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模拟电子电路设计
——低功耗心电放大器设计报告

学院： 电气工程学院
班级：
姓名：
学号： 1412021061
日期： 2016 .7.1

1.概述
心脏是循环系统中重要的器官。由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，血液才能在闭锁的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。心肌激动所产生的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的电位。如果在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电图机(即精密的电流计)的两端，它会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图。

基本心电图如上所示，包含如下几个波段：
P波――  两心房除极时间
P-R间期 ――  心房开始除极至心室开始除极时间
QRS波群 ――  全心室除极的电位变化
ST段 ――心室除极刚结束尚处以缓慢复极时间
T波 ―― 快速心室复极时间
2.设计背景
心电放大器是一种常见的生物电放大仪器，在如今已经得到了广泛的应用，并已经研发出了便携家用的医疗仪器。心电放大器可以实时观测被测者的心电信号，有助于病征的观测，并能辅助诊断。心电放大器作为精密医疗仪器，在现代的应用越来越广泛，低成本是它的一个重要趋势。

心电信号有几个显著的特点。
1) 心电信号很微弱，其幅值为10μV（胎儿）-4mV（成人），放大倍数约为500~1000倍；
2) 频率很低，约为0.05Hz-75Hz，能量主要集中在17Hz附近；
3) 有很强的随机性，并不稳定。
4) 人体作为信号源，本身内阻很大。
5) 干扰多。如肌电等人体噪声，以及在心电放大器中不可避免的工频等设备噪声。
3.设计意义
1) 对心律失常和传导障碍具有重要的诊断价值；
2) 对心肌梗塞的诊断有很高的准确性，它不仅能确定有无心肌梗塞，而且还可确定梗塞的病变期部位范围以及演变过程；
3) 对房室肌大、心肌炎、心肌病、冠状动脉供血不足和心包炎的诊断有较大的帮助；
4) 能够帮助了解某些药物（如洋地黄、奎尼丁）和电解质紊乱对心肌的作用。
4.设计要求
1) 输入电阻>5M
2) 共模抑制比>80dB
3) 输出摆幅>2.5V（采用单片机采集时动态范围≧28）
4) 频带：0.05～75Hz
5) 功耗<5mA
6) 直流供电，使用三节1.5V干电池，便于携带
5.总体方案设计

本项目通过模拟电路对信号进行一些列处理，最终实现在示波器上显示波形。经过分析将电路大致分为几个模块，包括信号采集放大模块，信号滤波模块，信号50Hz陷波处理模块，电平提升模块。前置放大采用的是差分放大，滤波采用二阶低通滤波器，50Hz陷波采用双T网络，最后经由电平提升输出到显示屏。
6.各模块功能实现
A. 信号采集放大模块（R11表示第一个模块中第一个电阻）
A．总体概述
如下图，采用protues仿真

心电信号非常微弱，为mV量级，只有对其进行放大到适当范围才能够进行更多的采集和处理，这些都决定了信号放大电路成为整个系统设计成败的关键。如上图所示的同相并联三运放结构，这种结构可以较好地满足高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声的要求。放大器的第I级主要用来提高整个放大电路的输入阻抗。第II级采用差动电路用以提高共模抑制比。
B．信号放大
运放放大电路，采用LM358芯片构成差动放大电路，根据虚短、虚断的概念，不难分析U2:1A、U2:1B前置放大电路仅对差模信号有放大作用，差模放大倍数为（R12+2R11）/ R12倍。
AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1—1000的低功耗、高精度仪表放大器。尽管AD620由传统的三运放放大器发展规律而成,但一些主要性能却优于三运算当代器构成的仪表放大器设计,电源范围宽(±2.3V--±18V),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅为1.3mA)因而使用于低电压、低功耗的应用场合。内部增益电阻被精确确定为24.7kΩ,使得运放增益精确地由Rg确定
部增益为

其中差动放大电路部分放大了5倍，因为其本身受极化电压的影响，放大倍数应为5倍左右。而AD620核心放大器放大倍数可经过滑动变阻器调节，使这个电路的放大倍数达到100倍左右，使信号能够更好的进行滤波等后期处理。
C．无源高通滤波电路
由于心电信号本身有频带，同时也存在着诸多干扰，因而滤波电路是整个心电放大器成功的关键所在。项目中的频带为0.05Hz—75Hz，因而设计了截止频率为0.0482Hz的高通滤波电路。
截止频率为：

将高通滤波器配合差模驱动放置在前置放大电路的差动放大电路与核心放大电路之间能后有效的抑制极化电压，减小噪声，提高电路的共模抑制比。

D．右腿驱动电路
本项目中采用心电点击采集心电信号，通过采用标准导联反映肢体间的电位差，从而产生心电信号。因而需用右腿驱动电路，电路图如下：

E. 低通滤波电路模块
由于前面的高通网络已经考虑了高通滤波的情况，这里仅考虑低通滤波的情况。而且考虑高通的截止频率不高，故采用阶数太高的滤波器。本课题滤波器的作用为滤掉大于75Hz的高频的干扰。采用有源低通滤波器有一些好处，一方面有源滤波器在通带内信号不仅可以没有衰减，还可以有一定的增益，而在阻带内，其阻抗频率特性随频率而急剧改变，故选频性能好，另一方面输入阻抗高，输出阻抗低，不需要阻抗匹配，输入、输出之间有良好的隔离。巴特沃斯滤波电路实现了通过带内较高的幅值平坦性，符合心电滤波的要求。采用一阶无源高通滤波器和二阶巴特沃思低通滤波器作为本系统的滤波电路，电路图如下所示：

采用归一化算法，由R= ，取F=75Hz，C=0.1uF，得R=21.22k，取22k。

信号源为10Hz时的滤波

信号源为50Hz时的滤波

信号源为100Hz时的滤波

信号源为200Hz时的滤波

实际焊接图片

F. 50Hz陷波电路模块
带阻滤波器电路是用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过。这种滤波电路也叫陷波电路，经常用于电子系统抗干扰。在设计当中尤其要注意带阻滤波器防止发生如切频等情况。该电路的功能就是在ω=50Hz之外的信号可以通过，而在陷波处把要滤除的信号滤除掉。如图是RC双T带阻滤波选频放大器。

RC双T带阻滤波选频放大器框图
其闭环增益为：

式中，、均为信号频率的函数。
当信号频率与RC双T电路的中心频率相同时，RC双T电路的传递系数 │F│=0，此时无反馈作用，则有=，即反馈放大器增益等于开环放大器；当信号频率偏离达某值时，双T电路反馈系数│F│最大，即│F│=1，这时是深度负反馈。
∵
∴
则
显然,RC双T电路的频率特性很重要.
RC双T带阻滤波电路(如图)：

滤波器的特性参数为：
取C＝0.068µF。由，从而得R=46.9kΩ(取47kΩ)

k值越大，Q值越高，频率选择性越好，但这样会导致滤波器性能不稳定， 阻带宽度也加大。通过认真筛选元件、调整电位器RV32通过改变Ｋ值可使50Hz陷波深度达到-25dB，带宽为10Hz(45～ 55Hz)且滤波器稳定，满足心电检测的要求。

信号源为30Hz

信号源为40Hz

信号源为50Hz

信号源为60Hz

G. 电平提升模块
该部分电路主要起调节增益的作用，使输出信号可达到V的量级，电路图如下所示

因第一个模块中放大倍数接近100倍，这个模块只需放大倍数接近9~10倍即可。放大倍数通过滑动变阻器RV42来调节，如上图示波图形，放大倍数接近十倍。
在输入端加入电容组成一阶无源滤波电路。
其传递函数为：
=
得出其幅频特性为:
其中为通带内要求的放大倍数，现在考虑传递函数的后半部分
令
对于高通的情况由于w很小，所以
当截止频率f=0.05HZ时，有R41C41=2.25S,取R41=22.5K, C41=100µF，由于手上没有22.5K，所以选择了24K的。

7.关键问题或可能问题及其解决方法
1) 因为元件精度问题导致的共模变差模，降低了电路的共模抑制比以及放大器的性能。
2) 陷波电路不能在电路中起到很好的作用，增加50Hz陷波电路的Q值调制模块可以解决这一问题。
3) 右腿驱动电路在心电信号采集时十分关键，要注意右腿采集的位置以及电阻和电容的选取。
8.用到的元器件参数
LM324主要参数
电压增益 100dB
单位增益带宽 1MHz
单电源工作范围 3V----30VDC
每个运放功耗;工作电流为0.7mA
输入失调电压 2mV（最大值7mV）
输入偏置电流 50nA----150 nA
输入失调电流 5nA----50 nA
输入共模电压范围 0----V+-1.5VDC（单电源时） V- ----V+-1.5VDC（双电源时）
输出电压幅度 0----V+-1.5VDC（单电源时）
输出电流 40mA
共模拟制比：85DB

AD620

内部结构

主要参数
供电
放大倍数
共模抑制比
输入阻抗
频带宽度

1－1000
G=10时，CMRR=100dB
109Ω
G=10, 800KHz

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