实验三_心电放大器与右腿驱动电路的设计.docx

西安交通大学

实验三 心电放大器与右腿驱动电路的设计
一、实验目的
1.掌握用运算放大器组装的心电放大器电路及其共模抑制比的测定方法。
2.了解右腿驱动电路对于抑制共模信号和电气安全方面的意义。
3.了解心电放大器的频率特性对于心电信号波形的影响
二、实验原理
在生物信息的获取和处理中，生物电位放大器占有重要的地位。由于生物电信号一般都很微弱，所以生物电放大器必须有高的共模抑制比和足够的增益。为了减小信号传输中的衰减和失真，生物电位放大器还必须有高的输入阻抗。同时，为了保证被测对象的安全，防止发生电击事故，在电路中必须采取适当的保护措施。
心电放大器是一种重要的生物电位放大器，它可以作为生物电位放大器的代表。本实验中所用的心电放大器电路原理如图3-1所示，它可以满足上述对于生物电位放大器的基本要求。电路中共采用了五只运算放大器，其中和组成同向并联差动放大器(和可以用双运放747或单运放741)，它具有很高的输入阻抗，其差动增益
+
而共模增益为，所以这一级的共模抑制比（输入端开路时，容易引起饱和，饱和可以将①、②端短路，接地。）
的作用是进一步放大差动信号，并把双端差动输入变成单端输出，其差动增益为

调整可使其共模输出信号最小。

图3-1 心电放大电路原理图
由，，组成的三运放的放大器电路又称为仪表放大器，它具有高输入阻抗，高共模抑制比和可调的增益，在生物电位放大器中得到广泛应用。
、、、构成右腿驱动电路。、将共模电压的平均值检出，将此信号放大，倒相后加于右腿上。对于共模信号而言，这是并联电压负反馈，故使人体上的电压减小。这部分电路的等效电路如图3-2所示。

图3-2 右腿驱动电路的等效电路
图3-2中为加于人体上的共模电压。由等效电路可列出如下方程：
+ = ïí ï = + î
解之得

可见右腿对于地相当于接了一个电阻，若使人体上共模电压减小，须将此电阻值减小，这只要增大和减小就能做到。
当人体由于某中原因出现异常高电压时，饱和，这等效于病人不接地。因为放大器不能在激励右腿。这时电阻是在病人和地之间，因为阻值很大，所以限制了通过人体的电流，保护了被测者的安全。
和有关电阻，电容构成带通放大器。
高频截止频率

低频截止频率

这个带宽可以满足测量心电信号的要求。这级的增益为

当大的电流瞬变过程使饱和时，可将的输入端接地，可使恢复正常工作。
三、预习要求
实验前请阅读本实验指导书，可参阅Wcbster J·G《医学仪器——应用与设计》之§3.1～3.4，§3.10中“频率失真”一段。§6.5中“激励右腿的系统”一段。
四、实验设备和器材
1.信号发生器 SG-1005 1台
2.交流毫伏表 DF1930A 1台
3.稳压电源 HH1732C3 1台
4.心电放大板 实验自制 1块
5.运算放大器 LM741 5只
6.导线，小起子等
五、实验步骤
1．按照图3-1插接电路插电路（要求导线尽可能短，贴面包板，认真核对器件）。加电前认真检查电路是否正确。
2．调节好稳压电源的输出（±15V），关闭电源。把电源接到插好的面包上。
3. 心电放大器调零：接通电源，输入端①②短路接地。用万用表测输出端，调节调零电位器，用数字万用表检测，使输出为零。顺次序调节- 的调零电位器，使～的输出均为零。
4．测心电放大器的共模增益。关闭电源按图3-3接线，把共模信号（信号发生器输出调整到10Hz，2V有效值）加到放大器的输入端。打开电源，用交流毫伏表观察输出电压，调节使输出信号最小，记录共模输出电压USCC，计算共模增益。测量结束后，关掉电源。
注意：在以后各步骤中，凡需要改变放大器输入端接线时，将电源关闭。或将①②端短接后接地，以免放大器饱和，如果放大器进入饱和状态，可将输入接地，或切断电源1～2分钟再接通，电路即可恢复正常工作。

图3-3 测共模增益
5．测放大器的差模增益。按图3-4接线。将信号发生器输出调整到10Hz，1mV（有效值），用交流毫伏表观察，并记录差模输出电压USCD,计算差模增益。

图3-4 测差模增益
6．计算对于10Hz正弦输入信号心电放大器的共模抑制比CMRR。
7．测量心电放大器的频率特性。仍按图3-4接线，信号源输出电压1mV（有效值），改变信号源输出电压的频率（10Hz～100Hz），观察心电放大器的电压增益，并记录在表中。计算不同频率时心电放大器的电压增益，一并记入表中，在坐标纸上做出幅频特性曲线。

注意：改变信号源的频率时要保持信号源的输出电压为1mV不变。
8．观察心电信号放大，仍按图4-4接线，信号发生器换为F05型，调整心电波形输出（频率20Hz，幅度10mV）,观测心电放大器输出波形，并记录。
9．观察右腿驱动电路抑制共模信号的作用。将信号发生器输入调整到50Hz，0.2V（有效值）。按图4-5接线。图中用来模拟人体与电源之间的分布电容，用来模拟人体电阻和皮肤电极间电阻。当开关2闭合，开关3断开时，相当于右腿接地的情况。当开关3闭合，开关2断开时，相当于右腿驱动的情况。记录两种情况下心电放大器输入端的共模电压，并比较之。

图3-5 观察右腿驱动电路抑制共模信号的作用
10．观察右腿驱动电路限制通过人体的电流，保证电气安全的作用，将信号发生器输出调整到50Hz，2V（有效值）。按图3-6接线。开关2闭合，开关3断开时，相当于右腿接地的情况,开关2断开，开关3闭合时相当于右腿驱动的情况,记录两种情况下电压表的读数。由电压表读数可以计算的电流（相当于通过人体的电流）。比较两种情况下通过的电流大小。

图3-6 观察右腿驱动电路的电气安全作用
六、思考与讨论
在心电放大器电路中，如果没有（将短路），对于电路工作有什么影响？
七、实验报告要求
1.简述心电放大器具有高输入阻抗，高共模抑制比的原因，及右腿驱动的作用和工作原理。
2.完成各项实验步骤，记录实验数据，并进行所要求的分析和计算，应附有图表。
3.回答“思考与讨论”中的问题。

7