yùn)放直接耦合構(gòu)成,由于放 大器采用正負(fù) 2.5V 供電,輸出電壓必須在該范圍內(nèi),所以放大倍數(shù)不能選 擇過大, 本設(shè)計中每級增益為 20.為了使輸出波形盡量平滑并且消除自激振 蕩,我們在每個負(fù)反饋端接了 0.033uF 的自舉電容. R R 放大倍數(shù)理論值: A = 26 × 28 = 400 R R 14 16 4 性能測試與分析 4.1 系統(tǒng)測試方法 4.2.1 輸入阻抗 輸入阻抗采用間接法測量.在輸入端串聯(lián)一個測試電阻,輸入 1V 交流 電壓,使用交流毫伏表精確測定測試電阻上的電壓,間接計算出電路的輸入 阻抗. 4.2.2 噪聲水平 在示波器上觀察波形,讀

16、出波形中毛刺的電壓值,按照放大倍數(shù),換算 成輸入端電壓值. 4.2.3 頻率特性 使用函數(shù)發(fā)生器,發(fā)出各種頻率的正弦波,分別測出輸入端和輸出端的 8 線曲頻幅 電壓值,根據(jù)測試結(jié)果制表并繪出電路在 0200Hz 之間的 計設(shè)路電端前儀圖電心耗功低聯(lián)導(dǎo)六 路電波濾 5_3 圖 1 0.3Hz 2R9 C 22 1 80 Hz 2R18 C 23 1 50 Hz 2R21C 20 學(xué)大南東 . 4.2.4 抗干擾能力 1, 共模抑制比 先輸入 1V 共模信號,測試共模增益. 再輸入 2mV 差模信號,測試差模增益. 2, 50Hz 濾波 輸入 50Hz,1V 正弦信號,測量其增益. 4.2 作品測

17、試性能數(shù)據(jù) 4.2.1 輸入阻抗 由于電壓太低,無法精確測量5.根據(jù)電路設(shè)計以及最終輸出波形可以 估測輸入阻抗必然大于 5M.大于國家規(guī)定的 2.5M. 4.2.2 噪聲水平 噪聲電壓 放大倍數(shù) 輸入端噪聲 25mV 小于國家對心電圖機(jī)規(guī)定的 35V 輸入端噪聲. 4.2.3 頻率特性 系統(tǒng)幅頻特性如圖 4_1 所示.由于心電信號主要頻率位于 0.525Hz 之 9 1列系 zH/率頻號信 021 011 001 09 08 07 06 05 04 03 02 01 0 計設(shè)路電端前儀圖電心耗功低聯(lián)導(dǎo)六 800 31V 線曲頻幅統(tǒng)系 1_4 圖 線曲頻幅統(tǒng)系 學(xué)大南東 0 002 004系 統(tǒng)

18、 006增 008益 0001 倍 0021/ 0041 0061 間,并主要集中在 10Hz 左右,50Hz 處有一個低谷,可濾除工頻干擾.故頻 率響應(yīng)滿足心電信號檢測要求. 4.2.4 抗干擾能力 1, 共模抑制比 輸入電壓 差模信 號 共模信號 輸出電壓 放大倍數(shù) 共模抑制比 5mV 1V 高于國家規(guī)定的 60dB. 2, 50Hz 濾波 輸入電壓 輸出電壓 放大倍數(shù) 最大放大倍數(shù) 衰減 8mV 0.28V 基本符合國家規(guī)定的 20dB 衰減. 綜合而言,電路的大部分符合了國家標(biāo)準(zhǔn)(僅 0Hz 濾波衰減略小于國家標(biāo) 準(zhǔn) ,電路設(shè)計基本完成了預(yù)計目標(biāo). 5 5.1 設(shè)計總結(jié)與展望 設(shè)計總結(jié)與展望 設(shè)計總結(jié) 根據(jù)測試報告, 最終得到的系統(tǒng)參數(shù)基本符合國家