毕业设计（论文）-心电放大器的设计.doc

编 号： 审定成绩： 重庆邮电大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：心电放大器的设计学 院 名 称 ：通信与信息工程学院学 生 姓 名 ：专 业 ：电子信息工程班 级 ：学 号 ：指 导 教 师 ：答辩组 负责人 ：填表时间： 2010 年 5 月重庆邮电大学教务处制重庆邮电大学本科毕业设计（论文）摘 要心电图electrocardiogram，ECG)作为心血管疾病诊断中的一种重要的方法，能为心脏疾病的正确分析、诊断、治疗和监护提供客观指标。ECG是一种重要的心电信号检测技术，它反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。心电检测技术是一种安全、无创、准确的检测方法，其广泛应用于临床监测中。为方便人们实时了解心律的变化，根据心电信号特征设计了便携式心电图仪。本系统采用高精度通用运算放大器AD620对输入的心电信号进行放大，再进行低通滤波，滤去高频生物电，同时采用右脚屏蔽驱动电路，消除50Hz生物电和机器信号的影响，最后在数字示波器上得到清晰的心电波形。该心电图仪设计简洁，携带方便，经过调试运行流畅，能够达到观察心电信号的目的。另外本文综述了ECG基础理论、心电检测技术，并对心电信号检测技术的发展趋势作了展望。【关键词】心电放大器 心电图监测系统 心电图 心电图参数 ABSTRACTElectrocardiogram (ECG) has been an important diagnostic basis of cardiovascular disease,which can provide some objective indicators for its analyzing,diagnosing,treating and monitoring.ECG can reflect the changes of bioelectrical during the heart excitement generation transmission and recovery process.ECG detecting technology is a safe,non-invasive,and accurate method,which has been widely used in clinical monitoring.In order to facilitate people to understand the change of heart rate in real-time,designing the portable electro-cardiogram meter according to the heart electrical signal character.The system adopts high-accuracy currency operational amplifier AD620 to deal with the input ECG signal for amplification,than go along low-pass filter to filter the high-frequency bioelectricity,at the same time use the shield electric circuit with the right foot drive,by which eliminates 50Hz of electrical and machinery Signals, at last digital oscilloscope are clear display ECG.The electrocardiographs design is succinct an convenient.after debugging,it can move smoothly,and serve the purposes of observing the heart electrical signals.moreover,The basic of ECG,the detecting technology are summarized in this paper.The development of ECG detecting technology will be presented【Key words】ECG Amplifier ECG Monitoring System Electrocardiogram ECG parameter 目 录前 言1第一章 心电放大器系统概述2第一节 心电放大器系统简介和基本原理2一、心电放大器总体简介2二、心电放大器的基本参数3三、心电放大器的组成部分3第二节 心电图监测的历史与未来趋势4一、心电监测的历史4二、心电信号检测技术的发展与展望6第三节 本章小结6第二章 心电放大器方案论证及电路7第一节 前置放大电路的设计7一 、备选方案7二、最终方案12第二节 共模信号抑制电路的设计12一 、备选方案12二 、最终方案13第三节 心电放大器其他部分的设计14一 、低通滤波电路及时间常数电路15二 、工频50Hz的陷波电路15三 、主级放大输出电路17四、 高通滤波电路18五、 电源设计19第四节 本章小结20第三章 心电放大器相关数据测试21第一节 心电放大器主要参数测试21一、前置放大电路21二、二阶滤波电路21三、 双T50HZ陷波电路22四、后级主运放电路22第二节 本章小结22结 论23致 谢24参考文献25附 录 27 一、英文原文27 二、英文翻译35 三、工程设计图纸43 - 45 -前 言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（简称ECG）。图0.1 标准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ECG是检查心脏情况的一个重要方法，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)指示左右房窜肥大的情况，协助判别心瓣膜病、高血压病、肺源性及先天性心脏病的诊断。 (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、体育等的心电监测以及危重病人的抢救。 临床上，ECG是医生诊断心脏疾病的主要依据之一。第一章 心电放大器系统概述第1节 心电放大器系统简介和基本原理一、心电放大器总体简介心电信号是一种十分微弱的信号，常见的心电频率一般在0100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近，幅度小于5mV，大约在10uV（胎儿）5mV（成人）之间，所需放大倍数大约为500-1000倍。心电电极阻抗较大，一般在几十千欧以上。在检测生物电信号的同时存在强大的干扰，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的干扰。电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可达几伏甚至几十伏，所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。电极极化电压引起基线漂移是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mV，因此心电放大器的前级增益不能过大，而且要有去极化电压的RC常数电路。由于信号源内阻可达几十K、乃至几百K，所以，心电放大器的输入阻抗必须在几M以上，而且 共模抑制比（CMRR）也要在60dB以上（目前的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的高频信号，通过系统调试，最后得到放大、无噪声干扰的心电信号。心电放大器在人体心电图以及各种生物信号提取中有种要的作用。人体心电信号是微弱的生物电信号，需要较大的放大倍数和较高的共模抑制比，因此设计三运放放大电路使信号两端尽量对称，将抑制共模干扰。另外，本设计只讨论和研究心电放大器的模块，另外若采用交流供电，为防止出现电源电流泄露对病人造成伤害，还必须在心电放大器和信号采集设备间光电隔离保护电路。 大致的电路框图如下：信号发生器（心脏）心电放大器心电图显示仪器信号处理（PC或单片机）信号采集设备 DC/DC电源图1.1 心电图仪的结构图二、心电放大器的基本参数 心电放大器的主要系统参数有，输入阻抗，输入噪声，输出阻抗。除去系统参数外，每个部分还有其不同的衡量性能的参数，为了不显累赘将在第三章测试中一一详细介绍。1 输入阻抗测量方法：接好电源，将输出接地，用万用表测量两输入端之间的阻抗，即输入阻抗。测量结果：测得输入阻抗大于200M。2 输入噪声测量方法：接好电路，将两输入端接，测量其输出信号幅度的大小。测量结果：系统性能最好的时候，输出信号为0.1V，反算到输入端，可得输入噪声为45uV。3 输出阻抗测量方法：接好电路，输入小直流信号，分别测其直接输出电压和加1 负载后的电压输出，通过分压公式，可求得输出阻抗。测量结果：输出阻抗为0.4 三、心电放大器的组成部分 本电路设计主要是由五部分构成。1、放大电路。其中前置放大器是硬件电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量，从而影响到仪器的特性； 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的共模电压，提高共模抑制比，使信号输出的质量得到提高 3、低通滤波电路及时间常数电路。常见的心电频率一般在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0.530几Hz，因此设计保留40Hz以下的信号。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的陷波电路。本设计采用了双T带阻滤波电路，它能够对某一频段的信号进行滤除，用它能有效选择而对电源工频产生的50Hz的噪声进行滤除。 第二章的内容也会大致根据这几个部分划分成不同小节。第二节 心电图监测的历史与未来趋势一、心电监测的历史心电图(electrocardiogram，ECG)作为心血管疾病诊断中的一种重要的方法，能为心脏疾病的正确分析、诊断、治疗和监护提供客观指标，在临床上得到了广泛应用。ECG是一种重要的心电信号检测技术，它反映心脏兴奋地产生、传导和恢复过程ELECTR0NIC TEST中的生物电变化。危重患者易发生各种心律失常和不同程度心肌缺血，特别是恶性心律失常和无症状心肌缺血。如透析治疗过程中，血液中各种成分在短期内发生很大变化，从而导致人体内环境发生很大变化，这些变化对心脏有着直接的刺激作用，造成心电发生改变。因此，检测心电信号，及时的为医生提供信息，准确地反映心脏方面的变化，可有效地提高血液净化治疗中的安全性。1887年，法国著名的电生理学家AD Waller应用Lippman毛细管静电计描记出人类史上第一份心电图，开创了心电图记录的先河。1901年，荷兰生物学家莱顿大学教授Willem Emoven首次描记出比较满意的P-QRS-T波群，于1903年发明了世界上第一台采用弦线电流计和光学记录的方法制成的心电图机，记录出每个心动周期的心脏变化曲线，1912年Waller将心电变化曲线命名为“心电图(Electrocardiogram，ECG)。弦线型心电流计，其结构是把极细的铂丝或镀金的石英纤维支撑在强磁场的空气隙中，当心电电流通过弦时，引起弦在磁场垂直方向上的移动，再用光学投射系统放大，投射在移动的胶卷或纸上，从而真实的记录了心电图，这种方法确定了心电图测量的标准导联。1905年心电图正式应用到临床，从而奠定了临床心电图学的基础。至今，心电图已经历了100多年的发展，为临床心脏疾病的，特别是心律失常的诊断做出了巨大贡献。心电图记录技术的发展经历了模拟心电图、数字心电图和自动心电图三个阶段。单导模拟心电图仪以单导联记录为标志，由前置放大器放大由记录电极获取的某一导联的心电图信号，再通过热笔记录系统将波形描记在记录纸上。该方法属于人工操作，导联的切换、量程的切换以及走纸速度的切换均由人工操作实现，在一段时间内只能记录一个导联的心电图波形，各导联的波形不能同时获取。该方法属于心电图的经典记录方法，至今仍在临床广泛应用。数字心电图阶段以基于微处理器的多导联心电图波形同步数据采集为标志，目前有三导联同步记录和12导联同步记录两种。其特征是导联的切换、量程的切换以及走纸速度的切换实现了数字控制，波形的记录在前置放大之后采用了数字化技术将模拟心电波形变换为数字波形，实现了心电波形的数字记录、数字存储为心电信号的自动分析奠定了基础。自动心电图阶段以心电信号的自动处理、自动分析和自动诊断为标志，该阶段是迄今为止心电图技术的最高阶段。自动心电图在模拟心电图、数字心电图技术的基础上，在获取了心电图数字信号的前提下，采用各种算法对信号进行预处理、特征波形(P波、QRS波、T波和ST段)识别、特征参数检测并实现心电图自动分析与自动诊断，其核心技术在于算法。目前，算法有多种，具有代表性的算法有：数字滤波算法、小波算法、神经网络算法、模糊控制算法、形态学算法等，早期的自动诊断算法采用某一种算法，现代自动诊断算法将多种算法加以融合取长补短，以实现高准确率的自动诊断。目前，心电图的自动诊断技术仍处于发展阶段，由于ECG信号的变异性较大，实现高准确率的自动诊断以取代人工诊断仍然是人们最求的目标，当今自动诊断的最高水平大致在准确率70左右。在心电图技术不断发展的同时，针对心电图不能长时间连续看记录的缺陷，1957年，美国物理学家Holter首创了一种用磁带记录器对正常活动状态下的病人做长时间连续心电图记录的方法，开辟了时间全信息和环境全信息心电记录和诊断的新领域，从而在某种程度上弥补了常规心电图的不足之处。这种长时间连续记录的心电图称为动态心电图(Ambulator，Electrocardiogram，AEGC)，它提供的长时间动态心电图记录对心率失常的检出、早期心血管病诊断、抗心律失常治疗的评价以及心律失常和生理关系的研究具有重要意义，它是常规心电图的重要补充与发展。早期的Holter系统中，马达变速、定期保养和更换是磁带记录的一大难题，1985年后出现了固态Holter系统，它把心电信号转换成数字信号后存储在芯片上，避免了马达引起的一些问题。目前各大、中型医院已经采用了以RAM作缓冲、磁光记录的Holter系统。90年代以来，国外多导同步心电检测技术日趋成熟，这是心电检测系统的重大发展和进步。进入21世纪，心电产品正向着数据检测多样化，数据处理中心化以及设备小型化等方面发展。心电图自动诊断还未广泛普及应用于临床，从国内外目前的发展水平来看，ECG自动分析准确率还远达不到可以完全替代医生的水平，仅可以为临床医生提供辅助信息。其主要原因是心电波形的变异性大，算法存在缺陷等。因此，探索新的算法以提高波形识别的准确率，是提高心电图自动诊断准确率，扩大其应用范围的根本途径。这也是相当长的时间内ECG检测与诊断技术的发展方向。二、心电信号检测技术的发展与展望仪器小巧化，采集同步化：随着集成电路技术的发展，心电检测仪器趋于小型化和便携化，便携式心电监护仪，Hoter系统和心脏BP机等都代表了此发展趋势。分析自动化：ECG自动诊断技术应用范围并不十分广泛，主要是目前还缺乏一套完全令人满意的算法。因此在ECG自动分析领域还需要作大量的研究工作。信息综合化，网络化：建立心电工作站和完善的心电检测数据库，完善心电分析内容，结合临床提供的其他信息资料进行综合化信息分析判断。心电检测设备与互联网相连以实现心电信号的现场采集，即时传输和远程诊断将是未来发展的一个重要方向。标准统一化：建立国际上统一的心电信息资料传输标准，使得不同类型得心电检测设备采集的心电图信息能够相互传输和交流。第三节 本章小结本章节主要介绍了心电放大仪器的设计思路，并着重介绍了本论文讨论的心电放大器部分的内容，基本上都是理论的简单了解。不过从总体上来说，本论文研究的问题也更偏重于实际运用，所以本章显得略微简洁明了，只求为后续章节提供理论的依据。第二章 心电放大器方案论证及电路 第一节 前置放大电路的设计一 、备选方案前置放大器是硬件电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量，从而影响到仪器的特性。除了要求精度高稳定之外，根据心电信号的特点，前置级应该满足下述要求：（1） 高输入阻抗。被提取的心电信号是不稳定的高内阻的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。一般情况下，信号源的内阻为100k，则放大器的输入阻抗应大于1M。（2） 高共模抑制比（CMRR）。人体所携带的工频干扰以及所测量的信号以外的生理信号的干扰，一般为共模干扰，前置级须采用CMRR高的差动放大形式，以减少共模干扰的传递。（3） 低噪声、低漂移。主要作用是对源信号的影响小，拾取信号的能力强，能够防止输出饱和、使输出稳定。1、三运放差分电路如图所示的同相并联三运放结构，这种结构可以较好地满足上面三条要求。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图2.1 三运放差分放大电路电路中输入级由A3、A4两个同相输入运放电路并联，再与A5差分输入串联的三运放差分放大电路构成，其中A1、A2是增加电路的输入阻抗。电路优点：差模信号按差模增益放大，远高于共模成分（噪声）；决定增益的电阻（R1、Rp、R3）理论上对共模抑制比没有影响，因此电阻的误差不重要。电路对共模输入信号没有放大作用，共模电压增益接近于零。这不仅与实际的共模输入有关，而且也与A3和A4的失调电压和漂移有关。如果A3和A4有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作为共模信号出现，没有被放大，还能被第二级抑制。这样对于A3和A4的漂移要求就会降低。A3和A4前置放大级的差模增益要做得尽可能高，相比之下，第二级（A5）的漂移和共模误差就可以忽略，对放大器的要求就可以大大降低。当R3=R4，R5=R6时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即： 由此可知，上述电路具有输入阻抗高，共模抑制比高等优点，可作为通用仪用放大器使用。2、用INA128仪用仪表放大器来实现 一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。绝大多数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。集成化仪器放大器作为心电前置放大器时，由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。可在前置放大器的输入端加上隔直电容（高通网络）来避免极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状态，但由于信号源的内阻高，且两输入端不平衡，隔直电容（高通网络）使等共模干扰转变为差模干扰，严重地损害了放大器的性能。 为了实现心电信号的放大，设计电路如下： 图2.2采用INA128进行心电信号的放大 （1）、前级采用运放A1和A2组成并联型差动放大器。理论上，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。另外，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。 （2）、 阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。 （3）、后级电路采用仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。 从理论上计算整个电路的共模抑制比为： 或式中：CMRTotal或CMRRTotal放大器的总共模抑制比；CMR1第一级放大器的共模抑制比；CMR2或CMRR2第二级放大器的共模抑制比；A1d、A1c、A2d和A2c分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。 3、利用AD620来设计放大电路AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为11000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放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。 图2.3AD620芯片引脚图图2.3、2.4分别是AD620的引脚图和结构简图。AD620的工作原理：AD620是在传统的三运放组合方式改进的基础上研制的单片仪用放大器。输入三极管Q1和Q2提供了唯一双极差分输入，因内部的超处理，它的输入偏移电流比一般情况低10倍。通过Q1-A1-R1环路和Q2-A2-R2环路的反馈，保持了Q1，Q2集成极电流为常量，所以输入电压相当于加在外接电阻Rg的两端，从输入到A1/A2输出的差分放大倍数为。由A3组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与REF管脚电位有关的单路输出。由输入三极管集成电极电流和基极电阻确定的输入电压噪声减小到9nV。内部增益电阻R1和R2被精确确定24.7k,使得运放增益精确地有Rg确定: 或 图2.4AD620结构简图 AD620由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点，特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合。4、利用MAX4194来设计放大电路MAX4194具有轨-轨的特性，放大器输入端设计有高通滤波器，可以抑制极化电压，MAX4194的失调电压不到100uV，因此其电压增益可取较大值，获得较高的共模抑制比。 图2.5芯片连接图 图2.6 芯片引脚图图2.7AD620、MAX4194的输入缓冲电路图如图所示是AD620、MAX4194的输入缓冲电路，可以提高输入阻抗，通过最右边的电阻网络取出共模信号，可以进行共模驱动，再经过反向放大可以做右腿驱动，能获得较高的共模抑制比。二、最终方案 综合考虑，AD620是一个最适合的放大器，它只要用一个外部电阻就可以进行11000的放大倍数，精度也较高，而且是DIP封装便于使用，所以在选择放大电路的时候运用AD620芯片。带输入缓冲实用AD620芯片的具体电路如下：参数选择：实际电路中去掉由22K的电阻和220pF的独石电容组成无源低通滤波器，在N1、N2之前分别串联一个10K的电阻，其作用是限流，然后选择了跟随器来稳定电压。可以防止运放差动输入电压大于0.7V。运放采用四运放TL084。R-R电阻网络中的电阻取10K，选取的时候通过测量选取阻值基本一样的电阻。第二节 共模信号抑制电路的设计一 、备选方案1、有源屏蔽驱动电路有源屏蔽驱动电路可以用来消除共模电压。为病人做心电检测时，电极与心电图机的前置放大器（或缓冲放大器）之间是由导联线连接的，导联线的中芯线与屏蔽之间存在着一定数量的分布电容C的存在，会降低整机的输入阻抗，由于各屏蔽分布电容数值不可能一致，造成各缓冲放大器的输入阻抗不平衡，致使放大器的共模抑制比降低。有源屏蔽驱动电路是将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压1：1地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，它消除了屏蔽电缆电容的影响，提高了电路的共模抑制能力。屏蔽驱动对于减少50Hz共模干扰也很有用。2、右腿驱动电路体表驱动电路是专为克服人体承载的共模干扰（主要是50Hz共模干扰），提高CMRR而设计的，原理是采用以人体为相加点的共模电压并联负反馈，其方法是取出前置放大级中的共模电压，经驱动电路倒相放大后再加回体表上，所以称为右腿驱动。之所以是右脚还有另外一个原因，因为右脚比左脚离心脏更远，所以测试来更准确。虽然AD620的共模抑制比较高，但当接入其他电路时，其共模抑制比会变得较低，我们在提高共模抑制比的同时，也要考虑用直接降低共模信号的方法来提高其值，右腿驱动电路就是一个很好的降低抑制共模信号的方法，在右腿接入一反向放大器，并与仪表放大相连，可以将共模信号抑制1K倍（K为反向放大增益），从而有效的降低了共模信号。 前置放大级 图2.8与并联型跟随输入前置放大器相配合的驱动电路二 、最终方案 选择了方案二，因为这种方案更加通用有效。而加上前置放大电路还需要讨论导联输入，导联线又称输入电缆线。其作用是将电极板上获得的心电信号送到放大器的输入端。心脏电兴奋传导系统所产生的电压是幅值及空间方向随时间变化的向量。放在体表的电极所测出的ECG信号将随不同位置而异。心周期中某段ECG描迹在这一电极位置不明显，而在另一位置上却很清楚。为了完整描述心脏的活动状况，应采用多电极导联方式测量心电信号，基于现在的实验条件及要求，选择3导联方式：左臂（LA），右臂（RA）以及右腿（RL）。各导联线以不同颜色的标志来表示所接的部位。为了减少连接时发生错误，国际统一规定字母和导线色标为：R-右臂（红）；L-左臂（黄）； RF-右腿（黑）。具体电路图如下，而测试时，将测试者的的左手与LA端相连，而右手与RA相连。右脚与RL端相连。 图2.9与并联型跟随输入前置放大器相配合的实际驱动电路参数选择：实际电路中考虑功耗问题，R6取10 K，R8取10M，K= -R8/R6=-100，R7=1M为限流保护电阻，为使电路更简便去掉了起稳定作用的CF。第三节 心电放大器其他部分的设计一 、低通滤波电路及时间常数电路 图2.10简单二阶低通滤波器级跟随器选用了二阶简单滤波器。二阶简单低通滤波器的截止频率的计算公式是 。参数选择：，所以截止频率由公式算得。二 、工频50Hz的陷波电路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。即是说，虽然前端采用集成化器件已经有了很高的共模抑制比，但由于它不能消除干扰以及后级电路再次引入50Hz工频干扰，在电路的最后部分仍需加入50Hz陷波器，其可以采用双T带阻滤波器，其品质因数与反馈系数有一定比例关系，但并不是品质因数越大越好，品质因数越大，其也越大，电路将出现不稳定甚至自激振荡。根据理论图2.11,引入负反馈改善选频作用。而,，。 图2.11 50HZ双T陷波电路理论图参数选择：参数通过计算得到。即, 所以，RV3、RV4取14.468 K，RV1通过电位器调至0.22 K左右，R19在2 K左右，RV5取7.234 K。C4、C5取0.22uF，C3取0.44uF。图2.12 50HZ双T陷波电路实际电路图三 、主级放大输出电路主放大电路为反向放大器，因为反向放大器较同向放大器性能更稳定，电路设计如下图所示。经过各模块电路的设计，获得的信号再经过放大即可输出到示波器上显示了。参数选择： R13=R14=200,RV2=10K，K=-RV2/R13=-50。系统总放大倍数为前置倍数*隔离放大倍数*主放大倍数=1000*隔离放大倍数，其中隔离放大倍数为13。图2.13 主级放大器实际电路图4、 高通滤波电路采用了简单的一阶高通滤波器，其截止频率为。具体电路如下图所示。参数选择：,仍然选择经济实用的TL094芯片作跟随器电路的芯片。又截止频率计算得：图2.14 一阶高通滤波器实际电路图五、 电源设计电源中采用直流供电，用的担电源，取中间值为地。运放采用正负供电，用作驱动，防止流入地线的电流过大，仍然采用了TL084芯片作为放大器。电源通过连线分别接入以上各个部分。图2.15 电源实际电路图6、 其他部分的讨论虽然本论文只讨论心电放大器部分，但是仍然需要简述一下另两个在实际心电放大器的重要组成部分。它们都是为了保证在使用心电放大器的过程中人的安全而设计的防止触电的部分。1、DC/DC:直流/直流转换电路主要的目的是进行电压的变换及隔离因为直流不能直接通过变压器升、降压，所以先将直流通过开关电路变成交流，频率一般是几百K，这时的交流波形没有交流电正弦波那样好。变成交流后通过变压器进行变压，输出的交流通过整流、滤波、稳压等电路变回直流。当然变压器的磁心一般是锰锌铁氧体的，不能用硅钢片的。2、光电隔离电路为了降低由电容耦合产生的位移电流，保证人体生命安全，有必要使用光电隔离电路，它使前级放大器与后级放大器之间没有电的联系，提高了抗干扰型和安全性。第四节 本章小结本章主要介绍了心电放大器设计电路方面的问题，基本上是分模块来讨论的，对于有多个方案电路的模块均理论联系实际给出了最终的解决方案，也就是实际心电放大器所用的电路。第三章 心电放大器相关数据测试 第一节 心电放大器主要参数测试一、前置放大电路1、差模增益测量方法：差动输入端，一端接信号源信号，另一端接地，输入信号为17.6mV，测量AD620的输出端对地的电压，其值为0.285V。所以，差模增益为16.2，而最初测量值为20，由此判断AD620可能出问题了，换一块芯片按以上方法再测一次，输出端电压为0.354V，差模增益为20。2、共模抑制比测量方法：两输入端输入50Hz共模信号，测量输出端对地电压。输入1.78V输出0.34V。最初测量时，输入2.18V输出2mV。所以，共模增益为：0.19，最初为0.92*10E-3。共模抑制比为：CMRR=20log(16.2/0.19)=38.6dB最初共模抑制比为：CMRR=86.7dB二、二阶滤波电路测量方法：实际应用中两个二阶滤波连接到一起后，输入一定电压幅度的正弦波，调节其频率，观察输出电压幅度的变化。测得，信号30Hz时开始有幅度衰减，约33Hz时衰减3dB，50Hz时减为原幅度的1/3。三、 双T50HZ陷波电路1、陷波中心频率测量方法：不断调节信号发生器信号的频率，寻找输出信号幅度最低的频率。测得，中心频率为49.48Hz。2、50HZ处的陷波深度测量方法：将信号频率调至50.0Hz，分别测量输入信号和输出信号的幅度。测得，输入17.55V输出1.375V，陷波深度为22dB。3、陷波带宽测量方法：不断调节信号发生器信号的频率，寻找输出信号幅度为原来0.707倍的频率。测得，带宽为0.7Hz。四、后级主运放电路增益测量方法：连好主运放电路，输入一定大小的信号，测其输出信号，其比值即运放增益。测得，增益与理论值相等，为50倍。第二节 本章小结测量调试时电路完成的真正最后一件事。完成了调试所有的问题都告一段落，一切都用数据来说话。本章主要针对测试的数据一一详细描述。由信号发生器作为信号源，示波器采集并显示最终的波形图。 结 论睡眠呼吸暂停综合症是目前威胁人类生命的主要疾病之一，而睡眠呼吸暂停综合症自动分析仪国内的自主研发目前基本是空白的，国际上也正处在研发的初级阶段，应用前景广阔。心电图自动检测与分析作为其中的一个分支，也显示出极大的市场需求潜力。由于心电信号容易受外界干扰和噪声的影响，以及心电信号容易受自身状态变化的影响，心电波形可谓千变万化，容易发生畸变，幅度较小，频率较低，极易受噪声干扰，在检测时难度更大。心电检测技术具有无创伤、观察方便、汇报及时且能在治疗的同时快速、准确地提供心脏方面的变化，同时它又可以有效地提高各种疾病治疗中的安全性。心电放大电路是心电放大仪的核心部分，它直接决定了心电放大仪的成败。研究心电放大电路对于心电放仪的研制具有比较实际的意义。本课题针对心电信号的这些特性，以简便实用可靠为原则展开研究，完成了以下工作：1分析心电信号的特性、噪声来源、导联方法，提出设计要求及总体设计方案。2研制硬件，设计前置电路和数据采集电路。在前置电路中，集成放大器AD620作为输入级，该芯片极低的失调电压及漂移和高共模抑制比保证了心电信号完好的被捕捉；隔离电路的设计可保证被测试病人的安全；通过两级放大，成功的将信号放大1000倍，使信号由毫伏级放大到伏级，同时把信号频率限制在005Hz100Hz的通带上，而且设计了陷波器抑制50Hz工频干扰。致 谢毕业设计完成了，在这个过程中我学到了很多东西。论文最难的方面在于，将理论和实际相结合，完成自己的逻辑框架；最有收获的方面是，完成整个过程，最后成了一篇文章。在论文开始的初期，我对于论文的结构以及文献选取等方面都有很多问题，所以阅读了大量前辈们所做的论文，并且结合了学校关于论文格式的要求，大致的对于论文的结构有了一定了解。值此论文完稿之际，感激之情油然而生。在此向关心过我、帮助过我的老师、同学及家人表示感谢。首先感谢我的导师李方伟教授，本文是在周老师的精心指导下完成的。从论文的选题到总体设计思想，从具体实现方法到实验结果的分析论证，再到论文写作的每个阶段，处处都倾注了周老师大量的心血。然后要感谢吴德操学长在论文完成过程总给予我最有效的建议及最无私的帮助，使我的课题得以顺利的进行，并以愉悦的心情完成论文的撰写。感谢我的室友们及朋友们，他们提供了温馨的生活环境，让我感受到了家庭般的温暖，生活上大家无微不至的关怀，使我每天都以充沛的精力、旺盛的战斗力投入到论文完成中。最后感谢我的家人，感谢他们在我求学期间对我一贯的支持和鼓励。拙笔难以尽表我的感激之情，再次对所有关心过、支持过、帮助过我的人们致以衷心的感谢。参考文献1 刘爱琴低功耗便携式心电记录仪的设计电子技术应用，2001，2792 吴水才.心电监护与血压测量微机系统的研制.医疗卫生装备： 2002.1.3 黄敏松，行鸿彦，刘建成.ECG监护仪前置放大电路的设计J现代电子技术，2007(16)：1871894 李存志.简易心电图仪的设计J.中兴通讯技术，2005.5 康华光.电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2002.陶建人6 Nazarpour,K. Ebadi,S.Sane.Fetal Electrocardiogram Signal Modelling Using Genetic Algorithm J.MEMEA,2007(10).7 Horner,S.L,Holls,W.M.Crilly,P.BSignal.Processing Based for Fetal Electrocardiogram Extraction J.CIC,2008(5).8 卢喜烈动态心电图M天津：天津科学技术出版社，2005.9 周严测控系统电子技术M北京：科学出版社，2007.10 (日)谷隆嗣数字滤波器与信号处理M北京：科学出版社，2003.11 苏丽，赵国良，李东明心电信号QRS波群检测算法研究J哈尔滨工程大学学报.20058，26(4)：513-517. 12 陈天华，韩力群，郑或.心电信号噪声的数字滤波研究J微计算机信息2008，24(6).13 李弼程，罗建书小波分析及其应用M北京：电子工业出版社，2003.14 肖咏梅，陈杭心电自动分析技术J生物医学工程学杂志2000，17(3)：339342.15 肖咏梅，陈杭心电自动分析技术J生物医学工程学杂志2000，17(3)：339342.16 罗小刚，彭承琳，郑小林等ECG信号小波变换与峰谷检测算法的研究J.北京生.物医学工程，2003，22(3)：16517l.17 王立会，潘冬明一种消除心电信号中工频干扰的陷波器的设计J.医疗设备信息2007，22(7).18 Ziarani，AK；Komd，A；A nolllinear adaptive method of elimination of power line interference in ECG signalsJ，IEEE TransBiomedEng，2002，49(6)：540-547.19 Addison PS，aVelet tmsforms and the ECG：a reviewPhysiological measurement,2005，26(5)：155-199.20 谢自美电子线路实验测试设计华中科技大学出版社200121 蔡明生电子设计高教出版社2004.22 曹细武，邓亲恺心电图各波的频率分析J中国医学物理学杂志，2001，18(1)：464823 那文鹏，王吴通用集成电路的选择与使用M北京：人民邮电出版社，200424 王海涛，郑涛心电图的阅读分析及测量方法I-j小儿急救医学，2000，7(1)：48.25 王友武，王桂英，刘宏等动态心电图若干技术伪差分析心电学杂志，1995，14(3)：183 附 录一、英文原文：Goals Of True Broad bands Wireless Next Wave (4G-5G)K.R.Santhi,Prof.V.K.Srivastava,G.SenthilKumaran,Eng. Albert Butare .Kigali Institute of Science Technology and Management (KIST),B.P.3900, Kigali, Rwanda.AbstractAs access technology increases, voice, video,multimedia, and broadband data services are becoming integrated into the same network. Fourth Generation (4G) is the next generation of wireless networks that will replace third Generation (3G) networks sometimes in future. 4G is intended to provide high speed, high capacity, low cost per bit, IP based services.4G is all about an integrated, global network thats based on an open system approach. The goal of 4G is to “replace the current proliferation of core cellular networks with a single worldwide cellular core network standard based on IP for control, video, packet data and VoIP. But while 3G havent quite arrived, researchers want to contribute their ideas to the development of an as-yet undefined wireless world that could become operational by around 2010. This paper deals with the fundamentals and issues of networks, technologies, spectrum, standards,terminals, services of 4G and about