心电信号放大器设计

心电信号放大器设计 一、设计用于检测人体心电信号的放大器，要求如下： 1、 输入阻抗10M。 2、 共模抑制比80dB。 3、 电压放大倍数 1000 倍。 4、 频带宽度为 0.5Hz100Hz。 5、 放大器的等效输入噪声（包括 50Hz 交流干扰）200V。 二、设计方案分析 1、 心电信号的特点及检测 人体的各种生理参数如心电、脑电、肌电等生物电信号都是属于强噪声背景下微弱的 低 频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。心电信号是人类最早研究并应用于 临床医学的生物电信号之一，与其他生物电信号相比，该信号也比较容易检测同时具有直 观的规律性。一般人体心电信号的幅值约 20V5mV ，频带宽度为 0.05Hz100Hz，由于 心电信号取自于活体，所以信号源内阻较高，且存在着较强的背景噪声和干扰。 在检测人体生物电信号时，需要采用所谓的生物电测量电极，又称引导电极来实现的， 通过引导电极将生物电信号引入到放大器的输入端。对于心电信号的检测，临床上为了统 一和便于比较所获得心电信号波形，对测定心电信号（ECG ）的电极和引线与放大器的联 接方式有严格的统一规定，称之为心电图的导联系统。目前国际上均采用标准导联，即将 电极捆绑在手腕或脚腕的内侧面，并通过较长的屏蔽导线与心电放大器相连接。标准导联 有、。 其具体联接方法如图 。 R A L A L LR L R A L A 导联 R A L L 导联 导联 L A L L 图 1 标准导联联线方法 2、 心电信号放大器设计要求及组成 根据心电信号的特点，对心电信号放大器的要求是高输入阻抗、高增益、高共模抑制 比、 低噪声、低漂移、合适的通频带宽度和输出较大的动态范围等。典型的心电信号放大器的 组成如图 所示，主要有前置放大、高通滤波、低通滤波、50Hz 陷波器、电压放大等电路。 前 置 放 大 屏蔽驱动 右腿驱动 屏蔽层 输入信号 右腿 高 通 滤 波 带 阻 滤 波 低 通 滤 波 电 压 放 大 输出信号 图 2 心电信号放大器组成框图 三、主要单元电路参考设计 1、 心电信号输入电极 电极（导联）对心电信号放大器的质量影响很大，采用的电极应该具有贴附力强、透 气性好、吸汗、电极导电性能好、极化电压低的优质电极。此外还应该具有对皮肤刺激小、 佩戴舒适、拆卸方便等优点。通常采用表面镀有 AgCI 的可拆卸的一次性的软电极，并在 电极上涂有优质的导电膏，目前已有成品可买。对于自制电极可以采用 20mm20mm 的 薄铜皮作为皮肤接触电极；用带有尼龙拉扣的布带或普通布带将电极捆绑在四肢相应位置； 在进行心电图测量前，使用酒精棉球仔细将与电极接触部位的皮肤擦净。 2、 心电信号前置级放大电路 由于心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号，所以要求前置放大器应具有高输入阻 抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力等特点，选择仪表放大器 即可满足要求。考虑到要求高共模抑制比、高输入阻抗和调试方便，不使用采用集成运算 放大器构成的仪表放大器，而是直接使用集成仪表放大器，本设计选用低成本集成仪表放 大器 AD620 实现。AD620 仪表放大器的管脚排列见图 3。AD620 作为高精度仪表放大器， 只需要用改变 1 脚和 8 脚之间的外接电阻，即可实现放大器 11000 变化范围的电压增益。 该放大器的差模电压放大倍数表达式为：G=1+49.4k/R g 。AD620 的最大失调电压仅为 50V，失调电压温漂 0.6 V/，输入电压噪声为 ，输入电流噪声HznV9 ，所以作为前置放大器可以很好的工作。为了避免在强干扰信号下，放大器HzpA1.0 输出产生失真，前置放大器的电压放大倍数不能设置过高，本设计选择电压放大倍数等于 10 倍。 另外为了消除强共模信号通过屏蔽层电容造成放大器输出的影响，一方面要求电极 （导联）线的屏蔽层不予接地，另一方面设计了自举屏蔽驱动电路，采用缓冲放大器将连 接点的共模电位驱动到屏蔽线，使引线屏蔽层分布电容的两端电压保持相等，从而消除了 共模电压由屏蔽层分布电容引起的不均衡衰减。 为了进一步提高前置放大器的共模抑制比和抗干扰能力，再采用右腿驱动电路，从根 本上降低空间电场在人体上产生的干扰。整个前置放大器的电路如图 。 1 2 3 4 5678 A D 6 2 0 R g 外 接 增 益 电 阻 - I N 输 入 信 号 负 + I N 输 入 信 号 正 - V s 负 电 源 V r e f 参 考 电 压 V o 输 出 端 + V s 正 电 源 R g 外 接 增 益 电 阻 R A R L L A + 9 V - 9 V A D 6 2 0 5 4 7 6 3 2 1 8 C 1 C 2 3 3 0 p F 3 3 0 p F R 6 . 2 k R 1 R 2 2 4 k 2 4 k L M 3 5 8 R 3 1 0 k 1 M R 4 L M 3 5 8 R 5 1 0 k C 3 0 . 0 1 u F R 6 1 M 屏蔽层 V o 1 图 3 AD620 管脚排列图 图 4 心电信号前置放大器 二、滤波器电路 正常心电信号的频率范围为 0.05100Hz，而 90%的心电信号频谱能量集中在 0.2535Hz 之间。噪声信号来源主要有工频干扰、电极接触噪声、人为运动肌电干扰、基 线漂移等，其中 50Hz 的工频干扰最为严重。为了消除这些干扰信号，在心电信号放大器 电路中，应加入高通滤波器、低通滤波器和 50Hz 工频信号陷波器。 1、 高通滤波器 高通滤波器选择典型的压控电压源二阶滤波器，电路结构如图 。该电路的典型参数 为：截止频率 ，品质因数 ，通带放大倍数 。RCf210031AQ10RAf 现要求滤波器的截止频率等于 0.05Hz，Q =0.707，取电容等于 47F，则电阻 ，选用电阻 68k。通带电压放大倍数 A0=3-k67.85.147.326R 1/Q1.586，取 R1=20k，R f=0.586R1=0.58620k=11.72 k，取 12 k。集成运算放大 器选用高精度、低漂移运算放大器 OP07。 A O P 0 7 C C R R R 1 R f V o 1 V o 2 2 0 k 1 2 k 6 8 k 6 8 k 4 7 F 4 7 F 图 5 二阶高通滤波器 2、 低通滤波器 二阶低通滤波器电路如图 。该滤波器的参数指标为：截止频率 ，品质因RCf210 数 ，通带放大倍数 。在该电路选择参数情况下，二阶低通滤波器的031AQ10A 截止频率 ，Hz4.10602.1684.32130 RCf 。30AQ A O P 0 7 C C V o 2 V o 3 6 8 k R 0 . 0 2 2 F 0 . 0 2 2 F R 6 8 k 图 6 二阶低通滤波器 3、50Hz 干扰信号陷波器 50Hz 工频信号陷波器可以采用应用广泛的双 T 型有源带阻滤波器，图 是自举式双 T 桥二阶有源带阻滤波器电路。这种滤波器的有点是品质因数可以调节，且和带阻滤波器的 中心频率无关。在该电路中，当 A2 的同相输入端接地（反馈系数最小）时，滤波器的 Q 值最小，大约为 0.3；当 A2 同相输入端的电位很接近滤波器的输出电位（反馈系数大）时， 这时滤波器的 Q 值大，但 Q 值过大会造成电路的不稳定甚至自激，一般将 Q 值选在十至 几十的范围内，调节图中 RW 可改变 Q 值大小。在图中双 T 网络参数选择下，带阻滤波器 的中心频率 ，要求滤波器的阻带Hz501047.6814.3630 Cf 宽度 BW=2Hz，则 。250Bf A 1 A 2 V o 3 R R R / 2 C C 2 C V o 4 R 1 R w 1 0 0 1 0 k O P 0 7 O P 0 7 0 . 0 4 7 u F 0 . 0 4 7 u F 2 0 . 0 4 7 u F 6 8 k 6 8 k 3 4 k 图 7 50Hz 干扰陷波器 三、电压放大器 对于末级电压放大器的要求是应该具有低噪声、低漂移，且具有足够大的电压放大能 力和一定的频带宽度，同时输出具有比较大的动态范围。由于心电信号放大器总的电压放 大倍数要求 1000 倍，前置级和高通滤波器通频带电压放大倍数分别为 10 和 1.586，所以电 压放大器的电压放大倍数为 63 即可满足要求。采用低噪声、宽频带集成运算放大器 NE5532 构成的电压放大器如图 。 A N E 5 5 3 2 R 1 V o 4 V o R w R 2 1 k 5 0 k 5 0 k 图 8 电压放大器 整个电路系统中所有的集成器件采用9V 电源电压，每个集成器件注意电源滤波。 四、电路安装与调试 1、电路安装前请仔细查阅有关集成器件的资料，并画出详细的安装电路图。 2、前置放大器调试。在图 中将输入信号端 RA 或 LA 任一端接地，将大小是 1V、频率 是 20Hz 的正弦波信号输入到 10K和 100组成的电阻分压网络，然后将 100两端 10mV 的信号输入到前置放大器中，测量其前置放大器的输出，计算其电压放大倍数。对 前置放大器共模电压放大倍数的测量方法是，将前置放大器的输入信号 RA 和 LA 两端短 接，同时对地输入 5V 频率为 20Hz 的正弦信号，测量前置放大器的输出，计算其共模电压 放大倍数。根据差模电压放大倍数和共模电压放大倍数计算共模抑制比。 3、高通滤波器调试。检查图 电路连线无误后，接通9V 电源，先输入大小为 1V 的直 流电压，测量其输出值；然后输入大小为 1V 的正弦波信号，改变其正弦波频率在 0.01Hz100Hz 变化，分别测量在 0.01Hz、0.05Hz、1Hz、10Hz、50Hz、100Hz 下的输出 电压，并求其滤波器的下限转折频率。 4、低通滤波器调试。检查图 电路连线无误后，接通9V 电源，先输入大小为 1V 的直 流电压，测量其输出值；然后输入大小为 1V 的正弦波信号，保持信号幅值不变，分别测 量频率在 1Hz200Hz 变化时的输出值，并测量出其上限转折频率。 5、50Hz 信号陷波器调试。按电路图 连线后，输入幅值为 1V、频率为 50Hz 的正弦波， 测量输出电压，调节电位器 Rw，使输出最小。测量其带阻宽度。 6、整机心电放大器调试。将前置放大、滤波器电路和末级电压放大器级联起来，在输入频 率为 20Hz、幅值为 10mV 信号情况下，观测整个放大器的输出波形，调节末级电压放大器 电路中的 Rw，使电压总增益达到 1000 倍左右。 7、在电路调试正常工作后，将电极接入人体，按照标准导联联接，可以通过示波器观察