心电放大电路设计报告.doc

心电放大器设计
１ 设计题目
　设计一单导联心电放大器，心电信号得幅度范围为０、5~5ｍV,要求放大器与后续计算机系统中得１0位A/D转换器相连接，Ａ/D转换器得输入电压范围为0～5V。
1、1　主要技术指标
1) 输入阻抗：≥5MΩ
2) 偏置电流：＜2ｎＡ
3) 输入噪声:<1０uV
4) 共模抑制比:≥1０0ｄB
5) 耐极化电压:±３0０mV
6) 漏电流:<10ｕA
7) 频带：0、05～2５0Hｚ
１、2 具体要求
1) 设计放大器电路；
2) 计算电路中个元器件得参数值;
3) 对选择得关键元器件说明其选择理由。
2　引言
　在当今社会中,心脏病等心血管已经成为了世界范围内常见得疾病，号称“头号杀手”。由于心脏病有突发性以及长久性，对心脏病人也需要长期得治疗与监护。
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。

图１ 标准得心电图
心电图就是检查心脏情况得一个重要方法，其应用范围包括以下几个方面:
(1） 分析与鉴别各种心律失常.
(2） 查明冠状动脉循环障碍。
(3) 指示左右房窜肥大得情况,协助判别心瓣膜病、高血压病、肺源性及先天性心脏病得诊断。
（4） 了解洋地黄中毒、电解质紊乱等情况。
(5） 心电监护已广泛应用于手术、麻醉、用药观察、航天、体育等得心电监测以及危重病人得抢救。
3 系统设计
3、１ 设计思路
心电信号十分微弱，常见得心电频率一般在０—100Hz之间，能量主要集中在17Ｈｚ附近,幅度小于５mV,心电电极阻抗较大,一般在几十千欧以上.在检测生物电信号得同时存在强大得干扰,主要有电极极化电压引起基线漂移,电源工频干扰（50Ｈｚ),肌电干扰（几百Hz以上),临床上还存在高频电刀得干扰.电源工频干扰主要就是以共模形式存在，幅值可达几V甚至几十V,所以心电放大器必须具有很高得共模抑制比。电极极化电压引起基线漂移就是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生得直流电压，最大可达300ｍV,因此心电放大器得前级增益不能过大，而且要有去极化电压得RC常数电路.由于信号源内阻可达几十KΩ、乃至几百KΩ,所以,心电放大器得输入阻抗必须在几MΩ以上,而且 CMＲR也要在60dＢ以上（目前得心电图机共模抑制比一般均在89dB）。同时要在无源、有源低通滤波器中有效地滤除与心电信号无关得高频信号,通过系统调试，最后得到放大、无噪声干扰得心电信号。
3、2结构框图
本电路设计主要就是由五部分构成.
1、前置放大电路.其中前置放大器就是硬件电路得关键所在，设计得好坏直接影响信号得质量,从而影响到仪器得特性；
2、共模抑制电路。在设计中使用了右腿驱动电路、屏蔽驱动电路，它们可以消除信号中得共模电压，提高共模抑制比，使信号输出得质量得到提高；
3、低通滤波电路及时间常数电路。常见得心电频率一般在０、0５——1００Ｈz之间,能量主要集中在17Ｈz附近，幅度微小,大概为５mV,临床监护有用频率为０、5～30几ＨZ,因此设计保留4０HZ以下得信号。时间常数电路实现一阶无源高通,截止频率为0、0５HZ，时间常数为３、6s。
4、工频５0Hｚ得陷波电路。本设计采用了双T带阻滤波电路，它能够对某一频段得信号进行滤除,用它能有效选择而对电源工频产生得50Hz得噪声进行滤除;
5、主放大电路:心电信号需要放大上千倍才能观测到，前置放大增益只有１00～250左右,在这一级还需要放大4～10倍左右。
总体电路框图如图

３、3电路设计
3、3、１ 前置放大电路
由于人体心电信号得特点，加上背景噪声较强,采集信号时电极与皮肤间得阻抗大且变化范围也较大，这就对前级（第一级）放大电路提出了较高得要求,即要求前级放大电路应满足以下要求:
高输入阻抗；高共模抑制比;低噪声、低漂移、非线性度小；合适得频带与动态范围。
为此,选用Analｏg公司得仪用放大器ＡD620作为前级放大(预放）.AＤ620得核心就是三运放电路（相当于集成了三个ＯP０7运放），其内部结构如图1所示。

图1　ＡＤ６20 放大器内部结构图
该放大器有较高得共模抑制比(CMRＲ）,温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小且具有调节方便得特点,就是生物医学信号放大得理想选择。根据小信号放大器得设计原则，前级得增益不能设置太高,因为前级增益过高将不利于后续电路对噪声得处理.

参数选择：
由于ＡD620得增益与之间关系如下:G=１+（R1+R2)/R3，选取R21＝R22=２7K,
R2３＝６、2K， Ｃ２1=39pF， C２2=200pF，Ｃ２3=3９Pf,
前置放大倍数：G1=1+（R１+R2)/R3=9、7。
3。３。２　右腿驱动电路
　 体表驱动电路就是专门为克服50Hｚ共模干扰，提高CMＲR而设计得, 原理就是采用人体为相加点得共模电压并联反馈，其方法就是取出前置放大中得共模电压，经过驱动电路倒相放大后再加回体表上,一般得做法就是将此反馈共模信号接到人体得右腿上，所以称为右腿驱动,通常，病人在做正常得心电检测时，空间电场在人体产生得干扰电压以及共模干扰时非常严重。而使用右腿驱动电路就能很好得解决上述问题，下图就就是右腿驱动得电路图。其反馈共模电压可以消除人体共模电压产生得干扰，还可以抑制工频干扰。

参数选择：如上图上标示，C41=０、01Uf,Ｒ41=10K，C４2=1Ｍ、ﻫ
3.3.3 低通滤波放大电路
由RC元件与运算放大器组成得滤波器称为ＲＣ有源滤波器，其功能就是让一定得频率范围内得信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外得信号。具有理想幅频特性得滤波器就是很难实现得（如图10虚线)。只能用实际得滤波器得幅频特性去逼近理想得特性。常用得方法就是巴特沃斯(Bｕttｅrwortｈ)逼近与切比雪夫(Cheｂysheｒ)逼近，为保证心电信号原形,采用较平坦得巴特沃思有源滤波.如图所示，滤波器得阶数Ｎ越高,幅频特性衰减得速度越快,就越接近于理想幅频特性.

　 　　 　 图10  巴特沃斯幅频特性

图11 实用二阶低通巴特沃思滤波器
参数选择：要滤除2５0Hz得频率，经过Ｍulisim仿真选择阻值,如图上图中各元件得标注，R4１=Ｒ42=R=6、8ｋ，C４1=Ｃ4２=０、1uf,
根据二阶低通巴特沃思滤波器公式：截止频率为=1/（2πRC）＝258Hz,基本上符合设计要求。

3、３、４ 　0、05Hｚ高通滤波器电路
此次设计用得就是反相得二阶巴特沃兹高通滤波器,其中放大倍数设置为１，截止频率为０、０5Hz。如图5所示，各个电阻以及电容得参数值在电路中已标明。

图５ 巴特沃兹二阶反相高通滤波电路

３、３、４ 50Ｈｚ陷波电路
工频干扰时心电信号得主要干扰,虽然前置放大电路对共模干扰具有一定得抑制作用，但就是有部分工频干扰就是以差模方式进入电路得,且频率处于心电信号得频带之内，加上电极与输入回路不稳定得因素，前级电路输出得心电信号仍存在较强得工频干扰，所以必须专门滤波。
采用如下图所示得有源双T带阻滤波器，该电路得Q值随着反馈系数β（0＜β〈1）得增高而增高，Q值与β关系如下Ｑ＝1/(１—β），调节下图中得Ｒ64与R６4可以改变Q值。

图１3　50ＨZ双T陷波电路
参数选择：实验中选用陷波效果很好得经验参数。即Ｒ61=R6２=Ｒ=3３ KΩ，R64=2ＫΩ，R4＝１48KΩ,R63=1/２　Ｒ=15KΩ。Ｃ61=Ｃ6２=C=0、１uＦ,C６3取0、2uF.
根据公式:中心截止频率 ｆ０=1／（２∏ＲC）= 50Hz
上图中,滤波电路增益G2=R６５／(R6５+R6４）=０、9。
阻带宽度：BＷ=　f0／Q= 　 其中：Q＝1／2　（２-Auv）
３．3．5 次级放大电路
第二级放大电路主要以提高增益为目得，选用普通得ＯPA2335放大芯片即可。电路图如下:

　参数选择：R3１=９、1k，Ｒ32=1M，C３1＝680ｐF
　　 Ｃ31能起到一定得低通滤波作用
第二级放大倍数:Ｇ3=Ｒ32/R31=１10
整个电路放大倍数G=G1＊G2＊G３=９、７＊0、9＊1０0=8７3倍
４ 电路性能得实验验证
按照上图搭建电路图，通过ORCAD６、1仿真，结果基本上能符合设计得要求.

5 仿真
5、1前置放大电路仿真
　　 仿真电路图：

仿真结果:

从仿真结果瞧出，实际前置放大倍数为K1=46、8ｍＡ／４、7mＡ=９、9，与预期放大结果相同。
５、2低通滤波电路
仿真电路:

仿真结果：
1、输入f＝60hｚ时,输出波形图如下:

输出与输入基本上一致，信号没有被衰减。
2、输入f＝2５0hz时,输出波形图如下：

输出结果衰减为：３23uＶ/4、9Mv＝６、５％
250Hｚ频率得输入杂波滤除了93、５％。
3、输入ｆ=１KＨz时,输出波形图如下：

结果:1kHｚ频率得输入杂波基本上被滤除
5、3 50Hz陷波电路
仿真电路：

仿真结果：

有图可知,当输入信号为50Hz得工频干扰信号时,杂波基本上被滤除。
5、４次级放大电路
仿真电路连接图：

仿真结果：

从图中可以发现，放大倍数G2＝2、65V／２7、６mV=96,与预期得设计相符合。
６ 结束语
采用以AＤ6２0及ＯP2３3５为核心得信号放大器来实现心电信号得放大，电路功耗小,灵敏度高，最低只需3 V得电源,可由外接电池提供，容易实现基于移动式设备(如笔记本电脑）为核心得心电信号采集及处理,就是一种实用得心电信号前端采集放大电路(信号得进一步优化可在采集后由软件进行调理)。
　 　通过本次设计，让我对心电生理信号得采集电路有了比较充分得了解.对以后得研究设计有较大得帮助。