心电放大器(直流供电)设计报告及测试报告.doc

心电放大器(直流供电)设计报告及测试报告 姓名:刘文中学号:3004202321班级:生物医学工程1班指导老师:李刚教授 心电放大器前置通路设计报告 直流供电 30042023211刘文中 指导老师：李刚教授一：关于心电n 心脏作为生物体新陈代谢和能量传递的动力中心,其对人体的重要性是不言而喻的。各种心脏疾病,几乎都和心脏的生物电活动相关联。在当前的社会中,心脏病等心血管已经成为了世界死亡人数最多,号称“头号杀手”。由于心脏病有突发性以及长久性，对心脏病人也需要长期的治疗和监护。然而，要针对心脏病情，首先要做的就是了解心电信号的特点。其特点为：1）信号十分微弱，幅度小于5mV。2)常见的心电频率一般在0100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近。3)测量时心电电极阻抗较大，一般在几百千欧以上。4）极易受到工频干扰。n 心电图的作用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。 因此检测出人体的心电图，对于帮助诊断与治疗相关疾病有重要作用。我所设计的便携式心电放大器主要是方便，低功耗，主要适用于野外或运动场所对于心电的检测。二：心电放大器的总体设差模电压增益：AVC=500； 差模输入阻抗：大于10M 共模拟制比： 大于80DB 频带宽度: 0.05100HZ; 陷波：50HZ工频 输入保护电路：能耐5000v的高压说明：由于我设计的是直流心电放大器；所以放大起必须具有两个特性第一：要能准确的提取与放大心电信号（放大倍数不能太小，以便能够较方便的观测，由于是直流供电，直流是由电池提供，提供的电压较小，所以放大倍数也不能太大。第二：要使整个电路的功耗尽量小，这在某种程度上要求该设计中所含的运放器要相对较少 ；三：整个电路的整体框架如下;保护电路前置放大低通滤波50HZ陷波主放大器右腿驱动信号四：各节电路的设计：1：保护电路与前置放大电路前置放大倍数为50，高通的截至频率为0.05HZ,其中,A1,A2并联级的放大倍数为5,AD623的放大倍数为10倍.(1) 由于前置放大器起着提取信号并初次放大信号的作用，所以要求所用的运放有高共模拟制比，高输入阻抗，较高的差模增益，低的失调电压，低功耗。这里选用AD623,它有：110DB以上的共模拟制比，带宽为MHZ级（当增益为1000时，频带为147HZ），失调电压小于100UV，工作电压为2.5V。静态的工作电流为93UA,折算成功耗为0.558mW.(2) 电阻R0(均为50k)与二极管构成输入保护电路，二极管是低漏电的IN4148.最大的允许通过的电流为100mA,这样就能在输入端有5000V高压的情况下，不损害电路元器件。同时与C3构成低通滤波器，滤去高频的干扰。（3）C1,C2与R6,R7构成高通滤波电路。其截止频率为0.067HZ，滤去极化电压的干扰。同时要考虑与电容的匹配构成滤波的环节，由于滤波的频率低，要考虑时间常数的大小，时间常数要小于3.6秒。而且电阻太大可能带来的电阻噪声也要考虑。（4）如上图跟随器A3(1/4LM324)的作用是充当一个共模驱动电路，A3对于后面的被驱动的电路来说相当于一个电压源，电压为共模电压。如此一来，能够防止C1,C2与R6,R7的不匹配带来的共模变差模的危险,不至于给整个系统带来很大的噪声. （5）A4(1/4lm324)所在的电路是构成右腿驱动电路，其增益为1000倍（324的开环增益为100DB，满足要求），C3的作用是与R9构成低通滤波器，其截止频率为f=1/(2R6C3)=100HZ，滤掉高频的干扰。使电路稳定。R10是限流保护电阻，一般取较大值。经过以上的讨论各电阻电容的参数如下;R0=50K,R1=10K,R2=R3=20K,R4=R5=50K,R6=R7=500K,RG=10K, R8=1K,R9=1M,R10=100KC1=C2=4.7U,C3=2000P.对于该前置放大器的初步的评价：（1）：LM324的工作电压为1.25V以上，满足要求，且LM324与AD620均为低功耗的器件，AD620的工作电流小于90微安，LM324的每个运放功耗低。静态时的电流0.7mA,当供电的电压为6V时，折算成功率为4.2mW，适合电池供电。 (2)lm324的偏置电流为20nA,此电流对于右腿驱动电路造成的电压为：V=I*(R9R8)=I*R5=20uV.也可以不考虑。而且输入偏置电压小，最大时为2mV。这就使得跟随器与右腿驱动电路的性能很好。 (3)本电路最前面采用并联差分电路,主要是考虑提高输入阻抗,由于若不加并联放大电路,而直接用如下的电路这样输入电阻就仅仅有构成高通的两个电阻构成,若电阻取得过大,则电路的噪声会增大.（4）本前置放大电路中，参与心电信号放大的有前置级并联电路与AD623，由于并联差分电路对电阻的匹配没有严格的要求,所以R2,R3不匹配不会给电路带来影响,而AD623是集成的精密仪用三运放,其内部的电阻的匹配性好,从而由于电阻的匹配精度而带来的共模拟制比减小不会太大，这就使该级的共模拟制比会很高，几乎就是AD623的共模拟制比。（5）前面高通网络的时间常数为：C1*R30.54.72.35S3.6S,如此,高通的截止频率为0.067HZ,与0.05HZ有点偏差.但该电路有缺点：1):此前置放大电路中用了5片芯片,虽然均为低功耗的器件,但作为直流供电的系统,其功耗可能还是会大一些,(相关的功耗值在测试报告中讨论)2):本电路中没有加入低通的滤波器,这样可能给电路带来高频干扰的影响3);由于电路中加入了并联放大电路,而A1,A2,的静态工作点如果匹配不好,对后面的电路影响较大,其静态的电压值会逐级的被放大.二：滤波器的设计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太低，不宜用太高的阶数高通滤波器。滤波器的作用为滤掉大于100HZ的高频的干扰。对于本设计采用三阶巴特沃斯滤波器。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。其电路图如下：(1): A2,用LM324，（2）要求低通滤波器在3dB处的截止频率为F=100HZ，利用归一划的方法算得有C1=0.037U(取为0.33）,C2=0.0148U(取为0.015),C3=2148P(取为2000P),R均取为150k(R取这么大的值主要是由于本设计是直流供电，从功耗方面来考虑，大电阻所消耗的功率较小电阻的小,但考虑大的电阻上由偏置电流带来的功耗会增大，以20nA为典型的偏置电流的LM324，其在电阻R上的功耗为1.810w，由此可见由偏置电流所带来的功耗可以忽略)。三：陷波网络陷波电路图如下.先确定C的值，取C0.1UF，2C=0.22UF.由R= ，从而取R=31.8K(取30k)R/2=15K. 说明几点1) 由于对于陷波电路性能的要求非常高，陷波的准确度在4951HZ的范围内，而且陷波中心频率要尽量准确，在选择电阻与电容的参数时要尽量用万用表测量参数，利用电阻电容的误差，选取与所计算的参数尽量相近的元件。 Rf是可调电阻为10K，用来调节陷波电路的品质因数，此设计中调节Rf使品质因数Q=15。为反馈系数取为0.98。由此算出Rf上半部分的阻值为1K，2) R的加入是为了调节的方便，这里取R=50K,3) 静态时由于R的阻值较小，造成的静态的压降为1.2mv,五：对于主放大器如下图：1:)其传递函数为：H(S)= =*得出其幅频特性为:H(jw)=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H2（jw）1,对于高通的情况由于w很小，所以H2（jw）=R1C1*w当截止频率f=0.05HZ时，有R1C1=2.25S,取R1=100K,C1=22Uf，2：当f=100HZ设置为低通的截止频率，有H2(jw)=0.707有：R2C2=0.0016S于是R2=1M,C2=1600PF.2:）由于电阻R21M，考虑偏值电流的影响，由此造成的压降为20mv,由此加上电阻R3.R3的取值为1M.六：电源部分由于采用的是直流供电，选用四节1.5V的干电池供电，连接方式如下图由于是电池供电，当电池用到一定的时间时其电压会有一定的压降，而压降达到一定的程度就会影响整个系统的正常工作，这样就必须用到电池稳压系统，或报警电路。对于稳压的系统主要是采用集成的稳压的低功耗的芯片。而设计报警电路若用发光二极管的亮暗来判断，功耗可能较大。七：整个电路的各芯片的功耗的预算;1;对于前向通路：MAX4194的功耗为：9310660.558mw，1/2个324的功耗的功耗为0.7*6*2=8.4mv总体的功耗为8.958mw2：对于滤波器的运放的功耗为4.2mw3；对于陷波电路：功耗为8.4mw4;后极主放大器，功耗为4.2mw各芯片的功率总和为：25.758mw八：附录所用到的运放的参数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：85DBAD623的管脚图: 心电放大器测试报告一:首先是各级电路单独的相关的参数测试: 1):前置放大电路:首先是增益:输入电压频率输出电压放大倍数20mv10HZ1.04V5215mv50HZ0.795V5325mv90HZ1.308V52.34由此可见:前置级的放大倍数为52倍左右共模拟制比: 输入共模电压:2V,输出的电压4mv共模的增益为0.002,所以此前置电路的共模拟制比CMRR=20log=89.29DB输入阻抗:按如下的方法测量得出输入电阻为75.2M2)低通滤波器;输入幅值为2V的电压,改变频率,得到如下的一组数频率(HZ)输出幅值V频率HZ输出幅值V101.96901.45301.90951.41501.791100.81701.605000.09由此可见:截止频率为95HZ左右,与理论值100HZ有一点偏差采用的是三阶滤波器,其增益在截止频率后下降的较快.3):50HZ陷波器:如下图: 参数按设计报告中的数(试验中能选到相近的元件)输入幅值为2V的电压,得到如下的结果:频率V输出电压V频率HZ输出电压V471.98500.09481.8250.150.03491.551.21.4249.171.40531.97由上面测量的数据,可知:该陷波器的带宽为49.17HZ-51.2HZ,陷波的中心频率为50.15HZ,在50HZ时,陷波的幅度还可以,此时在50HZ的增益为:0.09/2=0.045,幅度衰减到了原来的0.045倍.4):主放大器电路图如下:选择的元件为R1=100K,R2=1M,C1=22U,C2=1600PF.增益:输入20mv,40HZ的正弦电压,输出2.12v.,从而增益为2.12/0.2=10.6频带的测量,输入20mv,改变频率,得到如下的一组数:频率HZ输出幅度V频率HZ输出幅度v302.13901.64501.951001.52701.791101.41可见对于低通的特性.其截止频率约为110HZ左右.5:整体电路的性能(1)增益:输入15mv的正弦电压,其频率为30HZ,输出电压为7.65.其放大倍数为510倍.(2)共模拟制比,输入2v的共模电压,输出的电压为68mv.CMRR=20log=83.5DB.(3)输入阻抗:测量方法如下:(仅仅表示测量的方法)测得输入电阻为72M.(4)输出电阻的测量,测量方法用如下的图简单的表示:(注:A并不表示运放器,此处仅仅用来表示简化的电路)首先不串联电阻R,测得电压为12mv,当如上图串联上一个电阻R=1K,(此处的电阻不能太小,主要是防止电阻太小,会造成流经其的电流大,可能会烧掉芯片)此时的电压为11.8mv(此电压可能不太准,但我已经是向老师借了试验室中最好的万用表了)设系统的输出阻抗为r,则12*1/(r+1)=11.8可以得到r=16.9.(5)带宽,输入15mv频率HZ幅度v频率HZ幅度v307.65805.5457.01905.09606.231004.46由此可见低通的截止频率为80HZ左右.(6)各级的静态工作点:测量方法:将输入端接地,接通电源,用万用表的直流档去测量各输出端的电压;当将整体电路连接起来后,测量