心电图仪设计与制作.doc

武汉理工大学模电课程设计课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 心电图仪的设计与制作 初始条件：1直流稳压电源 1台 2双踪示波器 1台3万 用 表 1只 4.电 阻 若干5.电容 若干 6.集成运放 若干7.万用板 1块 8.电源线 4根9.20mm*20mm 薄铜皮 3块要求完成的主要任务: 制作一路心电信号放大器，技术指标如下：a电压放大倍数：1000，误差： 5；b3dB低频截止频率：0.05Hz（可不测试，由电路设计予以保证）；c3dB高频截止频率：30Hz，误差：5Hz；d频带内响应波动：在3dB之内；e共模抑制比： 60dB（含1.5m长的屏蔽导联线，共模输入电压范围：7.5V）；f差模输入电阻： 5M（可不测试，由电路设计予以保证）；系统能显示心率；能在示波器屏幕上较清晰地显示心电波形。心电波形大致如下图所示：发挥部分：能在计算机上显示相应波形！ 时间安排：第14周理论讲解，时间:周一5.6节课。地点：鉴四605.第1420周理论设计，实验室安装调试，地点：鉴主13楼通信工程综合实验室，鉴主15楼通信工程实验室1。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘 要3Abstact3一.原理电路及方案论证41方案论证41.1心电信号放大器设计41.2有源滤波器设计81.3低噪声稳压电源设计9二单元电路原理及设计102.1前置放大电路设计10(1)前置主放大器设计及参数计算10(2)抗干扰措施112.2有源高通滤波电路设计122.3贝塞尔滤波电路设计132.4陷波问题142.5稳压电源设计14三心电图仪总方案及原理图153.1导联电极说明：153.2设计心电图仪的主要依据如下：163.3心电图仪总方案说明16四测试与分析184.1测试仪器184.2测试数据184.3误差来源与分析19五电路仿真20六体会与建议22七.参考文献23八仪器仪表明细清单24摘 要本系统利用高精度通用运算放大器INA128对输入的心电信号进行放大，再进行高通滤波,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。关键字： 心电 INA128 心电波形AbstactThis simple electrocardiogram system can amplify the input heartbeat signal through high-precision universal op amp INA128, and then get rid of high frequency bioelectricity through high-pass filter. Simultaneously, we use right-foot shade circuit to eliminate the impact of 50Hz interference. Then we can see the clear electrocardiogram on the digital oscilloscope.Keywords: heartbeat INA128 electrocardiogram一.原理电路及方案论证 本心电图仪的设计重点在于心电信号放大器、有源滤波器和低噪声稳压电源。其系统原理框图如图1所示。 图 11方案论证 1.1心电信号放大器设计 方案1：基本差分放大电路使用基本差分放大电路可以抑制共模干扰，但是，用图1.1.1(a)所示电路测量人体心电信号存在以下两个问题：一是信号源电阻是变化的。以心电作为信号源的等效电路如图1.1.1(b)所示，其中信号源电阻为Rs1，Rs2(包括电极与皮肤的接触电阻，肌肉、骨骼等组织的电阻)。它们不但因个人的身体差异而有相当大的变化，而且就同一个人来说，也随着时间和环境的不同而变化，范围可能在k至M数量级之间。这种情况下，心电信号的放大增益是极不稳定的。 二是输入信号中含有很强的共模成分，主要是工频干扰。Rs1 和Rs2不可能相等，这会造成差分放大电路的共模抑制比急剧下降，共模干扰可能完全湮没微弱的差模心电信号。图 1.1.1(a)测量电路示意图图 1.1.1(b)等效电路方案2：仪表放大电路如图1.1.2所示，三运放构成的仪表放大电路可解决上述问题。根据运放虚短和虚断的工作原理，从图中可得：UR1=U11U12，（1）UR1/R1=(U3U4)/(2 R2+ R1)（2）故 U3U4=(2 R2+ R1) UR1/ R1=(1+2 R2/ R1) (U11U12)（3）由此可得U0=R4(U3U4)/R3=(1+2 R2/ R1) R4(U11U12)/R3（4）图1.1.2所示电路的第一级为电压串联负反馈放大，输入电阻很高，应等于运放A1和A2的共模输入电阻。若用这样的电路测量心电信号，则图1.1.1(b)所示信号源电阻Rs1和Rs2变化的影响可以忽略不计，能真正检测到心电在相应方向上的电动势。如果A1和A2特性相同，且两个R2相等，则U3和U4中的共模成分也相等，电路总的共模抑制特性取决于A3构成的差分放大电路。A1，A2在深度负反馈下输出电阻极低，其差异与R3相比可以忽略不计。只要选择高共模抑制比的A3并仔细匹配R3和R4，电路的共模抑制比很容易达到80dB以上。图 1.1.2三运放组成的仪表放大电路方案3：心电信号放大器心电信号检测时，电极与皮肤会产生直流极化电势，应在电路中设计隔直流电路，即高通电路。该电路不应引起心电信号的显著失真。虽然心电信号的最低可能频率成分只达到0.5Hz(相应于心脏搏动30次/min)，但为降低信号因相移而产生的线性失真，心电信号放大电路的低频截止频率必须达到心电信号的低频截止频率的1/10，即0.05Hz。这里未对低频截止频率的特性作特殊要求，可用简单RC高通电路实现。于是，完整的心电放大器电路如图1.1.3所示。由于电容C1漏电会引起U0的漂移，所以C1不应选用电解电容，而应使用介质特性较好的电容。这里，取C1=1F，R5=3M。虽然提高放大器的第一级增益有利于降低输出噪声，但考虑到极化电动势，三运放构成的仪表放大电路增益不应太大，其电压增益可以取40，则A4构成的同相放大电路增益应为25，总增益为1000。为提高电路的共模抑制比，图中标号相同的各两个R2、R3、R4应做到两两匹配，整个电路共模抑制比基本取决于这些电阻的匹配程度。电阻匹配得好，其共模抑制比是不难达到80dB的。电路中，A1A4应选用如LF347之类以FET作为输入级的运放，以保证足够低的偏置电流。使用这种低成本运放构成心电放大器完全可达到技术指标。图 1.1.3心电放大器电路方案4：使用集成仪表放大器使用如图1.1.4所示的INA128集成仪表放大器组成图1.1.3所示的仪表放大电路，可以省却电阻匹配的麻烦，并易于达到更高的共模抑制比、更小的偏置电流和更高的温度稳定性。该电路中包含两个相互独立的仪表放大电路，可实现两路心电信号的放大。图1.1.4 INA128原理图1.2有源滤波器设计有源滤波器主要使简易心电图仪的高频响应特性达到要求。1.2.1滤波特性的选择心电信号的典型波形如图1.2.1所示，它具有脉冲波形的特征，为保证其不失真放大，必须注意滤波器的相位特性。有三种典型的滤波器：巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝赛尔滤波器，其中，贝赛尔滤波器具有线性相移特性，最适用于心电信号的滤波处理。巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器都会引起心电波形的失真，尤其是后者，会造成心电输出信号的振铃效应。1.2.2贝塞尔滤波器电路由于未对电路高频响应的截止特性没有提出要求，可选用较简单的二阶贝塞尔滤波器，其典型电路如图1.2.2所示。图中开关可控制电路的高频截止频率在100Hz和500Hz之间切换。图 1.2.2 100/500Hz滤波器电路1.3低噪声稳压电源设计由于题目中未对输出电压动态范围进行限制，所以放大器供电稳压电源选用15V即可。为了进一步抑制噪声，不采用普通集成三端稳压电路，而采用集成三端稳压电路外增加放大环节。图1.3.1所示为正电源电路一例，负电源采取类似设计。图1.3.1 低噪声稳压电源电路二单元电路原理及设计2.1前置放大电路设计(1)前置主放大器设计及参数计算前置放大电路如图2.1.1所示。它是整个系统的核心部件。决定了整机的主要技术指标。ECG前置放大器要求噪声尽可能低，抗干扰可能强和共模抑制比KCMR尽可能高。INA128引脚封装图如图2.1.2所示。由G=1+可知，只要改变Rg的值，就可以改变放大器的放大倍数。因本级放大倍数不宜取得过大，它要承担整机抗干扰重任，故选G=40。于是 Rg=k=1.282k（5）故 Rg/2=641（6）图2.1.1 前置放大器原理图图2.1.2 INA128引脚封装图(2)抗干扰措施1）采取电磁屏蔽措施，防止干扰信号进入系统 根据题意，传感器至心电图仪有1.5m的信号传输线，另外传感器的感应铜片与人体紧密接触，人体就是一个干扰源的接收天线。为防止干扰，信号传输线必须采用屏蔽线。同时加装空间隔离（心电仪放大器部分加屏蔽盒）、电源隔离（供电部分滤波性能要好）。地线隔离、数/模隔离（数字部分供电部分和地线与模拟部分加退耦网络）等，防止干扰信号从放大器的入口处、从电源线、从地线进入心电仪放大器内。2）防止干扰信号在对称点处形成差模信号 采用电磁屏蔽措施，只能使进入放大器的干扰信号减小，不可能排除干扰信号“入侵”，因为干扰信号是无处不在，无孔不入。例如说，你可以将信号传输线加以屏蔽，放大器加装屏蔽盒，但不能将临床病人也用金属盒屏蔽起来。而且人体的姿态不同其感应的信号也不一样，且两路感应的干扰信号在幅度和相位上也不一定相同。若在差分放大器的输入端口处存在干扰信号，经过后面的放大电路，同样得到放大。为了使输入到INA128输入端口处不形成干扰差信号，必须使两条传输线平行放置。且线的型号、规格、长度均一样，甚至人体卧床的姿势也要对称，例如左右两手垂直，则两路感应的干扰信号存在幅度和相位的差异。3）提高放大器的共模抑制比KCMR 选择高共模抑制比集成仪表放大器INA128，它的KCMR120dB。如果心电信号取最小值20V，50Hz市电的共模信号为5V，则噪信比为103=2.5105=108（dB） 能满足题目的要求。为了进一步提高KCMR的值，必须另想办法。若系统采用右腿驱动的方法。它的基本原理是保持差模电压放大倍数的前提下，引入共模电压负反馈，使共模放大倍数进一步减小，从而使KCMR进一步提高，其效果非常明显。4）割断共模信号的传输通路 在同相高阻放大器（A1、A2）之后引入差分放大器（A3）。只要两路共模信号不形成差模信号，不管A1、A2输出的共模信号的绝对值多大，其A3输出的共模信号趋近于0。这一条由INA128集成芯片得到保证。2.2有源高通滤波电路设计 有源高通滤波电路如图2.2所示，C、R 组成高通滤波器，集成运放A、电阻R1、R2等成电压串联负反馈放大器。心电信号检测时，电极与皮肤会产生直流极化电势，应在电路中设计隔直流电路，即高通电路。该电路不应引起心电信号的明显失真。fl=0.05Hz。我们取C1=1F，R5=5M，则fl =1/（2R5C1）=0.032Hz（7）因 Au=1+R7/R6=25（8）取 R6=1 M，R7=24M（9）图2.2 有源高通滤波电路2.3贝塞尔滤波电路设计 贝塞尔滤波电路如图2.3所示，由于对电路高频响应 的截止特性没有提示要求，可选用简单的二阶贝塞尔滤波器。图中的开关控制电路的高频截止频率在100Hz和500Hz之间切换。元件参数可参考应用电子技术（科学出版社，2003年）中所述查表法快速确定。图2.3 贝塞尔滤波电路C1=510pF C2=510pF C3=510pF C4=510pF R1=2.2M R2=2.2M R3=2.2M R4=2.2M2.4陷波问题 若在电路中插入50Hz陷波电路，对抑制50Hz工频干扰十分有效，但也将心电信号的有效成分衰减了。采用双T陷波，信号在30Hz-80Hz之间的能量损失是很大的。特别是，这种双T陷波电路在50Hz附近的相频特性存在剧烈的跳动，还会使心电波形出现较大失真。基本要求中提到“频带内响应波形在3dB之内”，这一条限定了不能使用50Hz陷波电路。若信号通路中存在50Hz陷波电路，在0-100Hz带宽内的响应波动就不可能达到3dB之内。对50Hz干扰的抑制，应主要靠提高电路的平衡和共模抑制比来实现，需要在电路工艺上下工夫。2.5稳压电源设计稳压电源原理图如图2.5所示。15V稳压源是为心电信号通道放大器供电的。当不加反馈抑制网络时，其7815对噪声（含纹波）的抑制倍数为 Au=1+（R1+R,p2）/(R2+R,p2)(10) 当加入抑制噪声网络后，若某个时刻t使A点输出一个正极性噪声，经R4、C2耦合至B也为正极性，经过反相放大后，使C点点位下降，于是加在运放同相端的点位下降，运放A1输入的误差电压提高，使F点电位比不加抑制网络时下降得更大。于是控制调整管使A点的噪声幅度下降。而反馈抑制网络由于C2的存在，对直流成分不起作用。图2.5 15V直流稳压电源三心电图仪总方案及原理图3.1导联电极说明： RA：右臂；LA：左臂；LL：左腿；RL：右腿。第一路心电信号，即标准I导联的电极接法：RA接放大器反相输入端（），LA接放大器同相输入端（），RL作为参考电极，接心电放大器参考点。第二路心电信号，即标准II导联的电极接法：RA接放大器反相输入端（），LL接放大器同相输入端（），RL作为参考电极，接心电放大器参考点。根据设计的要求，经过仔细分析，充分考虑各种因素，制定了整体的设计方案，以前置小信号放大模块、滤波网络模块两个部分为主体，电极采用双极肢体导联的标准I，通过屏蔽驱动和右腿驱动等措施有效抑制干扰。3.2设计心电图仪的主要依据如下：心脏跳动产生的电信号，使身体不同部位的表面发生电位变化，将其记录下来即可得到心电图。人体心电信号的幅值约为20V 5mV，频带宽度为0.05 100Hz,心电信号源阻抗为1 50k。它的三组参数是设计心电图仪的主要依据。相对于环境干扰，主要指市电50Hz的干扰，当人的手指头夹住1.5m左右的导线时，其感应电压在几伏的数量级。而心电信号（20V 5mV）是非常微弱的。如何在强干扰环境下提取非常弱的有用信号，其系统设计的关键和难点就在于此。3.3心电图仪总方案说明整个电路由前置放大电路，高通滤波电路，贝塞尔滤波电路组成。其中电源供电部分由实验室元件箱提供，输出波形显示在示波器上。前置放大电路有INA128集成运放组成，提供40倍的电压增益。要实现1000倍的放大，同相比例器要提供25倍的电压增益。其中的高通电路能阻断直流电流的通过。为输出-3dB高通截止频率30Hz的信号，选用二阶贝塞尔滤波电路。本电路使用的主要芯片是集成仪表放大器INA128。适用仪表放大电路，可以省却电阻匹配的麻烦，并易于达到更高的共模抑制比、更小的偏置电流和更高的温度稳定性。由于对电路的高频线响应的截止特性没有提出要求，可选用较简单的二阶贝塞尔滤波器。其中总电路原理图如图3.1所示。图3.1 总电路原理图四测试与分析4.1测试仪器合成函数发生器EE1411;直流电压源YB1719;双踪示波器YB4325;数字示波器TDS1012;数字万用表MY61.4.2测试数据4.2.1测试方法功能测试：被测人员静卧在床上，使用酒精棉球仔细将与电极接触部位的皮肤擦净，然后再捆绑电极。为减小电极与皮肤间的接触电阻，在电极下滴2滴5%的盐水，进行功能测试。指标测试：利用信号源产生信号，输送到心电图仪中，进行单元和指标测试。4.2.2电压放大倍数与输出电压动态范围测试 通过YB1620P功率函数发生器产生一个小幅值电压信号作为输入用示波器来检测其输出电压波形读取输出波形的幅值得到增益测试得到增益测试数据如表4.2所示。结果分析系统的放大倍数在10005% 的范围内输出电压也满足动态范围大于10V 的要求。表 4.24.2.3直流稳压电源测试 在给运放供电时，用示波器交流耦合方式测得自制电源输出电压纹波峰-峰值为2.2mV。4.2.4 共模抑制比测试由于选用的是仪表放大器INA128 其DATA SHEET中已标明它的CMR 能达到120 dB 因此能满足题目对共模抑制比大于等于60dB 的要求。4.2.5 人体心电信号测试 让被检测人员静卧将电极安装在相应部位在电极安装前用医用酒精涂抹在电极放置部位清洁皮表面以减小电极接触电阻并叮嘱被检测人员保持平稳呼吸以减小基线漂移同时全身肌肉放松以减小肌电干扰测试得到心电信号与题目要求非常近似但由于时间问题未及时记录两路。4.3误差来源与分析对电压的测量均采用示波器读数，由于视觉误差和波形的不稳定造成读数上的误差。信号源在频率接近0HZ时的衰减对低频测量也有一定影响。但这些都能控制在误差范围之内不影响整个系统的性能。五电路仿真 输入为5mv，频率为10Hz的交流电压，图5.1为前置放大电路输出端的仿真图。图 5.1输入为5mv，频率为10Hz的交流电压，图5.2为整个电路最后输出的仿真图。图 5.2其输出端的交流小信号分析如图5.3所示。图 5.3六体会与建议6.1体会回顾起此次制作心电图仪课程设计，我仍感慨颇多，的确，从选题到方案论证到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。在完成这个简易心电图仪的过程中我们把注意力主要集中在滤波器的设计和调试上合理地运用软件设计滤波器可以节省很多功夫但完全照搬也不能达到预想的效果因为实际参数无法与设计精确匹配因此我们的做法是在关键的地方用可调器件为电路留下余地只要正确地调节就能达到指标要求这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦。在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啊。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。还有就是在实