模擬數(shù)字電路課程設計-心電放大電路

明德尚能博學日新PAGEPAGE19《模擬電子技術》課程設計報告心電放大電路設計2011~2012學年第2學期《模擬電子技術》課程設計報告題目：心電放大器設計專業(yè)：10級通信工程班級：通信一班姓名：高建侯磊項正中賈海汪璐璐徐晴牛淼吳斌指導教師：倪琳電氣工程系課題名稱《模擬電子技術》課程設計--心電信號放大電路指導教師（職稱）倪琳執(zhí)行時間2011~2012學年第2學期第14周學生姓名學號承擔任務高建1009131021電路仿真設計汪璐璐1009131123高通濾波器設計徐晴1009131129電壓放大器分析設計牛淼1009131113元器件參數(shù)計算項正中1009131077低通濾波器電路分析設計賈海100913102550hz干擾設計陷波器設計分析吳斌1009131069電路性能分析侯磊1009131023電路前置放大器分析設計設計目的（1）設計一個心電信號放大器，將人體的心電信號進行有效的放大（2）了解并掌握放大器使用設計要求

1、技術指標：設計一個心電信號放大器，將人體的心電信號進行有效的放大，放大器輸出信號送到后續(xù)電路進行處理和顯示。。差模電壓增益：1000誤差：±2%差模輸入阻抗：大于107Ω共模抵制比：大于80dB通頻帶:0.05Hz～200Hz設計基本要求（1）心電信號幅度一般在50uV～5mV之間；（2）信號放大后的最大值在-5V～+5V之間；摘要心臟是人體循環(huán)系統(tǒng)的核心，心臟的活動是由生物電信號引發(fā)的機械收縮。在人體這個三維空間導體當中，這種生物電信號可以波及人體各個部分，在人體體表產(chǎn)生規(guī)律性的電位變化。在人體體表的一定位置安放電極，按時間順序放大并記錄這種電信號，可以得到連續(xù)有序的曲線，這就是心電圖。本文分析了體表心電信號的特征。心電信號的各種生理參數(shù)都是復雜生命體(人體)發(fā)出的強噪聲條件下的弱信號(除體溫等直接測量的參數(shù)外)，心電信號的幅度在l0μV～4mV之問，頻率范圍為O.05~100Hz，淹沒在50Hz的工頻干擾和人體其他信號之中，檢測過程及方法較復雜。去除信號檢測過程的干擾和噪聲、進行心電信號的分析是心電儀器的重要功能之一，心電信號的放大質(zhì)量直接影響著分析儀器的性能和對人體心臟疾病的診斷。本文設計了一個心電信號檢測放大電路，充分考慮了人體心電信號的特點，·采用前置差動放大+帶通濾波器+50Hz陷波器(帶阻濾波器)組成的模式，并且利用軟件對相應的電路進行仿真，仿真結果表明電路的放大濾波性能很好，硬件電路搭建后的實驗結果也表明，電路能夠很好地完成人體心電信號的檢測放大。關鍵字：放大器心電信號目錄緒論…………………1設計基礎2.1心電信號特征分析………….22.1.1心電信號時域特征分析…………………22.1.2心電信號的電特征分析………….………32.2心電信號的噪聲來源………5電路設計3.1前置放大電路設計…………73.2一階高通濾波器電路設計………………….83.3一階低通濾波器電路設計………………….93.450Hz干擾信號陷波器設計…………………93.5電壓放大器設計……………13Multisim仿真………14總結……………16參考文獻………………………17答辯記錄及評分表………………18附錄………………19第一章緒論1人體生物信息的基本特點人體的生物信號測量的條件是很復雜的。在測量某～種生理參數(shù)的同時，存在著其它生理信號的噪聲背景；此外，生物信號對來自測量系統(tǒng)(包括人體)之外的干擾十分敏感，這是因為：(1)被測生物醫(yī)學信號的提取信號微弱：如心電信號幅度一般在10μV～4mV：要求測試系統(tǒng)具有較高的靈敏度。而靈敏度越高，對干擾也就越敏感，即極易把干擾信弓引入測試系統(tǒng)；(2)頻率低：一般在0.05Hz～200Hz，頻帶范圍不寬；工頻50Hz干擾和人體其它信號幾乎落在所有生物電信號的頻帶范圍內(nèi)，而50Hz干擾又是普遍存在的；(3)生命體為發(fā)出不穩(wěn)定自然信號的信號源：人體內(nèi)阻、檢測電極與皮膚的接觸電阻等為信號源內(nèi)阻，其阻值較大，一般為幾十千歐；(4)人體相當于一個導體，將接受空間電磁場的各種干擾信號；除了外界環(huán)境對被測信號的干擾之外，微弱信號還常常被深埋在測試系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲中?？垢蓴_和低噪聲，構成生物信號測量的兩個基本條件。本文的目的是在分析的基礎上，得到生物信號測量系統(tǒng)的強抗干擾能力和低噪聲電子設計方法，我們把抗干擾和低噪聲作為人體測量的基本條件，不只是由于人體電子測量是處于強電磁場環(huán)境中，成為無法回避的客觀事實；而且還由于抗干擾和低噪聲本來就是電子設計開始時必須予以考慮的環(huán)節(jié)。第二章設計基礎2.1心電信號特征分析2.1.1心電信號時域特征分析圖2.1典型的心電信號如圖2.1所示的正常心電圖由一系列波群組成，各段波群反映不同階段的心電信號變化，由于QRS波變化比較集中，所以給出了分解圖[11]。下面對每個波形點作詳細的介紹：(1)P波：最初產(chǎn)生的偏離的波被命名為P波，它反映心房除極過程的電位變化，代表了兩個心房的去極。(2)QRS波群：心室的激活產(chǎn)生的最大的波，它反映心室肌除極過程的電位變化。正常間隔0.08-O.12秒。典型的QRS波群是指三個緊密相連的波；第一個向下的波為Q波，這波不一定總是出現(xiàn)。QRS波的第一個向上的波為R波，繼R波后第一個向下的波為S波，發(fā)生在S波后的向上的波稱為R’。QRS是廣義的代表心室肌的除極波，并不是每一個QRS波群都具有Q、R、S三個波，一個單相的負QRS復合波被稱為QS波。(3)PR間期：從P波開始到QRS復合波開始，它代表心房肌開始除極到心室肌開始除極的時限。正常間期是O．12-2．O秒，測量是從P波的起點到QRS復合波的起點，不管初始波是Q波還是R波。它是房室傳導時間的一種度量，由于這個原因，它在臨床診斷上很有用?；€是由波的TP段建立的(T波末端到下一個P波開始)。(4)ST段：是在QRS波群以后，T波以前的一段平線。代表左、右心室全部除極完畢到復極開始以前的一段時間。該段在確定病理學上比如心肌梗塞(升高)和局部缺血(降低)上是很重要的。在正常情況下，它用作測量其它波形幅度的等電勢線。(5)T波：代表心室肌復極過程引起的電位變化。(6)QT間期：代表整個心室肌自開始除極至復極完畢的總時間。QT間期代表體現(xiàn)了心室肌肉激活間期和恢復。這個持續(xù)時間和心率的變化相反。但通常不采用QT，而采用修正QT，稱為QTC：QTC=QT+1．75(心室率—60)。體表心電圖反映的是心電信號的時域特性，經(jīng)分析可以看出ECG信號的特征段的分界處是波形上的拐點。2.1.2心電信號的電特征分析按照美國心電學會確定的標準，正常心電信號的幅值范圍在10μV-4mv之間，典型值為1mV。頻率范圍在O.05-100Hz以內(nèi)，而90％的ECG頻譜能量集中O.25-35Hz之間，心電信號頻率較低，大量的是直流成分，去掉直流，它的主要頻率范圍是O.05-100Hz，大部分能量集中在O.05-40Hz[12]。心搏的節(jié)律性和隨機性決定了心電信號的準周期和隨機時變特性。從醫(yī)學理論和實踐可以理解，心電信號受人體生理狀態(tài)和測量過程等多種因素的影響而呈現(xiàn)復雜的形態(tài).2.2心電信號的噪聲來源人.體心電信號是一種弱電信號，信噪比低。一般正常的心電信號頻率范圍為0.05-100Hz，而90％的心電信號(ECG)頻譜能量集中在0.25-35Hz之間[13]。采集一種電信號時，會受到各種噪聲的干擾，噪聲來源通常有下面幾種：(1)工頻干擾50Hz工頻干擾是由人體的分布電容所引起，工頻干擾的模型由50Hz的正弦信號及其諧波組成。幅值通常與ECG峰峰值相當或更強。(2)電極接觸噪聲電極接觸噪聲是瞬時干擾，來源于電極與肌膚的不良接觸，即病人與檢側系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能是瞬時的，如病人的運動和振動導致松動；也可能是檢測系統(tǒng)不斷的開關、放大器輸入端連接不好等。電極接觸噪聲可抽象為快速、隨機變化的階躍信號，它按指數(shù)形式衰減到基線值，包含工頻成分。這種瞬態(tài)過渡過程可發(fā)生一次或多次、其特征值包括初始瞬態(tài)的幅值和工頻成分的幅值、衰減的時間常數(shù)；其持續(xù)時間一般的1s左右，幅值可達記錄儀的最大值。(3)人為運動人為運動是瞬時的(但非階躍)基線改變，由電極移動中電極與皮膚阻抗改變所引起。人為運動由病人的運動和振動所引起，造成的基線干擾形狀可認為類似周期正弦信號，其峰值幅度和持續(xù)時間是變化的，幅值通常為幾十毫伏。(4)肌電干擾(EMG)肌電干擾來自于人體的肌肉顫動，肌肉運動產(chǎn)生毫伏級電勢。EMG基線通常在很小電壓范圍內(nèi)。所以一般不明顯。肌電干擾可視為瞬時發(fā)生的零均值帶限噪聲，主要能量集中在30-300Hz范圍內(nèi)。(5)基線漂移和呼吸時ECG幅值的變化基線漂移和呼吸時ECG幅值的變化一般由人體呼吸、電極移動等低頻干擾所引起，頻率小于5Hz；其變化可視為一個加在心電信號上的與呼吸頻率同頻率的正弦分量，在O.015-O.3Hz處基線變化變化幅度的為ECG峰峰值的15％。第三章電路設計3.1前置放大器由于心電信號屬于高強噪聲下的低頻微弱信號，所以要求前置放大器應具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、具有一定的電壓放大能力等特點，選擇儀表放大器即可滿足要求。考慮到要求高共模抑制比、高輸入阻抗和調(diào)試方便，不使用采用集成運算放大器構成的儀表放大器，而是直接使用集成儀表放大器，本設計選用低成本集成儀表放大器AD620實現(xiàn)。AD620儀表放大器的管腳排列圖和內(nèi)部電路圖分別見圖（a）、（b）圖3.2圖3.3AD620的單片結構和激光晶體調(diào)整,允許電路元件緊密匹配和跟蹤,從而保證電路固有的高性能AD620作為高精度儀表放大器，只需要用改變1腳和8腳之間的外接電阻，即可實現(xiàn)放大器1~1000變化范圍的電壓增益。AD620為三運放集成的儀表放大器結構,為保護增益控制的高精度,其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入,并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流,通過輸入級內(nèi)部運放的反饋,保持輸入三極管的集電極電流恒定,并使輸入電壓加到外部增益控制電阻Rg上。AD620的兩個內(nèi)部增益電阻為24.7KΩ,因而增益方程式為G=49.4KΩ/Rg+1(3-1)對于所需的增益,則外部控制電阻值為RG=49.4/（G-1）KΩ（3-2)AD620的最大失調(diào)電壓僅為50μV，失調(diào)電壓溫漂0.6μV/℃，輸入電壓噪聲為，輸入電流噪聲，所以作為前置放大器可以很好的工作。為了避免在強干擾信號下，放大器輸出產(chǎn)生失真，前置放大器的電壓放大倍數(shù)不能設置過高，本設計選擇電壓放大倍數(shù)等于10倍。根據(jù)公式（3-2）可知當放大器放大倍數(shù)G=10時，Rg=49.4/(G-1)=5.6KΩ；3.2高通濾波器正常心電信號的頻率范圍為0.05~100Hz，而90%的心電信號頻譜能量集中在0.25~35。Hz之間。噪聲信號來源主要有工頻干擾、電極接觸噪聲、人為運動肌電干擾、基線漂移等，其中50Hz的工頻干擾最為嚴重。為了消除這些干擾信號，在心電信號放大器電路中，應加入高通濾波器、低通濾波器和50Hz工頻信號陷波器。一階高通濾波器包含一個RC電路，將一階低通濾波器的R與C對換位置，即可構成一階高通濾波器。如圖所示為一階高通濾波器。圖3。3器件分析：C1=318uF,R1=10K,R2=20K,Rf1=10k,ADOP07AH參數(shù)分析：圖所示的濾波器是反相放大器。該電路的典型參數(shù)為：截止頻率,通帶電壓放大倍數(shù)Aup=-Rf/R1?，F(xiàn)在截止頻率是0.05Hz，C1是318uF,R=20K,取通帶電壓放大倍數(shù)是1，R1=10K，Rf=R1=10K。計算分析：G(s)=U1/U2=-Rf/(R1+1/sC1);s=jw帶入，得結果是：頻率特性G(jw)=Go/(1-jWc/W),其中Go=-Rf/R1是通帶增益，W=1/RC是角頻率。調(diào)試分析：高通濾波器調(diào)試。檢查圖電路連線無誤后，接通±9V電源，先輸入大小為1V的直流電壓，測量其輸出值；然后輸入大小為1V的正弦波信號，改變其正弦波頻率在0.01Hz~100Hz變化，分別測量在0.01Hz、0.05Hz、1Hz、10Hz、50Hz、100Hz下的輸出電壓，并求其濾波器的下限轉折頻率。結論分析：一階高通濾波器電路阻態(tài)衰減太慢，為20dB/10oct，所以這種電路一般對要求不高的濾波電路可用，如果要求高的可以用二階以上。3.3一價低通濾波器濾波器是一種能使有用頻率的信號通過而同時能對無用頻率的信號進行抑制或衰減的電子裝置。在工程上，濾波器常被用在信號的處理、數(shù)據(jù)的傳送和干擾的抑制等方面。濾波器按照組成的元件，可分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。凡是只由電阻、電容、電感等無源元件組成的濾波器稱為無源濾波器。凡是由放大器等有源元件和無源元件組成的濾波器稱為有源濾波器。由運算放大器和電阻、電容（不含電感）組成的濾波器稱為RC有源濾波器。本實驗用到的是RC有源濾波器。以下是一個一價有源低通濾波器的電路圖，它是由一級RC低通濾波電路和一個電壓跟隨器組成。圖3.4該濾波器的參數(shù)指標為：截止頻率，品質(zhì)因數(shù)，通帶放大倍數(shù)。在該電路選擇參數(shù)情況下，二階低通濾波器的截止頻率，。圖所示的所示的濾波器是反向放大器，其中傳遞函數(shù)為G（s）=EQ\F(U0(s),Ui(s))=EQ\F(Zf(s)If,Z1(s)I1)=-EQ\F(1,R1)×EQ\F(Rf,1+sGfRf)=EQ\F(G0,1+(s/Wc))式中，G0=-EQ\F(Rf,R1)為零頻增益，Wc=EQ\F(1,RfCf)為截止角頻率。其中，幅頻特性為G（s）=EQ\F(G0,1+jw/w0)其中，幅頻特性為G（w）=EQ\F(|G0|,√1+(w/w0)2)相頻特性為φ（w)=-∏-arctan(EQ\F(w,w0))3.450Hz干擾信號陷波器50Hz工頻信號陷波器可以采用應用廣泛的雙T型有源帶阻濾波器，圖是自舉式雙T橋二階有源帶阻濾波器電路圖3.5這種濾波器的有點是品質(zhì)因數(shù)可以調(diào)節(jié)，且和帶阻濾波器的中心頻率無關。在該電路中，當A2的同相輸入端接地（反饋系數(shù)最?。r，濾波器的Q值最小，大約為0.3；當A2同相輸入端的電位很接近濾波器的輸出電位（反饋系數(shù)大）時，這時濾波器的Q值大，但Q值過大會造成電路的不穩(wěn)定甚至自激，一般將Q值選在十至幾十的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)圖中RW可改變Q值大小。在圖中雙T網(wǎng)絡參數(shù)選擇下，帶阻濾波器的中心頻率，要求濾波器的阻帶寬度BW=2Hz，則。3.5電壓放大器人體心電信號是一種弱電信號，信噪比低，對于末級電壓放大器的要求是應低噪聲、低漂移，且有足夠大的電壓放大能力和一定的頻帶寬度，同時輸出具有較大的動態(tài)范圍。心電信號放大器總電壓放大倍數(shù)要求1000倍，前置級和高通濾波器通頻帶電壓放大倍數(shù)分別為10和1，所以電壓放大器的電壓放大倍數(shù)應為100。且采用低噪聲、寬頻帶集成運算放大器NE5532構成的電壓放大器如圖。圖3.6A=EQ\F(U0,UI)=EQ\F(Res2+RW2+R9,R9)根據(jù)此公式算出的最大倍數(shù)為103，實際只需100，只需把滑動變阻器調(diào)到48.5k即可，所以符合設計的要求。第四章Multisim仿真根據(jù)上面的分析，并先運用Multisim仿真:原理圖仿真結果第五章總結隨著集成電路技術、計算機和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，醫(yī)療電子儀器的發(fā)展是非常迅速的。雖然心電檢測技術很早就出現(xiàn)了，但隨著時代的發(fā)展，各種新方法和手段開始引入到心電檢測中來，心電檢測系統(tǒng)已不滿足于簡單的信號采集和顯示。主要的研究和發(fā)展趨勢包括以下幾個方面。(1)ECG分析自動化從目前國內(nèi)外的相關信息來看，ECG的分析自動化并沒有取得突破性的進展。主要是因為心電信號過于復雜，目前還缺乏一套令人滿意的算法，因此在ECG自動分析領域還需要作大量的研究工作。多種方法交叉分析是目前發(fā)展的一個熱點，如小波分析，模式識別，神經(jīng)網(wǎng)絡等。(2)小型化采集同步化隨著集成電路技術的發(fā)展，心電檢測儀器趨于小型化和便攜化。如，便攜式心電監(jiān)護儀代表了此發(fā)展趨勢。(3)網(wǎng)絡化隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，遠程醫(yī)療和診斷系統(tǒng)也慢慢的開始出現(xiàn)，因此將心電檢測設備與互聯(lián)網(wǎng)相連以實現(xiàn)心電信號的現(xiàn)場采集，即時傳輸和遠程診斷將是未來發(fā)展的一個重要方向。這樣也更有利于醫(yī)療資源共享，心電醫(yī)學的發(fā)展。(4)采集和存儲數(shù)據(jù)標準化建立國際上統(tǒng)一的心電信息資料傳輸標準，使采用不同類型心電檢測設備采集的心電圖信息能夠相互傳輸和交流，現(xiàn)在最常用和普及最廣的數(shù)據(jù)庫是MIT-BIH標準心電信號數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的建立有利于資源的共享和信息交流。第六章參考文獻[1]張開滋，劉海樣，吳杰．心電信息學．北京：科學技術文獻出版社，2011．4[2]郭繼鴻．心電學進展．北京：北京醫(yī)科大學出版社，2002．9[3]蔡建新.張唯真．生物醫(yī)學電子學．北京：北京大學出版社，2000[4]王保華.生物醫(yī)學電子學．四川：高等教育出版社，2007[5]周衍淑.張鏡如生理學2005[6]劉永明，王明時．便攜式同步心電記錄器及其遠程通信系統(tǒng)的研究．中國醫(yī)療器械雜志．2001[7]楊虎.心電遠程監(jiān)測技術進展．中國醫(yī)療器械信息．2005[8]戚繼文，高國升．遠程心電診斷傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)．數(shù)據(jù)采集與處理．2004．[9]楊福生.呂揚生生物醫(yī)學信號的處理和識別2001[10]黃大顯.現(xiàn)代心電圖學2012[11]王保華．心電技術面向末來－紀念心電圖機發(fā)明100周年．中國醫(yī)療器械雜志，2003課題名稱心電放大電路設計答辯教師（職稱）答辯時間學年第學期第周答辯記錄問題1如何提升心電信號獲取時的精度？(高建)答：心電