心電圖儀的設(shè)計

本科畢業(yè)設(shè)計簡易心電圖儀的設(shè)計

摘要隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對健康的重視程度與日俱爭特別是近年來老齡化得加劇，而且心血管疾病的發(fā)病率也不斷上升。目前心血管疾病成了威脅人類生命的主要疾病，心臟病已經(jīng)成了世界上死亡率最高的疾病。鑒于這種嚴峻形勢，提高預防和監(jiān)測該疾病的手段勢在必行。而心電信號是發(fā)現(xiàn)心臟病的最直接手段。但目前醫(yī)院用的心電監(jiān)護價格昂貴，維護費用高，患者檢查的經(jīng)濟負擔重，不能做到隨時地都能檢查。因此設(shè)計一種便攜式，價格便宜且實用的心電監(jiān)護儀器具有重要意義。人體心電信號中的各種生理參數(shù)都是由復雜生命體(人體)所發(fā)出的強噪聲條件下的微弱信號（除體溫等直接測量的參數(shù)外），心電信號的幅值在10uV～4mV之間,頻率的范圍為0.05～100Hz，其中淹沒在50Hz的工頻干擾中和人體的其他信號中，檢測的過程及其方法比較的復雜。除去信號檢測過程中的干擾、噪聲，進行心電信號的分析是由心電圖儀的重要功能之一。本文考慮從人體心電信號的特點-信號微弱，低頻，高阻抗，不穩(wěn)定性和隨機性。采用了心電性信號的輸入—右腿驅(qū)動電路、三級放大電路-前臵放大，電壓放大，功率放大。并用Multisim軟件進行模擬仿真。該由運算放大器構(gòu)成的簡易心電圖儀，具有體積小，攜帶方便，實用性強等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：微弱信號；運算放大；心電圖

AbstractWiththesocialdevelopmentandcontinuousimprovementoflivingstandards,peoplewiththeemphasisonhealth,especiallyinrecentyearsatboththeagingofwarhaveincreased,andtheincidenceofcardiovasculardiseasearealsorising.Cardiovasculardiseaseiscurrentlythemainthreattohumanlifehasbecome,heartdiseasehasbecometheworld'shighestmortality.TheECGsignalisfoundinthemostdirectmeansofheartdisease.However,thehospitalECGuseexpensive,highmaintenancecosts,checktheeconomicburdenofpatientsandcannotbecheckedatanytime,anywhere.Thereforethedesignofaportabe,cheapandpracticalECGmonitoringequipmentisofgreatsignificance.Thefrequencychangesfrom0.05Hzto100Hz.Theelectrocardiacsignalisinundatedwith50Hzelectricfrequencysignalandotherperson’ssignal.Theelectrocardiacsignalisoneofthemostimportantcheckingprocedureandmethodarecomplex.WeconsiderboththecharacteristicsofhumanECG-weaksignal,lowfrequency,highimpedance,instabilityandrandomness.Withtheheartelectricalsignalinput-righdrivecircuit,three-levelamplifiercircuit-pre-amplification,voltageamplification,poweramplification..Giventhisgrimsituation,improvethepreventionandmonitoringofthediseasemeansimperative.ConstitutedbytheoperationalamplifierdesignedinthispaperasimpleECG,withasmall,portable,practicaldvantages.Keywords:Weaksingal；OpZoom； ECG 目 錄摘要............................................................................................................IIAbstract......................................................................................................III目 錄......................................................................................................IV第1章緒論.......................................................................................................11.1心電圖儀的發(fā)展史..........................................................................................11.2國內(nèi)外現(xiàn)狀................................................................................................11.3心電信號基本理論..........................................................................................21.4心電信號的特點............................................................................................3第2章心電圖儀的基本原理.........................................................................................42.1心電圖儀的基本組成框架....................................................................................42.2心電圖儀的輸入部分設(shè)計................................................................................42.2.1心電信號的檢測.........................................................................................42.2抑制心電信號中50Hz共模信號干擾的有效方法...............................................................52.3心電圖儀中心電放大部分....................................................................................63.1高頻濾波部分........................................................................................72.3.2無源高通濾波器......................................................................................72.3.3第一級放大電路......................................................................................92.3.4第二級放大電路......................................................................................102.3.5有源低通濾波電路....................................................................................113.6第三級放大電路......................................................................................12第3章用Multisim進行模擬仿真...................................................................................133.1multisim軟件介紹............................................................................................133.2放大部分的模擬仿真........................................................................................142.1第一級放大電路仿真 .................................................................................142.2第二級放大電路仿真.................................................................................162.3第三級放大電路仿真.................................................................................173.3濾波電路的仿真............................................................................................183.3.1低通濾波電路的仿真.................................................................................183.3.2高通濾波電路的模擬仿真.............................................................................193.4心電放大電路設(shè)計總圖......................................................................................20第4章總結(jié).......................................................................................................22致謝.................................................................................................錯誤！未定義書簽。參考文獻........................................................................................................23

第1章緒論1.1心電圖儀的發(fā)展史心電圖檢測是20世紀建立起來并廣泛應(yīng)用于臨床診斷和監(jiān)測的重大技術(shù)成果之一，自1903年心電圖儀問世，至今整整108周年?；仡櫺碾妶D的研究，最早始于英國的Waller（1887），他首次證實除了鴿子、青蛙的心臟外，人類心臟也存在生物電。繼Waller之后，貢獻最大的學者是荷蘭萊頓大學的生理學家愛因托芬（WilliamEinthoven，1860-1927）。1885年愛因托芬來到荷蘭西部的著名學府萊頓大學從事生理學的教學和研究工作。1889年，他開始了有關(guān)人類先點圖方面的綜合性研究。首先，他從改良Waller的毛細管電流計入手，進行了改進和校正；并對記錄曲線的四個峰點租了進一步分析和標定，采用P、Q、R、S、T標出了心電圖上的波峰和波谷，1904年，在T波之后他又記錄到另一波，命名為U波，他倡導的心電圖波命名法一直沿用至今 [1]。毛細管電流計記錄的結(jié)果處理起來仍非常耗時，難以達到實用的程度。1896年，愛因托芬對線圈式電流計產(chǎn)生興趣，為了提高儀器的靈敏度以適應(yīng)對微弱的生物電進行測量，他開始減少笨重的線圈的圈數(shù)，直到減少到一圈，最后變成了一根直線。經(jīng)過數(shù)年的無數(shù)次試驗，終于選中了一種直徑只有0.002毫米的鍍銀石英絲，以取代原來笨重的線圈和反射鏡。于1903年創(chuàng)制出第一臺弦線型心電圖描記器。愛因托芬最初設(shè)計制造的弦線式電流計重達數(shù)噸，裝滿了座落在離萊頓大學附屬醫(yī)院一英里遠的研究室中的一整間屋，為了收集醫(yī)院病人的心電圖，他用信號線將儀器與遠方的病人連接起來。從1909年，他又發(fā)表論文詳細描述了他所改進的弦線式電流計。1911年，依據(jù)他的論文，由英國電器工程師杜德爾(WilliamduBoisDuddell,1872-1917)設(shè)計出第一批推向市場的這種儀器。從此，各種不同型號的弦線式電流計被紛紛生產(chǎn)出來，并廣泛應(yīng)用于電生理學和其他學科的實驗研究。1912年，愛因托芬又研究了呼吸時心臟位臵變動對心電圖的影響，同時說明了三個導聯(lián)之間的關(guān)系，提出著名的“愛因托芬三角”的概念，進一步為心電圖原理和心電測量的方法學奠定了基礎(chǔ)，使心電圖成為20世紀對心臟病人進行臨床診斷和監(jiān)測的重要技術(shù)手段。1924年，諾貝爾基金會為表彰他在改進心電圖儀的設(shè)計和建立現(xiàn)代心電圖學方面的貢獻，授予他諾貝爾生理及醫(yī)學獎。并被后人推崇為心電圖學之父。 以后，心電圖儀不斷小型化，多功能化，數(shù)字化，并發(fā)展為十二導聯(lián)系統(tǒng) [2]。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀近些年來，在心電圖機的研究和生產(chǎn)中主要以日本、德國等發(fā)達國家占主要地位，我國心電圖機的發(fā)展，特別是在家用的心電圖儀領(lǐng)域中，比較緩慢，水平也很落后。而常規(guī)的心電圖儀有單、多道之分，雖使用起來很方便，但是價格較貴，體積巨大，只能適合在醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)療中應(yīng)用，而且對于許多偶發(fā)的，短暫性的心率失常也是無法實時監(jiān)測。雖然現(xiàn)在也有心電圖儀，可用于24小時實時監(jiān)控，但是其價格及其昂貴，使用也不方便，尤其是在攜帶方面，并且一般不能實時處理，因此并沒有在很多的領(lǐng)域中推廣使用，在家庭里的使用更是寥寥無幾。隨著社會生活節(jié)奏的不斷加快，人們對健康的意識不斷的提高，小型便攜式的心電圖機需求也越來越大。因此家用心電圖機逐漸發(fā)展壯大。但是在我國便攜式心電圖儀并不多見 [3]。1.3心電信號基本理論心臟跳動時會產(chǎn)生微弱的電流并能向身體各個部位傳導，引起人體皮膚表層的點位發(fā)生變化。由于人體的各個部位不同，與心臟距離也不同，因此，人體皮膚表層不同部位的心電電位的變化也不同。將皮膚表層特定部位之間的電位差以時間為函數(shù)記錄下來，這種記錄曲線稱為心電圖（electrocardiogram，簡稱ECG）。心電圖反映心臟興奮的產(chǎn)生，傳導和恢復過程中的生物電變化情況。正常人典型的心電圖如圖1.1所示。 圖1.1正常人典型的心電信號它是由一個P波，由一個QRS波群，一個T波和一個U波等組成，這些波形反映了心臟一次激動過程中。皮膚表層某兩點之間的電位的變化情況。P波：心臟的興奮發(fā)源于竇房結(jié)，最先傳至心房，故P波是心電圖中的所有波最先出現(xiàn)的而且也是代表著兩心房產(chǎn)生興奮過程的波。興奮是在往兩心房傳播的過程中，其中的心電信號去除極化，綜合向量首先指向的是左下肢，再逐漸的轉(zhuǎn)向左上肢。將各瞬間心房去極的綜合向量導聯(lián)起來，便形成了一個代表心房去極的空間向量環(huán)，稱為P環(huán)。P環(huán)在各導聯(lián)軸上的投影即得出各導聯(lián)上不同的P波。P波的波形小而且圓鈍，隨各導聯(lián)而稍有不同。P波寬度不超過O.11s，電壓的高度一般不超過0.25mV。P-R段：即從P波終點至QRS波群起點。正常人該段接近于基線。P一R段是由電的活動經(jīng)過房室交界而傳向心室中所產(chǎn)生,電位變化微弱，在人體的體表很難被記錄出來。P一R間期:是指從P波的起點至QRS波群的起點之間的時間間距，代表的是心房從開始興奮至心室開始產(chǎn)生興奮所需要的時間，這一期間隨著年齡增長而有延長的趨勢，成人一般約為0.12到0.20秒，年齡越小越短，超過0.21秒的稱為房室傳導的時間延長。QRS波群:表示兩個心室在興奮傳播中過程變化的電位變化。從竇房結(jié)產(chǎn)生的興奮波經(jīng)過傳導系統(tǒng)首先到的是心室間隔左側(cè)面，然后，按特定的路線和與方向，由內(nèi)層往外層依次的傳播。在隨著心室中各部位先后去極化所形成多個瞬間的綜合心電向量，而額面導聯(lián)軸上的投影，就是心電圖的肢體導聯(lián)部分的QRS復合波。QRS復合波一般包括三個波動：在第一個向下的一個波稱為Q波，在Q波后面有個向上的波稱為R波，在R波所相連的另外的一個向下波稱為S波。這三個波—Q波、R波、S波緊密相連，而且周期小于0.10秒，所以稱為QRS復合波。一般心室肌興奮傳播所需時間是指QRS復合波所占時間，一般人的QRS波群的周期在0.06到0.10秒間。S-T段：指的是從QRS復合波結(jié)束到T波開始的直線，表示心室各部興奮均處在去極化狀態(tài)，沒有電位差。一般時相似相同的電位線，向下偏移不應(yīng)超過0.05毫伏，向上偏移在肢體導聯(lián)不超過0.1毫伏，在單極心前導程中V1、V2、V3可達到0.2-0.3毫伏;V4、V5導聯(lián)中一般低于0.1毫伏。在正常心電導聯(lián)中，ST段不低于0.05mV。波:是一個波寬較長、波幅較低的電波，反映的是心室產(chǎn)生興奮后到再極化的過程。心室再極化的順序和去極化過程剛好相反，它緩慢從外層向內(nèi)層進行，在外層已去極化部分的負電位首先恢復到靜息時的正電位，使外層為正，內(nèi)層為負，因此與去極化時向量的方向基本相同。連接心室復極各瞬間向量所形成的軌跡，就是心室再極化心電向量環(huán)，簡稱T環(huán)。T環(huán)的投影即為T波。再極化過程同心肌代謝有關(guān)，因而較去極化過程緩慢，占時較長。T波與S-T段同樣具有重要的診斷意義。波：是指在T波后0.02-0.04后s出現(xiàn)的寬而低的波，一般波高在小于0.05mV，波寬約0.20。是由心s 臟舒張時各部位所產(chǎn)生的負后電位所形成的 [4]。1.4心電信號的特點作為生物的心電信號，其特點如下：①心電信號是從體表特定位臵提取的生物電信號，該信號通常十分微弱，其幅值一般不5mV.超過②低頻特性：通常心電信號頻率較低，其頻率范圍一般處于0.05Hz~100Hz之間，頻譜能量主要集中在0.25Hz~35Hz。③高阻抗特性：心電信號的信號源（即人體源）阻抗一般較大（幾K~幾十K），會產(chǎn)生較大的熱噪聲，這將給心電信號測量帶來很大誤差。④不穩(wěn)定性和隨機性：人體是在內(nèi)、外環(huán)境相適應(yīng)的條件下維持其生命活動。為適應(yīng)各種外部環(huán)境變化，人體內(nèi)各系統(tǒng)都是在相互影響中進行著變化調(diào)整，以使內(nèi)外環(huán)境保持平衡。同時人體還受到遺傳因素的影響，這些因素均會使人體的心電信號表現(xiàn)出不穩(wěn)定性和隨機性特點[5]。第2章心電圖儀的基本原理2.1心電圖儀的基本組成框架 圖2.1心電圖儀的基本組成框架①輸入部分包括從電極到導聯(lián)線，導聯(lián)選擇器等。輸出導聯(lián)線將電極引出的心電信號送入到心電圖儀的前臵放大器中。導聯(lián)選擇器的作用是不必改變?nèi)梭w電極的接線就可以進行各種導聯(lián)的轉(zhuǎn)換。②放大部分包括前臵放大器，中間級的電壓放大器和功率放大器。其作用是將微弱的心電信號放大到可以觀察和記錄的水平。③記錄部分包括記錄筆的機械移動裝臵及其控制電路等。它用于在記錄心電信號的電流變化曲線；也可以將心電信號在熒光屏上顯示出來 [6]。2.2心電圖儀的輸入部分設(shè)計 2.2.心電信號的檢測1 獲取心電信號的方法是：依靠與肢體接觸的電極，電極一般為金屬小板（如薄銅片），電極通過多股絕緣芯線絞成的屏蔽線與心電圖儀相連；在測定心電波形是，電極安放的位臵以及導線與放大器的連接方式，稱為心電圖的“導聯(lián)”。為了便于比較和判斷，臨床對常用導聯(lián)作出了嚴格規(guī)定，通常將電極安放在4肢和胸部引出心電波。在心電上廣泛應(yīng)用的是12導聯(lián)系統(tǒng)，包括標準導聯(lián)（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），加壓單極肢體導聯(lián)（aVr，aVl，aVf）和胸導聯(lián)（V1，V2,V3,V4，V5，V6）三種類型，這里僅介紹“標準導聯(lián)”。將電極綁困在手腕或腳腕的內(nèi)側(cè)面，并通過較長的屏蔽導線與心電圖儀連接的方式稱為“標準導聯(lián)” [7]。習慣上對這些電極規(guī)定了表示符號(見表2.1)。表2.1導聯(lián)標記電極的部電極的部位右臂左臂左腿右腿符號符號RALALLRL標準導聯(lián)直接把兩個肢體電極的電位加到心電放大器的輸入端，所描述的波形即為兩點電位差的變化。標準導聯(lián)的接法如圖1.2所示，具體說明如下。標準Ⅰ導聯(lián)的電極接法：RA接放大器反相輸入端（一）,LA接放大器同相輸入端（+）,RL作為參考電極，接心電放大器參考點。標準Ⅱ?qū)?lián)的電極接法：RA接放大器反響輸入端（一），LL接放大器同相輸入端（+），RL作為參考電極，接心電放大器參考點。標準Ⅲ導聯(lián)的電極接法：LA接放大器反相輸入端（—），LL接放大器同相輸入端（+），RL作為參考電極，接心電放大器參考點 [8]。2.2.2抑制心電信號中50Hz共模信號干擾的有效方法體或通電導體周圍都存在磁場。由于心電圖儀、病房和手術(shù)的照明燈等都使用50Hz的交流電供電，故人和檢測儀器均處于電磁場的環(huán)境中，于是人體會隨時攜帶50Hz的干擾電壓，會完全淹沒心電信號。消除50Hz工頻干擾方法有以下幾種。①選用輸入阻抗高的放大器，保證差分放大電路阻抗平衡，可以提高電路共模抑制比。②用共模干擾電壓驅(qū)動導聯(lián)線的屏蔽層，提高放大器對共模信號的抑制能力。當導聯(lián)引線的屏蔽層接地時，分布電容變?yōu)榉糯笃鬏斎攵藢Φ氐募纳娙軨1、C2。實際上，兩根導聯(lián)線的分布電容不可能完全相等的，加之電極阻抗Rs1，Rs2不完全相等，使得Rs1C1≠Rs2C2，從而造成共模干擾電壓的不等量衰減，使工模電壓在放大器的輸入端轉(zhuǎn)化為差模電壓。消除工模干擾電壓的一種電路如圖。將導聯(lián)線的屏蔽層不接地，而接到緩沖器A3的輸入正常。其工作原理是：電壓跟隨器A1，A2的輸入電壓分別為v+v/2、v?v/2。用兩個阻值相同的電阻R接在 IC ID IC IDA1，A2的輸出端，在中間點取出A1、A2輸出電壓的平均值，給為共模電壓V1c，該電壓經(jīng)過電壓跟隨器A3加到導聯(lián)線的屏蔽層上，于是屏蔽層和信號線（芯線）具有相同的共模電壓，使得屏蔽層和芯線之間形成的分布電容C1、C2對共模電壓不會產(chǎn)生分流作用，消除了由C1，C2引起的共模電壓不均衡衰減從而提高了前臵放大器對共模干擾信號的抑制能力。③采用50Hz帶阻濾波器（也稱陷波器）。在采用以上方法仍不能滿意地消除50Hz干擾信號時，可以子啊放大電路中加入高Q值50Hz陷波器，采用高Q值陷波器的原因是防止有用信號中的50Hz附近的成分損失過多。④采用右腿驅(qū)動電路消除人體上的共模電壓。當人體的右腿接地的時候，會有感應(yīng)電流Id經(jīng)過人體到地，形成50Hz的共模干擾電壓。為消除該干擾電壓，將右腿不直接接地，而是通過一個限流電阻Ro與右腿驅(qū)動放大器A3的輸入端相連，形成一個以人體為相加點的共模電壓并聯(lián)反饋，可以大大降低人體上的共模干擾電壓。實踐證明，在惡劣條件下，右腿驅(qū)動技術(shù)可以使50Hz共模干擾減小到1%以下 [9]。由于右腿驅(qū)動電路的蘿卜效果最好，本設(shè)計采用的是右腿驅(qū)動電路（如圖2.2所示），人體的右臂RA、左臂LA、右腿RL，分別接入該驅(qū)動電路的輸入端，輸出端的兩個信號分別輸出道心電放大電路中進行下一步的操作。圖2.2右腿驅(qū)動電路2.3心電圖儀中心電放大部分圖2.3心電放大器原理圖圖中，3個運算放大器A1、A2、A3儀表放大器，其中第一級A1、A2采用同相輸入并聯(lián)連接，按圖中的參數(shù)，其輸入阻抗約為10MΩ，運算放大器A3構(gòu)成差分放大器作為第二級，可以消除第一級輸輸出信號中的共模干擾信號，獲得很高的共模抑制比。本設(shè)計主要采用的是運算放大器對心電信號進行放大，下面對運算放大器做簡要的介紹：下圖2.4為一普通運算放大器圖2.4運算放大器一般的，運算放大器具有一個信號輸出端口和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓的放大單元，因此可采用運放制作同相、反相及差分放大器 [10]。運放的供電方式可分為單電源和雙電源供電兩種。對于雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可臵零。采用單電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。運放的輸入電位通常要高于負電源的某一數(shù)值，而低于正電源的某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設(shè)計的運放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區(qū)間變化，甚至要高于正電源或要低于負電源也是可以的。這種運放稱為軌到軌輸入運算放大器 [11]。 2.3.高頻濾波部分1 圖2.3中C3、C4用于濾除高頻干擾和噪聲。濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件?！安ā笔且粋€非常廣泛的物理概念，在電子技術(shù)領(lǐng)域，“波”被定義為描述各個物理量的取值隨著時間的起伏變化過程。該過程經(jīng)過各類傳感器的作用，被轉(zhuǎn)換為電流和電壓的時間函數(shù)，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為信號。因為自變量時間是連續(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時間信號，又習慣地稱之為模擬信號(AnalogSignal。)隨著數(shù)字式電子計算機(一般簡稱計算機)技術(shù)的產(chǎn)生和飛速發(fā)展，為了便于計算機對信號進行處理，產(chǎn)生了在抽樣定理指導下將連續(xù)時間信號變換成離散時間信號的完整的理論和方法。也就是說，可以只用原模擬信號在一系列離散時間坐標點上的樣本值表達原始信號而不丟失任何信息，波、波形、信號這些概念既然表達的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現(xiàn)代社會賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播，靠的就是波形信號的傳遞。信號在它的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，有時，甚至是在相當多的情況下，這種畸變還很嚴重，以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當中了[12]濾波，本質(zhì)上是從被噪聲?；兒臀廴玖说男盘栔刑崛≡夹盘査鶖y帶的信息的過程。 濾波主要有兩種：1是電源濾波，2是信號濾波 [13]。前者利用的是電容的儲能特性，一個接在電源兩端的電容，當電源電壓發(fā)生突變時（比如突然下降時），電容上的電壓不會發(fā)生突變，而是呈現(xiàn)一個緩慢下降過程。同樣，電源電壓突然升高時，電容的端電壓也會是一個緩慢的升高過程（簡單的說，把瞬間變化過程變成一個緩慢變化的過程，這樣有利于減少電源輸出電壓的波動，避免在元器件兩端出現(xiàn)劇烈的電源變化，如果要求變化越慢，則并聯(lián)的電容數(shù)就越多。電容容值也越大）后者利用的是電工電子里的復阻抗計算公式，電容的容抗Z=j(1/ωc)。從這里可以看出，容抗與信號的角頻率和容值都有關(guān)系，如果要對低頻信號進行濾波（ω比較?。?，則需要讓Z比較小，也就是要C足夠大。這樣當電容并聯(lián)在信號線和地兩端時，低頻信號就可以通過電容流到地（由于電容容值比較大，則容抗比較小，對于低頻信號而言，這個大電容就為信號提供了一條阻抗很小的接地通路，你可以看做是低頻信號對地短路），這樣就實現(xiàn)了對低頻信號的濾波。相反，如果選擇的電容容值比較小，就可以實現(xiàn)對高頻信號的濾波。本設(shè)計采用的是C1=C2=510pF，其電容的容值比較小，阻抗比較大。從而實現(xiàn)了對高頻干擾信號的濾波。2.3.無2源高通濾波器圖2.3中C1、R1和C2、R2組成的無源高通濾波電路用于保證整機的下限截止頻率。如圖2.5所示電路為二階無源RC高通濾波器基本節(jié),圖2.5二階無源高通濾波器圖中R1=R2=R，C1=C2=C。采用復頻域分析，可以得其電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)為：S2H(S)=U(S)/U(S)= o i 11 S+2 )+(2 ( ) RCRC （2-1）1根據(jù)二階基本節(jié)高通濾波器電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)的典型表達式：KS2H(S)=（2-2）ωS2+(P)S+ω2P 1 1 可得增益常熟為K=1，極點頻率ω= ,極偶品質(zhì)因數(shù)Q=. p RC p 3正弦穩(wěn)態(tài)時，電壓的轉(zhuǎn)移函數(shù)課寫成： |H(ωj)|= K = 1 （2-3）ω2 1ω2 1 3(1?P)+(P)(1?)+()2ω2QωRC22ω2RCω由上式可知：當ω=0時， |H(j0)|=01當ω=ω=時，|H(jω)|=QK= p p PRC13當ω=∞時，|H(j∞)|=K=1可見隨著頻率增加幅值函數(shù)增大，該電路具有使高頻信號通過的特性，故稱為高頻濾波器。由上可得，圖2.2中對應(yīng)的下限截止頻率 f= 1 = 1HZ ≈0.03H L2πR1C2 2π×5.1×106×1×10?6 Z 2.3.第一級放大電路3 如圖2.6為同相放大電路圖2.6同相放大電路在同相放大電路中，輸出通過負反饋的作用。使v自動地跟蹤v事v≈v，或n p p nv=v?v≈0。這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱虛短。 id p n由于同相和反相兩端輸入端之間出現(xiàn)虛短現(xiàn)象，而運算放大器的輸入電阻的阻值又很高，因而經(jīng)過兩端之間的i=i≈0，這種現(xiàn)象稱為虛斷 [14]。在入端的電壓大小接近相等，相位相同時它在閉環(huán)工作中的重要特征。①電壓增益根據(jù)虛短和虛斷的概念有：v≈v，i=i=0。由圖2.4可知 p n p n vi=vp≈vn=vf= 2vo （2-4）R1+R2從而可得電壓增益為 v R+R R AV=o=12=1+1（2-5）vR R i 2 2②同相放大器輸入阻抗放大器在正常運行的時候，反饋總是使反向輸入端的電壓等于同相輸入端的電壓。因此，同相輸入端與反向輸入端的電壓差總是等于零，所以，同相輸入端與反向輸入端總是不存在輸入電流的變化，ΔU/ΔI=∝ 。所以，運算放大器同相輸入端本身的輸入阻抗無窮大。如果設(shè)臵同相端對地電阻Riz，那么同相比例放大器的輸入阻抗就等于Riz。③同相放大器輸出阻抗同相比例運算放大器在正常運行的時候；輸出電壓總是滿足使反饋在反向輸入端的電壓等于同相端的電壓(Av=R1/R2+1)。如果在放大器輸出端接上負載引起輸出電壓下降，那么下降的輸出電壓就會使反饋在反向輸入端的電壓不等于同相端的電壓，于是又會引起輸出端的電壓回到Av=R1/R2+1的參數(shù).所以，在運算放大器輸出負載電流能力的范圍之內(nèi)，負載阻抗的變化不會對放大器輸出電壓產(chǎn)生影響，相當于放大器的輸出阻抗等于零 [15]。圖3.3中A1和A2采用的是同相輸入并聯(lián)連接的差模放大電路，其輸入阻抗為∞，差模增益為： v?v R+R+R A =O1O2=3 4 5 （2-6）VD1 v11?v12 R3將R3、R4、R5帶入上式得：A=103VD1即，第一級放大器的增益為103 2.3.第二級放大電路4 如圖2.7為差分放大電路差放的外信號輸入分差模和共模兩種基本輸入狀態(tài)。把信號加到兩輸入端口之間，當輸入信號vo1、vo2大小相等、極性相反時，稱為差模輸入狀態(tài)。此時，外輸入信號稱之為差模輸入信號，用vid表示。同理，把外信號加到兩輸入端口與地之間，當vo1、vo2大小相等、極性相同時，稱之為共模輸入狀態(tài)，此時的外輸入信號稱為共模輸入信號，以vIC表示。當輸入信號使vo1、vo2的大小不對稱時，輸入信號可以看成是由差模信號vId和共模信號vIc兩部分組成，其中動態(tài)時分差模輸入和共模輸入兩種狀態(tài) [16] 圖2.7差分放大電路(1)當差模輸入信號的放大作用為差模信號vId輸入(共模信號vIc=0)時，差分放大器兩輸入端的信號大小相等、極性相反時，即vo1=－vo2=vId/2,因此差動對管電流增量的大小相等、極性相反，導致兩輸出端對地的電壓增量，即差模輸出電壓vod1、vod2大小相等、極性相反，此時雙端輸出電壓為：vo=vod1－vod2=2vod1=vod,可見，差放能夠有效地放大差模輸入信號。注意：差分放大器的公共射極的動態(tài)電阻Rem對差模信號不起負反饋作用。(2)對共模輸入信號的抑制作用:當共模信號vIc輸入(差模信號vId=0)時，差放兩輸入端信號大小相等、極性相同，即vo1=－vo2=vIc,因此差動對管電流增量的大小相等、極性相同，導致兩輸出端對地的電壓增量，即差模輸出電壓voc1、voc2極性相同，大小相等，此時雙端輸出電壓為vo=voc1－voc2=0,由此可見，差分放大器對共模輸入信號具有很強的抑制能力。此外，當電路處于對稱條件時，差放具有很強的抑制零點漂移及抑制噪聲與干擾的能力。根據(jù)對第一級放大電路的分析，vo1≠vo2，其中R8=R9、R6=R7 R R R v=?8v+(1+8)9v（2-7）o3R6o1R6R9+R7o2 vo3 R8 A==? (2-8)VD2vo1?vo2R6帶入數(shù)據(jù)得：A=-10VD2即第二級放大電路的放大倍數(shù)為10倍，且相位相反。 2.3.有源低通濾波電路5 濾波器是一種能使有用信號通過，濾波信號中的無用頻率，即抑制無用信號的電子裝臵。有源濾波器實際上是具有特定頻率響應(yīng)的放大器。低通濾波器是一個通過低頻信號而衰減或抑制高頻信號的部件。理想的濾波電路的頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。但實際濾波器不能達到理想要求。為了尋找最佳的近似理想特性，主要考慮幅頻響應(yīng)，而不是考慮相頻響應(yīng)。一般的說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之，濾波器的相頻特性越好，幅頻特性越差。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，單RC網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)越多，原件參數(shù)計算月繁瑣，電路的調(diào)試越困難。任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器級聯(lián)而成，對于n為偶數(shù)的高階濾波器，可由n/2節(jié)二階濾波器級聯(lián)而成；而n為奇數(shù)的高階濾波器可以由（n-1）/2節(jié)二階濾波器和一節(jié)一階濾波器級聯(lián)而成，因此一階濾波器和二階濾波器是高階濾波器的基礎(chǔ)[17]。如圖所示 圖2.8低通濾波電路考慮到集成運算放大器同相端輸入電壓：結(jié)點9的電壓 V9=Vo4 V(s)結(jié)點8電壓V和結(jié)點9電壓V9關(guān)系為：對于V9(s)=1+sRC8 8結(jié)點8，由KCL可得：V(s?)V(s) V(s?)V(s)o38=[V(s?)V(s)]sC+89 R 8 O4 R10(2-9)(2-10)聯(lián)立上3式，并帶入數(shù)據(jù)得：該電路的傳遞函數(shù)：其上限截止頻率為： V 1A(s)=o4= ≈1 V (1+sRC)2o31(2-11)f=(2-12)H2π2πR10R11C5C代入數(shù)據(jù)的： 1 f=≈106.4HzH 2π×68×103×22×10?9 2.3.第三級放大電路6 圖2.9可調(diào)節(jié)運算放大器結(jié)點14的電壓:R V14=R+RP13V 13由虛短虛短的概念可知：結(jié)點13的電壓: V=V 13 14 V13=VO4聯(lián)立上式得：電壓的傳遞函數(shù)： V RP+R A =O5= 13VD4 VO4 R13因為RP的電壓調(diào)節(jié)范圍為：0~510KΩ所以O(shè)5(2-13)(2-14)(2-15)該運放可調(diào)的增益為11倍。第3章用Multisim進行模擬仿真3.1multisim軟件介紹隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)在電子電路設(shè)計中發(fā)揮著越來越大的作用。電子產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)手段由傳統(tǒng)的設(shè)計方法和簡單的計算機輔助設(shè)計（CAD）逐步被EDA（ElectronicDesignAutomation）技術(shù)所取代。EDA技術(shù)主要包括電路設(shè)計、電路仿真和系統(tǒng)分析 3個方面的內(nèi)容，其設(shè)計過程的大部分工作都是由計算機完成的。這種先進的方法已經(jīng)成為當前學習電子技術(shù)的重要手段，更代表著現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的時代潮流。EWB仿真軟件是multisim系列仿真軟件的前身，該軟件是加拿大IIT公司在20世紀80年代后期推出的用于電子電路設(shè)計與仿真的EDA軟件，EWB工作平臺上可建立各種電路進行仿真實驗，其元器件庫可提供萬余種常用元器件由用戶任意調(diào)用，具有高度集中、界面直觀操作方便等特點，同時還具有多種電路分析手段和各類虛擬測量儀表。2007年3月，美國NI公司又推出了最新的NICircuitSuit10軟件，NIMultisim10是其中的一個重要的組成部分，它可以實現(xiàn)原理圖的捕獲、電路分析、交互式仿真、電路板設(shè)計、仿真儀器測試、集成測試、射頻測試、單片機等高級應(yīng)用。其數(shù)量眾多的元器件數(shù)據(jù)庫、標準化的仿真儀器、直觀的捕獲界面、更簡明了的操作、強大的分析測試功能、可信的測試結(jié)果，將虛擬儀器的靈活性擴展到了電子設(shè)計者的工作平臺上，彌補了測試與設(shè)計功能之間的缺口，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，強化了電子實驗教學。其特點如下：(1)直觀的圖形界面整個界面就像是一個電子實驗工作平臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的儀器儀表可直接施放到工作區(qū)中，輕點鼠標即可完成導線的連接，軟件儀器控制面板、操作方式與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特征曲線如同在真實儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫NIMultisim10擴充了EWB的元件庫，其中包括基本元件、半導體元件、TTI，以及CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC、MCU和其他部件，用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建和修改所需元件模型，還可通過公司官方網(wǎng)站和代理商獲得元件模型的更新和擴充服務(wù)。(3)豐富的測試儀器儀表除EWB具備的數(shù)字式萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、掃頻儀、示波器、邏輯、邏輯轉(zhuǎn)換儀和字信號發(fā)生器分析儀外，還增加了瓦特表、、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和失真分析儀，而且所有儀器均可以同時多臺調(diào)用。完備的分析手段除EWB提供的直流工作點分析、交流分析、傅里葉分析、瞬態(tài)分析、失真分析、噪聲分析、參數(shù)掃描分析、傳輸函數(shù)分析、極點—零點分析、靈敏度得分析、最壞情況分析好蒙特卡羅分析外，還新增了批處理分析用戶定義分析、直流掃描分析、射頻分析和噪聲圖形分析等，能基本滿足電子電路設(shè)計和分析的要求。強大的仿真能力NIMultisim既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進行仿真，也可進行數(shù)?；旌戏抡?，尤其新增了射頻（PF）電路的仿真功能。仿真失敗的時會顯示錯誤信息提示可能出現(xiàn)的錯誤原因，仿真結(jié)果可隨時儲存和打印。完美的兼容能力NIMultisim10軟件可方便地將模擬結(jié)果以原有的文檔格式導入LABVIEW或者SignalExpress中。工程人員可更有效地分享及比較仿真數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，而無須轉(zhuǎn)換文件格式，在分享數(shù)據(jù)時減少了失誤，提高了效率 [18]。3.2放大部分的模擬仿真本設(shè)計采用的是用Multisim模擬軟件進行的仿真，首先對各個模塊電路進行模擬仿真，然后再用真實的器材搭建出電路并進行仿真。本設(shè)計可分為以下幾個部分進行：3.2.1第一級放大電路仿真第一級放大器為同相輸入差模運算放大器，由于基本差動放大電路的輸入電壓是從放大器同相端和反相端兩側(cè)同時加入的，所以其輸入電阻不夠高。如果把差動輸入信號都從同相側(cè)送入，則能大大提高電路的輸入阻抗。采用下圖所示的同相輸入結(jié)構(gòu)，輸入阻抗可高達10MΩ以上。該放大器第一級是具有深度電壓串聯(lián)負反饋的電路，所以它的輸入電阻很高。若選用相同特性的運放，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相等，再通過組成的差分式電路，共模電壓可以相互抵消，故它有很強的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓，同時該電路有較高的差模電壓增益。與基本差動放大電路的輸出電壓表達式相比，同相并聯(lián)的第一級電路并不要求外電路電阻有任何形式的匹配來保證共模抑制能力，因此也就避免了電阻精確匹配的麻煩。實質(zhì)上，第一級的輸出回路里不產(chǎn)生共模電流，加在電阻R3上的差動電壓決定了整個電路的工作電流均如此。所以電路的共模抑制能力與外電路電阻是否匹配完全無關(guān)。與基本差動放大電路相比，這種片聯(lián)結(jié)構(gòu)的電路能方便地實現(xiàn)增益上的調(diào)節(jié)，這帶來使用上的很大方便。第一級電路具有完全對稱形式，這種對稱結(jié)構(gòu)有利于克服失調(diào)，漂移的影響。選擇Al，A2的性能參數(shù)，使之彼此精確匹配，就可以充分發(fā)揮對稱電路誤差電壓相互抵消的優(yōu)點。利用電路結(jié)構(gòu)對稱，失調(diào)互補的原理，就能獲得低漂移的基本方法。進一步分析可見，A1，A2本身各自對共模電壓的抑制能力上的差異，將造成第一級電路的CMRR3的降低。設(shè)A1，A2器件的共模抑制比分別為CMRR3，CMRR4；均為有限值，則共模輸入電壓Uic使A1在它的輸入端存在共模誤差電壓U/CMRR3，使A2在它的輸入端存在共模誤差電壓UiC/CMRR4，因而在第一級輸出ic端存在共模誤差的輸出電壓。CMRR×CMRR CMRR = 3 4 （3—1） 12CMRR ?CMRR 3 4由此可見，第一級放大電路的共模抑制能力取決于運放器件和本身的共模抑制比的差異，為了使第一級放大電路獲得高共模抑制比，A1，A2器件本身的CMRR1和CMRR2的數(shù)值是否高并不重要，重要的是它們的對稱性。舉兩組數(shù)為例，設(shè)CMRR3和CMRR4分別為80dB,90dB，則第一級放大電路的CMRR12只有83dB，而如果嚴格挑選A1和A2使其共模抑制比分別為80dB,80.5dB，則第一輯放大電路的CMRR12可高達160dB。所以實現(xiàn)第一級放大電路得高共模抑制比并不困難，通?？蛇_到l00dB以上。下圖4.1放大器的理論放大倍數(shù)應(yīng)為Avd1=103，（由于心電信號P-QRS-T波形在Multisim中無此波形，以下均用30mV，60Hz的微弱交流信號代替心電信號）。在Multisim在實際仿真電路圖:圖3.1同相輸入差模放大電路其仿真結(jié)果圖3.2所示： 圖3.2同相輸入差模放大電路仿真結(jié)果圖由上圖3.2計算：4.368同相輸入差模放大電路的放大倍數(shù)為A=與理=102.98。VD1 42.416×10?3論值進行比較，A實際≈A理論 3.2.第二級放大電路仿真2 僅僅用Al,A2構(gòu)成前臵級是不足的，因為如不考慮這一級共模電壓向差模電壓的轉(zhuǎn)化，Al,A2輸出端就存在與輸入端相同的共模電壓。這樣，共模電壓在輸出端占用了一定的工作范圍，致使差動信號的有效工作范圍變小。為了割斷共模電壓在電路中的傳遞，最簡單最有效的方法是在 Al,A2并聯(lián)電路的后面接入一級差動放大，構(gòu)成的第二級放大電路。圖3.3差分放大電路其仿真結(jié)果如下圖3.4所示：圖3.4差分放大電路仿真結(jié)果圖帶入通道A（輸出）和通道B（輸入）數(shù)據(jù)可得：41.862該差分放大器的增益為A==-10VD2聯(lián)立（3—1）可得：第一級和第二級放大電路的共模抑制比為： CMRR=AV1CMRR12×CMRR5 ×CMRR+CMRR (3-2) AVD1 5 12 3.2.第三級放大電路仿真3 由于第一級放大電路、第二級放大電路和濾波電路中在實際應(yīng)用中存在一定的誤差，而影響心電圖儀的正常工作放大，因而采用第三級放大電路—同相比例放大電路，作為輸出緩存級。其理論增益為：RP A =+1 (3-3)VD4R13 按圖3.5中滑動變阻器所在位臵 50%所示，其理論值為A=6。VD4圖3.5同相比例放大電路其實際仿真結(jié)果如下圖3.6所示：圖3.6同相比例放大電路仿真結(jié)果圖由通道A（輸入）和通道B（輸出）數(shù)據(jù)可知：251.98該電路的增益為： A ==6VD441.998與實際理論值相符，即可得出結(jié)論，該同相比例放大電路的增益調(diào)節(jié)范圍為0~11。3.3濾波電路的仿真 3.3.低通濾波電路的仿真1 根據(jù)設(shè)計的要求：心電信號頻率范圍為0.05～100Hz，現(xiàn)選用2階有源低通濾波器，其理論上限截止頻率為f=106.4HzH下圖3.7為實際仿真電路圖： 圖3.7低通濾波電路 其仿真結(jié)果為： 圖3.8低通濾波電路仿真結(jié)果圖 由上圖中的數(shù)據(jù)可知，該有源低通濾波電路的上限截止頻率在102.5Hz左右，符合設(shè)計的要求。 3.3.高通濾波電路的模擬仿真2 設(shè)