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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
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