模拟电子电路心电图设计报告.doc

模拟电子技术基础 课程设计说明书 1 目目 录录 摘要 模拟电子技术课程设计对所学的基础理论知识是一次实践检测的过程 为了观测到 较强的外界干扰下的微小的心电信号 分别采用前端放大 低通与高通 50Hz 工频干扰 来实现 同时加以右腿驱动电路 本课设采用的核心放大元件为高精度 低噪声 低功 耗的通用仪表放大器 INA128 经过低通与高通后 有加 50Hz 的双 T 陷波网络 将较强的 工频干扰滤掉 使得到的心电波形较好 关键词 仪表放大器 INA128 高精度运放 OP07 OPA2340 Abstract Analog electronic technology curriculum design for the school s basic theory of knowledge is a practice of testing process In order to observe a strong outside interference minor under the ECG were used to enlarge the front end low pass and high pass 50Hz frequency interference to achieve at the same time be right leg drive circuit The core of this lesson for the use of amplification devices for high accuracy low noise low power general purpose instrumentation amplifier INA128 after a low pass and high pass after the two plus 50Hz Notch T network a strong power line interference filter out so get better ECG waveform Key words instrumentation amplifier INA128 precision OPAMP OP07 OPA2340 模拟电子技术基础 课程设计说明书 2 1 设计内容及要求 1 1 设计目的及主要任务 1 1 1 设计目的 1 学会根据已学知识设计具有某一特定功能的电路 2 学会基本电路的组装与调试 3 进一步加深对模拟电子电路课程的理解与掌握 1 1 2 设计任务及主要技术指标 1 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 b 3dB 低频截止频率 0 05Hz 可不测试 由电路设计予以保证 c 3dB 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 2 选择电路方案 完成对确定方案电路的设计 计算电路元件参数与元件选择 并画出总体电路原理图 阐述基本原理 选做 用 PSPICE 或 EWB 软件完成仿真 3 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书 1 2 设计思想 利用模拟电子电路所学知识 设计该系统电路图 在其输入部分可以利用差分输入 以减少共模增益 其放大部分可以利用运放来实现 滤波部分则可以采用无源滤波和巴 特沃斯有源滤波来实现 在工频陷波部分 采用较常用且较为理想的双 T 陷波网络实现 为增加其稳定性 可以引入负反馈 模拟电子技术基础 课程设计说明书 3 2 电路工作原理分析 方案论证和确定 2 1 心电信号 2 1 1 心电信号的产生 体表心电信号是人体电信号 心电是在心脏有规律地收缩和舒张过程中 心肌细 胞产生的动作电位综合而成的电信号 心脏在收缩之前先有电激动 约在 0 025 一 0 075 秒后 才有机械的收缩活动 心脏的电激动产生动作电流 人体是一个很好的容积导体 心脏正处于这一导体之中 可以将心脏的动作电流传导至身体各部 因此 在一定的两 个体表部位放置电极板 用导线连接至心电图机 就可描出心电活动的曲线 即称为心 动电流图 简称心电图 electrocardiongraln ECG 2 1 2 心电信号的组成部分 1 P 波 代表心房肌的电激动过程 心 脏的激动起源于窦房结 最先传到心房 使 之激动 P 波代表心房肌的电激动过程 是心 电图中最先出现的波动 P 波正常宽度不超过 0 01s 高度正常不超过 0 25mV 2 P R 期间 代表心房肌 开始除极到心肌开始除极的时限 图 1 医学上的心电信号 3 QRS 波群 反映心室肌除极过程的电位变化 通常历时 0 06 一 0 105s 4 S T 段 从 QRS 波群终点到 T 波起点间的线段 反映左 右心室全部除极完毕到 复极开始以前的一段时间 5 T 波 代表心室肌激动后恢复过程产生的电位变化过程 占时较长 约有 0 05s 0 25s 6 Q T 期间 从 QRS 波起点到 T 波终点间的期间 代表整个心室肌自开始除极到复 极完毕的总时间 7 U 波 T 波之后有时可能看到一个很小的正向波 可能表示心肌激动后的电位变 化 2 2 工作原理分析 模拟电子技术基础 课程设计说明书 4 简易心电图仪的设计与制作 其原理主要为 小信号的采集 小信号的放大 对较 强的干扰信号的滤除等 小信号的采集主要是克服非常微弱的心电信号在 1 5 米的传输线过程中的强干扰 信号的放大主要是获得较大的增益 滤除干扰则是在心电信号的主频率范围内最大限度 的保留心电信号 2 3 方案论证 2 3 1 信号采集部分 因为课题已规定用铜片作为采集电极 因此信号采集部分只能用此方案 2 3 2 信号的放大部分 方案一 ECG 放大器的前置放大采用差动输入的三运放形式 如图 2 所示 A1 A2 组成同相并联输入第一级放大 A3 为差动放大 由于此方案需要采用过多的集成运放和 分立器件 稳定性难以保证 调试也有很大困难 因此不予采用信号提取与放大电路设 计 方案二 采用如 E5534 等低噪声并具有一定精度的普通运算放大器来构成放大电路 但从体表采集到的信号除了人体心脏采集到的电压信号之外 还包括肌电 呼吸以及 50HZ 工频信号等带来的干扰 其中 工频干扰引起的共模信号可能远大于心电信号 从 而影响系统对心电信号的分析 因此共模抑制比是衡量心电图仪的一项重要指标 心电 图仪要求运算放大的共模抑制比不小于 80dB E5534 运算放大器共模抑制比虽然满足这 样的需要 但是由单个运放构成的电路难以满足较高的共模抑制比 故不采用这样的方 案 方案三 采用低功耗 高精度的仪表放大器 INA128 其具有良好的共模输入 抑制能力 共模抑制比大于 120dB 而且只需外接一个电阻就可以调节电压增益 INA128 可以将毫伏级的心电信号放大成伏级的 便于测量 同时 INA128 对直流电源的要求低 甚至只需 2 25V 的直流电源电压就可以表现出出色的功能 静态电流只有 700uA 功耗非 常低 因此 在本设计的放大部分即采用 INA128 仪表放大器 2 3 3 滤波部分 由于心电信号易受噪声干扰 并且主要能量成分集中在 0 05HZ 100HZ 频带内 本系 统采用滤波的方法对心电信号做进一步的处理 即对所采集的信号进行高通 低通 陷 模拟电子技术基础 课程设计说明书 5 波处理 2 3 3 1 高通滤波 方案一 采用结构和设计都比较简单的 RC 一阶无源滤波电路 无源滤波电路的通带放 大倍数及其截止频率都随负载变化而变化 这一缺点常常不符合信号处理的要求 但是 在本试验中 对 0 05Hz 的高通要求 只需要电路设计保证即可 不用实测 即要求不高 故可以用此方案 方案二 采用 0 05HZ 的高通滤波器电路 有源滤波电路一般是由 RC 网络和集成运 放组成 因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能起到滤波作用 与此同时还可以 进行放大 组成电路时应选用带宽合适的集成运放 有源滤波电路适用于信号处理 但 是 此方案实现时相对复杂 且起作用不明显 故不采用此种方案 2 3 3 2 低通滤波 低通滤波可选择有源滤波或数字滤波 但数字滤波较为复杂 1 有源滤波 方案一 一阶滤波 其结构相对简单 且采用了集成运算放大器 因此具有高输入 阻抗和低输出阻抗的特点 同时由于具有缓冲作用 滤波效果比无源滤波器好 幅频特 性曲线能达到 20dB 10 倍频程 但要想实现更明显的滤波效果 此方案则不能满足要求 方案二 二阶滤波 它和一阶滤波采用类似结构 但幅频特性曲线能达到 40dB 10 倍频程 滤波效果比一阶明显 方案三 二阶以上的高阶滤波 它是由多个一阶和二阶滤波器组成 理论上比上 述两种滤波器好 但其电路过于复杂 所需阻容元件较多 且电路特性对元件的误差值 较敏感 2 数字滤波 数字滤波的优点是参数可调节性好 可以通过更改程序中的参数对截 止频率进行精确的调节 由于参数不会随温度等环境因素改变 从而精确度得到保证 但是数字滤波对处理器的要求比较高 想要得到更好的滤波效果就要求滤波器取更高的 阶数 处理器时钟周期尽可能小 乘法的计算速度尽可能大 一般非 DSP 处理器达不到 要求 以现阶段来说 很难实现本方案 2 3 3 3 陷波电路 模拟电子技术基础 课程设计说明书 6 本系统要除去工频 50HZ 的干扰 需要对混杂在心电信号里的 50HZ 信号作尽可能 大的衰减处理 处理方案集中在两种 自适应相干模板 法 模拟陷波法 方案一 自适应相干模板法利用工频干扰的相关特性 从原始输入信号中得到工频干 扰模板 进而从原始输入信号中减去工频归纳饶的模板 达到滤除工频的干扰 但本方 法程序设计十分复杂 因此不采用这种方法 方案二 双 T 陷波 由双 T 网络的幅频特性可知 对于 o 的其他频率信号 通过双 T 网络具有较强的负反馈 因为双 T 网络具有良好的滤波特性 在仪表的电源噪 声滤波电路有较为广泛的应用 又因为双 T 网络具有比 RC 串 并联更好的选频特性 因 此采用双 T 网络进行陷波 本系统不必采用高阶滤波方案 模拟电子技术基础 课程设计说明书 7 3 单元电路设计 参数计算及器件选择 3 1 心电信号的基本特征 心电信号是一种较微弱的体表电信号 成年人的幅值约为 1mV 频率在 0 01 250Hz 范围内 属于低频率 低幅值信号 信号源内阻很大 两手臂间内阻约为 600K 易受其 他信号干扰 3 2 心电检测中的主要干扰 1 共模信号干扰 2 高频噪声干扰 3 50Hz 工频干扰 3 3 电路的总体设计框图 基于心电信号本身的特征和存在的干扰 电路总体设计框图如下 图 2 系统框图 对前端电路提出的指标要求有 表 1 电路指标 信号采集 信号放大级 低通滤波 高通滤波 50Hz 陷波 电路 右腿驱动 电路 模拟电子技术基础 课程设计说明书 8 输入阻抗 M 增益共模抑制比 dB 频带 Hz 51000 倍左右 600 05 30 3 4 单元电路设计 3 4 1 前置放大电路设计 前置放大电路设计电路图如下 图 3 前端放大电路 其具体连接为 模拟电子技术基础 课程设计说明书 9 图 4 输入接线图 该电路重要功能如下 1 此放大电路的核心元件采用INA128低功耗低噪声高精密度通用仪表放大器它 们通用的3 运放3 op amp 设计和体积小巧使其应用范围广泛反馈电流Current feedback 输入电路即使在高增益条件下 G 100 时200kHz 也可提供较宽的带宽 单个外部电阻可实现从1 至10000 的任一增益的 2 INA128用激光进行修正微调具有非常低的偏置电压 50mV 温度漂移 0 5 V C 和高共模抑制在G 100 时120dB 其电源电压低至 2 25V 且静态电流只有 700uA 是电池供电系统的理想选择 内部输入保护能经受 40V 电压而无损坏 3 此外本系统还采用两个低噪声的 OP07 组成的右腿驱动电路来提高前置放大 器的共模抑制比 集成运放 OPA2340 用于共模驱动和右腿驱动 工作在 5V 4 根据 INA128 内部结构 可以抑制共模干扰 同时采用共模驱动和右腿驱动电 路 都抑制了工频干扰进入后续电路 5 放大器的核心器件采用 INA128 放大倍数为 50 倍 计算公式为 g 50 1 R K A 此电路中 Rg 取 50 05 欧姆 则恰好能放大 1000 倍 但是由于计算而得的阻值 不一定能够获得 因此去 Rg 48 欧姆这一常用值 因此其放大倍数则为 1042 67 模拟电子技术基础 课程设计说明书 10 3 4 2 滤波电路 采用一阶无源高通滤波器和二阶巴特沃思低通滤波器作为本系统的滤波电路 1 高通滤波 本题要求心电放大器低频截止频率在设计中保证为0 05Hz 没有要求进行测试可 用无源的RC 网络来实现一阶无源高通滤波器电路图如下所示 图 5 一阶无源高通滤波电路 一阶无源高通滤波器的下限截止频率为 f 1 2 RC 而此时选择常用参数的电容与 电阻值 C1 10Uf R1 300K 所以 f 1 2 R1C1 0 053 与实验要求值相差不大 可以达到设计要求 其 MULTISIM 仿真的幅频响应为 模拟电子技术基础 课程设计说明书 11 图 6 一阶无源高通滤波幅频响应 2 低通滤波电路 本课题要求其高频截止频率为 30Hz 但是考虑其现实情况 而将二阶巴特沃思滤波 器的截至频率为设为 120Hz 放大倍数为 1 倍 电路图为 图 7 二阶巴特沃斯有源低通滤波电路 本电路图对于原件参数的确定 利用公式计算而得的元件参数皆不为常见的参数 故 结合 MULTISIM 仿真适当的修改参数的值 而得如上电路图所示的参数 且其仿真结果 较为理想 模拟电子技术基础 课程设计说明书 12 元件参数 R1 200K R2 200K C1 10nf C2 4 7nf 用 MULTISIM 仿真其幅频响应为 图 8 二阶巴特沃斯低通滤波幅频响应 其相频响应为 图 9 二阶巴特沃斯低通滤波相频响应 3 4 3 50Hz 陷波电路 由于有工频电源磁场作用于导联与人体之间的环行电路 因此 从人体探测到的心 电信号自然就包括 50Hz 工频信号及其谐波的干扰 微弱的心电信号往往被湮没在相对比较大的噪声干扰中 因此有必要对其进行抗干 扰处理 为此我使用了陷波器祛除 50Hz 的工频干扰我们使用 Filter Wizard 软件软件设计 模拟电子技术基础 课程设计说明书 13 了陷波器 由于电阻电容值无法完全匹配设计参数 因此实际应用的双 T 带阻陷波器效 果没有仿真的好 于是我通过将输出信号以反馈的方式作用于输入端 提高了陷波的衰 减倍数 使得陷波的效果更好 双 网络作为去除 50Hz 工频干扰的电路 电路图如下 图 10 50Hz 双 T 陷波电路 滤波器 Q 值越高 频率选择性越好 但这样会导致滤波器性能不稳定 阻带宽度也 加大 通过认真筛选元件 调整电位器 R5 可改变 50 z 陷波深度 带宽为 10Hz 45 55Hz 且滤波器稳定 满足心电检测的要求 利用 MULTISIM 仿真得出了几组截止带宽 上下限截止频率 50Hz 时衰减分贝数随电 位器滑片变化的变化 如下表 2 表 2 随电位器阻值的改变陷波电路参数的改变 中心频率下限频率上限频率 频率分贝数 项 目 滑片 位置 3dB 截止带宽 Hz Hz dB 频率 Hz 分贝数 dB 频率 Hz 分贝数 dB 95 9 96850 08 20 5745 07 3 0555 03 3 03 90 19 7950 08 26 5640 83 3 0160 62 3 07 模拟电子技术基础 课程设计说明书 14 85 29 8450 12 30 4837 07 3 0266 91 3 03 80 39 8850 08 32 5733 65 2 9973 54 3 02 由此表看出调整电位器 R5 可以改变陷波电路的 3dB 截止带宽 但是在减小截止带 宽是在牺牲中心频率 工频 50Hz 时的衰减分贝数而实现的 例如 MULTISIM 仿真其在电位器取 95 时的幅频响应如下 图 11 双 T 陷波电路幅频响应 其相频响应为 图 12 双 T 陷波电路相频响应 模拟电子技术基础 课程设计说明书 15 4 电路的安装与调试 4 1 电路的安装 1 将如上图所示的电路焊至万用板上 2 将焊接完成的电路板按电路图详细检查完毕 确认无误后接入电源 4 2 系统的调试 1 先利用函数信号发生器发出一小信号代替测源信号 接入电路 信号幅值在 20uV 5mV 观测其输出 2 若输出量符合所设定的电压增益 则将心电信号输入电路 4 3 系统的测试方法 4 3 1 功能测试 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 清洁皮肤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 4 3 2 指标测试 4 3 2 1 电压放大倍数与输出电压动态范围测试 通过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 其测试数据如表 3 其中电压均为峰峰值 表 3 电压放大倍数与输出电压动态范围测试数据 次序12345 输入电压 mV 10 110 612 815 219 7 输出电压10 411 113 215 420 0 模拟电子技术基础 课程设计说明书 16 V 实际增益 倍 10301047 21031 31006 61015 2 结果分析 课题要求放大倍数为 1000 5 但是实际上加的外接电阻为 48 欧 故理论 增益为 1042 7 5 实测值都在该范围之内 4 3 2 2 3dB 高频截止频率 理论截止频率 120Hz 输入峰 峰值为 6mV 的正弦波频率调节范围为 50 120Hz 用示波器测量输出电压峰 峰值 所得低通滤波电路测试数据如表 4 表 4 高频截止频率测试数据 次序12345 频率 Hz 6080100110120 输出电压 V 6 026 025 45 014 5 4 3 3 3 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 模拟电子技术基础 课程设计说明书 17 5 电路的特点与改进意见 本次电路比较好的部分有 50Hz 陷波器 通过使用电阻的并联和电容的并联 达到较 好的匹配 中心频率和品质因素都比较好 不太好的部分是低通滤波的部分 因为使用二阶巴特沃思滤波器 引入比较多的 100Hz 以上的干扰 但是通过加上低通滤波 整体效果有改善 但是仍然干扰引入较多 另外就是前置中的无源滤波器 如果使用按照截止频率 0 05Hz 选择的电容 存在零点漂 移很严重 形成了电容充放电的现象 改变电容 消除了该现象 但是高通截止频率偏 高 本课题更好的实现方案 是利用在此基础上 利用单片机实现外围的扩展模块 和 信号的处理 其人机界面会更加友好和便捷 如 利用模数转换芯片将模拟信号转化为更易于处理的数字信号 便于微控制器的 采样与处理 模拟电子技术基础 课程设计说明书 18 6 课程设计心得体会 本次课题在完成过程中遇到多出困难 其中前端心电信号的提取的成败是影响整个 系统能否成功运行的关键 心电信号作为一个弱源 电压小 电流小 内阻大 容易受 到噪声的干扰 这是生物电信号的明显特征 处理此类信号 对前端硬件的设计提出了 很高的要求 本次课题成功解决了信号提取的设计 在低通高通滤波 50HZ 陷波等模块 都取得了预先设计的效果 但是 在实验中也有很多的遗憾 如 由于时间仓促 没有 按预计 针对心电信号