模拟电子技术综合性实验结题报告-简易心电信号图仪.doc

华中科技大学计算机科学与技术学院模拟电子技术综合性实验结题报告实验项目：简易心电信号图仪 专业： 计算机科学与技术 . 班级： 指导教师： .完成日期： 2013年 12 月 25日一：技术指标(a) 电压放大倍数1000，误差正负5%。(b) -3dB低频截止频率0.05Hz（可不测，由心电信号放大器的电路设计，予以保证）。(c) -3dB高频截止频率100Hz，误差正负10Hz，在200Hz处衰减大于等于10dB.(d) 通带内响应波动小于等于3dB。(e) 共模抑制比大于等于60dB.（实际测量）(f) 差模输入电阻大于等于5兆欧姆（可不测，由电路设计予以保证）。(g) 输出电压动态范围大于正负10V。（考虑到运放内部输出级三极管饱和压降通常为2V左右，所以给放大器供电的稳压电源为正负12）。二：主要元器件清单 集成电路：AD620 1片 OP-07 2片 LM324 3片 电阻： 10K 1只 20k 2只 7.5k 1只 100k 1只 5.1K 2只 15K 1只 1M 1只 2K 1只 1 K 2只 33 K 2只 电容 10 F 3只 100 nF 1只 220 nF 1只 220F 2只 1000F 2只 10 F 2只 0.1F 2只 100K欧电位器：1个 三：团队分工因为我们是一个小队，所有的后期调试都是在一起完成的，并未有详细的分工，所以这里只是一个大概的分工:王正理：前置放大电路，后置放大电路的搭建，电路调试，汇报答辩。兰鸿胜：低通滤波电路的搭建，电路调试，ppt制作。孙熠玮：高通滤波电路的搭建，电路调试，word文档撰写。四：系统原理本简易心电图仪由仪表放大电路、带通滤波电路、同相放大电路和通用示波器组成。本设计对采集的心电信号进行放大、滤波，最后将其清晰稳定地显示在双踪示波器上。所设计的放大电路要求具有高增益、高共模抑制比、低噪声、低漂移，因此在放大电路中采用仪表放大电路提高系统的性能指标要求。五：实现方案1、理论分析与设计方案的选用根据指标的要求，本系统可分为：直流稳压电源模块、前置放大器模块、高通低通滤波、后置放大模块。2 、系统方案框图基于以上分析系统方案框图如下图1所示：仪表放大器模拟滤波通道后级放大电路示波器显示心电信号 图1 系统方框图3、1前置放大器模块前置放大模块在整机中处于非常重要的地位，其性能决定了整机的主要技术指标。前置放大模块应满足高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的要求。 方案一：采用常见的同相放大电路，对信号进行放大，但是此电路不是差动输入，也不适合小信号放大，也不能达到使电压放大倍数为1000倍的要求。方案二：采用低噪声，高精度的运算放大器来构建放大电路。但是因器件参数的分立性，难以达到比较高的共模抑制比。方案三：采用单电源工作的仪表放大芯片AD620。其具有良好的共模输入抑制能力，共模抑制比大，电路连接简单，只需一个外接电阻就可以调节增益。以上要求均可满足题目指标要求。 综合上述分析与比较，在前置放大模块选择仪表放大器AD620。3、2 模拟滤波模块由于题目要求信号频率在0.05Hz100Hz频带内，所以本系统采用高通、低通滤波方法对心电信号作进一步的处理。 采用有源二阶滤波电路，并在滤波电路与后级电路之间接入跟随器，以防止后级电路对滤波电路的影响，该电路既简单，又易于实现。3、3后置放大模块后级放大要求对本系统没有的的影响，我们选用集成运放LM358构成一个同相比例放大电路。3、4前置放大电路前置放大电路有两部分构成：仪用放大器AD620构成心电信号放大器，一个OP07构成右腿屏蔽驱动电路。AD620的增益可高达10000倍，共模抑制比高，而且只需外接一个电阻就可以调节增益。由于皮肤表面与电极之间可能会形成原电池，使得电极之间存在固定电位差，因此第一级差分放大的增益不能太高，取Av=9,则Rg=10.2k。实际中，我们用两个5.1k的电阻串联。右腿驱动电路通过一个跟随器接入电路，可以有效消除人体携带的50HZ交流干扰避免右腿信号对电路稳定性的影响，提高前置放大电路的共模抑制比，再通过屏蔽电路消除因信号线和电缆屏蔽层之间的分布电容不等而引起的电压不等衰减。其原理是采用以人为相加点的共模电压并联负反馈，其方法是取出前级放大级中的共模电压，驱动电路反相放大后再加回体表。前置放大电路图如下：3、5模拟滤波通道 由于心电信号易受噪声影响，且心电信号能量主要集中在0.05HZ-100HZ频带内，为抑制其他信号干扰，我们设计了低通滤波电路和高通滤波电路。高阶滤波电路电路图如下：其截止频率设计为f=0.05HZ.那么,w=2f=0.31416rad/s. 选取电容C3=C4=22uF,则参数K=100/(fc)=90.9低阶滤波电路电路图如下3、6后级放大电路后级放大要求对本系统没有大的影响，我们选用低噪声集成运放OP07构成一个同相比例放大电路（如图7），其放大增益Av=1+R11/R10,由于前级放大的Av=9，所以在此Av=110，且R11理论值为100k.电路图如下：3、7 50Hz陷波器电路原定电路图1：结合可用的电容电阻，决定R、C值。于是先选定C3值约为10/500.2 uF，于是C1=C2=0.1uF 则可以求出R： 这里可选电阻为R31.8k（考虑电阻精度偏差可选取） R4、Rf决定了Q值，Q值越大，陷波宽带越窄，因此根据公式可知当A2且接无限近于2时，Q越大。于是可知Rf/R41且无限接近于1 但实际上由于元件精度与及元件非理想元件，这会使得陷波的中心频率不是落在50Hz，因此为减少实际的误差，Q不宜取太大 于是可选电阻为Rf4.7k，R44.75k 原定电路图2：由公式可知，R、C的选取与第一个相同，于是可取值为： R=31.8k，C0.1uF R1,R2可以用一个4k电位来取代，用来调节Q值。六：测试结果（未接右腿驱动电路，没有屏蔽50HZ）输入信号频率/HZ1510204050708090100103输入电压Vi（峰峰值）/mV55555555555输出电压Vo（峰峰值）/V4.964.964.944.944.904.854.724.564.323.553.507经测量，通频带放大倍数为992，上限频率f=103HZ时，增益下降3dB。低频时由于仪器限制，由电路图保证，无法实际测量，总体来说基本达到了之前要求的指标。1. 最终实物电路图2. 正在最终测试的我们3. 最终得到的心电图七、实验总结 这次综合实验从开始的选题到最后的结题的过程，我们小组遇到了相当多的困难，但是我们最后的完美结果成功的展示了一个team的力量。当然在做实验的过程中也存在着意见不统一，存在着小摩擦，存在着许多急躁的想法，但正是这些矛盾促使让我们不断的改进实验电路图，正是思想碰撞产生的火花使我们在最后时刻得到了正确的心电图。 我们开始的选题并不是简易心电图仪，而是基于单片机的计算器，之前这个课题也是我们经过多次讨论才得出的想法，而我们也想将我们计算机专业方面的知识运用于电路，同时了解一下对单片机进行操作的方法，可惜这个想法被老师否决了，老实说我们小组在课题被拒了后有些沮丧，因为我们小组是唯一一个课题被全盘否定的小组，而这也意味着我们比别的小组少了一个星期的时间做出电路，这对我们是一个更大的挑战！而后在老师的建议下我们小组选择了简易心电图仪作为我们的题目，一方面是我们小组确实觉得这是一个有趣的实验，我们有兴趣来实现它，而另一方面则是听老师说这个课题较难，想作为我们小组的一次挑战。 但是这个实验确实给我们带来了很大的困难，这个实验的过程在教材上有较为详细的介绍，但是我们不想按照书上的步骤来连接电路，而是想通过自己对电路进行设计来得到最后的结果，所以在得到正确结果的路上充满了坎坷。 因为我们并不是通过压敏传感器来实现心电图而是通过对生物电的放大，但是生物电噪声背景强，即要测的有用信号往往淹没在许多无用的信号中。所以我们必须设计一个精确的滤波电路与高倍的放大电路，可是我们手头并没有共模抑制比高的运放，所以只能去淘宝一个高共模抑制比的运放，悲剧的是由于我们没有经验，被骗买了一堆贴片的运放无奈只能在等了一个星期快递后又重新淘宝了正确的运放。 整个实验电路的设计不算困难，这个实验我们自己设计了高通，低通滤波电路，并且参考书上的电路对其进行了修改，经过计算得到了我们的电路，这部分不算难，难的是如何将电路各个部分合理的组装起来，得到正确的图形，也就是对电路进行调试。整个电路我们是在结题展示的前一周就搭好了，可是我们每天去调试花了整整一周才得到我们想要的波形，这也是因为我们对模电电路的不太熟悉，对书上电路的原件存在的意义没有弄得太明白所导致的，所幸经过我们认真的学习书上的电路、上网查找INA2128的用法、向老师请教最后完全弄懂了书上各个部分的含义，所得到的波形也比较完美。 实验过程中还有一个不小的插曲：在检查实验成果的那天下午，我们以为我们已经做出了正确的结果（其实波形与书上所说的Q波与QRS波有很大的误差，但是我们认为是由于生物电过小，噪音过大，滤波不够产生的误差），兴冲冲的找老师检查，结果经过老师点拨发现我们做的电路根本是错的，测得的心电频率根本不是人体的频率，而是50HZ的频率（经过我们小组的讨论认为是空气中的市电频率），原因是我们的电路少了50HZ的陷波器。可是晚上就要检查了，急的我们饭也没吃，设计了2种50HZ陷波器的电路图，确定了各元件参数，跑去元器件店买原件，赶往实验室进行陷波器设计。但是一晚上3小时过去了，2种陷波器都无法达到过滤50HZ市电的目的，在危机关头，我们决定还是采用之前决定的右腿驱动电路，经过半小时的调试，在最后一刻终于在示波器上看到了理想的心电图，等到老师检查的时候，我们真正感受到了自己的力量，感到了小组的力量！ 最后我们要谢谢老师对我们的指点！如果老师不指出我们存在的问题，我们也许就拿一个自己认为对的波形糊弄一下就过去了，自己的能力