医疗电子电路设计实验报告

重庆大学研究生专业实验教学实验报告书重庆大学研究生院制实验课程名称医疗电子电路设计实验指导教师学院生物工程学院专业及类别专业学号姓名实验日期成绩目录1、实验背景22、实验目的23、实验仪器设备34、实验原理35、实验要求46、实验内容461前置放大的设计462滤波电路的设计663二级放大电路97、实验数据108、数据处理及结果分析159、实验小结151、实验背景心电信号是人类最早研究并应用于医学临床的生物电信号之一，它比其他生物电信号更易于检测，并具有较直观的规律性。当前，心电信号的处理仍是生物医学工程界的重要研究对象之一。近年来心脏病仍然是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。医学实践表明，对猝发性心律失常患者，如果能够及早发现心律失常先兆，可以及时采取抢救措施，其中7080的患者可以避免死亡。所以首先必须对这类患者发病前后几秒钟内的心电图，进行监测报警，这是一种挽救患者生命的关键措施。自本世纪初EINTHOVEN研究发明弦线型心电图描记器并从体表记录心脏电活动以来，心电学发展历经百年。在这期间，不仅常规心电图检测技术本身不断改进、完善，同时从体表心电图演化、派生出来研究心脏电信号的各种检测方法竞相问世。特别是近年来现代电子技术的进步和数字计算机技术的飞跃发展，极大的促进了心电信息研究向纵深方向发展。动态心电图、心电向量图、体表电位标测图、频谱心电图等十余种相关的心电检测技术目前也已在临床上有广泛的应用。2、实验目的心电信号是一种低频微弱电信号，检测设备具有较高的灵敏度，所以对干扰很敏感。对体表电极测量而言，信号幅度在10V到4MV之间，典型值为1MV。频率范围在005HZ到250HZ，频谱能量主要集中在025HZ35HZ之间。由于心电信号检测的信号源是人体本身，而人体又处在各种纷繁复杂的电磁环境中，所以心电信号中不可避免地会混有各种高强度的干扰。所以，要采集心电信号不仅要将原始信号放大，还要滤除各类干扰信号。本次实验目的如下1）学习并通过实践深入理解心电采集及调理电路的原理。2）熟练掌握心电放大电路器的设计与搭建。3）掌握心电检测电路中各个基本参数的测试方法。3、实验仪器设备31主要的工具、设备直流稳压源、万用表、信号发生器、电烙铁、示波器、尖嘴钳、剥线钳、镊子、绝缘胶带、焊锡、松香等。32主要的器件AD620一片、LM324三片、若干可调电阻、电阻、电容、万用板、导线等。4、实验原理人体心电信号是一种弱电低频信号，信噪比低。一般正常的心电信号频率范围为005250HZ，而90的心电信号ECG频谱能量集中在025一35HZ之间。采集心电信号时，会受到各种噪声的干扰。由于以上特征，心电信号在提取和传输过程中极易受到干扰，因此分析各种干扰信号的来源具有非常重要的意义，以便在设计电路时采取有效措施滤除心电信号中的干扰成分。心电信号的干扰主要包括工频干扰、极化电压、基线漂移、肌电干扰、运动伪迹、测量设备本身的干扰等。从心电信号的特征及干扰分析可知，在设计心电信号调理电路时，必须考虑多方面的因素。这里主要从增益、频率响应、输入阻抗、共模抑制比、噪声等几个方面讨论心电信号调理电路的设计要求，以实现对微弱心电信号的提取和放大。信号放大电路的系统框图如图1所示，对由电极采集到的心电信号，必须先通过前置放大部分，将微弱的心电信号高保真放大，并通过低通滤波、高通滤波及50HZ陷波滤除干扰，才可以进行A/D转换。5V电源50HZ陷波005HZ高通250HZ低通前置放大二级放大左手右手右腿图1心电放大电路框图5、实验要求当放大器性能为输入阻抗大5M，CMMR100DB，电压增益60DB，频带范围为008HZ251HZ时，输入短路噪声均方根值低于10V时，可以观察到清晰的心电信号。而心电信号的幅度范围为055MV，且系统要求放大器与后续计算机系统中的10位A/D转换器相连接，A/D转换器的输入电压范围为05V。故将主要技术指标列出如下1输入阻抗5M2偏置电流2NA3输入噪声10UV4共模抑制比100DB5耐极化电压300MV6漏电流10UA7频带005250HZ8）增益1000倍6、实验内容根据实验要求和系统框图对各模块进行电路设计，按照设计结果焊接电路并最终测试。61前置放大的设计心电采集及分析系统要求在心电信号频率范围内不失真地放大所采集的微弱心电信号。这要求所采用的放大器必须具有低噪声、低漂移、低失调参数、高共模抑制比、高输入阻抗、非线性度小等特点。比较常用于心电前置放大的几种仪表放大器主要指标如下表所示表1几种仪用放大器主要性能参数的比较（输入噪声单位）NVHZ由于对心电信号特殊性对前置放大器的输入阻抗、输入噪声、输入失调电压等要求比较高，所以由表可知，AD620的主要技术指标最理想，共模抑制比达120DB（最小值，G10），它是根据典型的三运放改进而成的一种单片仪表放大器，该器件具有很高的性能，可满足系统设计的要求。AD620为三运放集成的仪表放大器结构，为保护增益控制的高精度，其输入端的三极管提供简单的差分双极输入，并获得更低的输入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制电阻上。AD620的增益方程式为GRGR491另外，由于要取平均共模电压给右腿驱动电路。电路的电阻选取两个24K串联后再与一个51K的电阻并联，接到AD620脚1和脚8之间。AD620放大电路图如图2所示U4AD620AN32671854C310UFC410UFC2100NFC5100NFVDD5VVCC5VNEG_INPUTPOS_INPUTOUTPUTR524KR624KR751KTO_RL图2前置级放大和右腿驱动电模块内部电路由上图可知，放大倍数G的结果如下716/49135RG62滤波电路的设计由于心电信号信号频率范围为在005到130HZ，为了去掉低于005HZ和高于130HZ的干扰，须分别采用高通和低通滤波电路对前置级采集到的心电信号进行调理。另外50HZ的工频干扰对心电信号的影响十分强烈，工频干扰取去除的好坏对心电信号提取的质量起到了很大的决定作用。需要精心设计50HZ陷波器以滤除工频干扰。621高通滤波电路的设计电极与人体表面接触形成的半电池产生的直流电压信号（极化电压），其幅值可达到几毫伏甚至几百毫伏。同时，由于人体体表各部位电位差的影响，在前级放大电路的输入端总会存在比心电信号大几倍的直流信号，最大可达300MV左右，因此该高通滤波器主要用于抑制此类低频的干扰。这里设计一个较为简单的二阶高通滤波器，电路如图3所示。增益为1，截止频率F如下HZRCF038621U1OP07CP3247681C11UFC21UFR151MR251MVDD5VVCC5VGNDIO1IO2图3高通滤波电路622低通滤波电路的设计为了去除肌电信号和等高频干扰信号，要通过低通滤波对采集的信号进行调整。本实验采用二阶低通滤波器，电路图见图4。增益为122，截止频率F为HZRCF1302VDD5VVCC5VU6OP07CP3247681R10175KR11175KR1222KR1310KC868NFC968NFBP_OUT图4低通滤波电路其中电阻R3和R4由一个20K的可调电阻来实现，有时候要求不是很高，高通截止频率常选为100HZ，为了方便以后可将该高通滤波器的截止频率调至100HZ，R1和R2也使用20K可调电阻来实现。62350HZ陷波电路的设计由于人体耦合引入的50HZ工频干扰信号很强，且心电信号频带基本不含50HZ的成分，所以滤波电路中还要设计一个陷波电路来衰减50HZ频段的信号，以滤除心电信号中的工频干扰。这里采用双T网络有源滤波器设计50HZ陷波电路，初始参数设定为增益G1，中心截止频率F050HZ，设计的50HZ陷波电路如图25所示。该电路通过放大器引入正反馈，以减小阻带宽度，使阻带中心频率附近两边的幅值增大，品质因数Q可通过变阻器来调节。由于原本选择的100NF经过测试发现大多数数值都偏小，从中选择集中在882NF附近的电容。对原设计使用的电阻进行修改。中心频率F如下HZRCF1502U1OP07CP3247681U2OP07CP3247681R168KR268KR368KR468KC147NFC247NFC347NFC447NFR5100KKEYA50VCC5VVCC5VVDD5VVDD5VTRAPPER_INTRAPPER_OUT图550HZ陷波电路此外，为了取得更好的效果，可以将4个等值电阻替换为3个可调电阻。R3与R4可以用一个可调电阻代替。这样做的目的是为了得到精确的电阻值，减少测量误差。63二级放大电路心电信号经过117倍增益的前级放大电路和通带增益为122的低通滤波器后，共经过了14274倍的放大其幅值还较小，AD转换器的输入范围为05V，因此还必须设计后级放大电路，使放大后的心电信号满足AD转换器的输入电压要求。这里将整个心电放大电路的放大倍数设计成1000倍，后级放大电路的增益需设计成1000/1427470倍。图6即后级放大电路。后级放大器的增益大小为712RADU9OP07CP3247681R1910KVCC5VVDD5VR201MKEYA70AP2_INAP2_OUT图6二级放大电路7、实验数据图7单导联心电放大器实物上图即为所搭建的单导联心电放大器。下面对各个模块的测试结果进行说明。71前置放大电路当输入100MV，100HZ的正弦波信号时，可以读出幅度为118V。计算得出该心电放大器的放大倍数大约为12倍。72二级放大电路当输入5MV，100HZ的正弦波信号时，电路输出图如下所示。可以读出幅度为514MV。可计算出该心电放大器的放大倍数大约为103倍。图9二级放大测试输出73频带范围测试放大器的频带可分别由设计系统中的低通及高通滤波器来确定。通过调节滤波电路中的可调电阻，将该电路的频带大概设置在005HZ130HZ。使用1V的输入信号对频带进行测试。表2频带测试频率（HZ）输出（V）频率（HZ）输出（V）001028801060030610010400508411011108120088101261300843012413507650116140044可得幅频特性曲线如图所示74陷波电路测试陷波电路是影响心电信号显示的关键。所以截止频率必须控制在50HZ。通过调节电路中的滑动变阻器可以调节电路的品质因数。输入1V的信号对陷波电路进行测试，得到的结果如下表3陷波测试频率（HZ）输出（MV）频率（HZ）输出（MV）11085000451085020032101125030036200850500383005251005140032520058420285300724402600196460128006884700910009849006120112由数据得到幅频曲线如下所示75共模抑制比测试采用信号发生器输出通带频率范围内的任意频率正弦信号，心电信号主要集中在20HZ，故采用20HZ正弦信号输入模拟心电信号进行测量。测量时分别采用差模和共模方式输入，然后测量输出端信号，分别计算共模输入和差模输入情况下的输出放大倍数。再计算共模抑制比。测试结果记录如下表3。表3共模抑制比测试结果输入信号输出信号增益差模输入5MV504V50418DA共模输入800MV244MV23C共模抑制比10820LOGL935DCACMRB76使用电路最终采集得到的心电信号信号1正极接左手，负极接右手，右脚增加右腿驱动得到的3导联心电信号信号2正极接左手，负极接右手，右脚右腿驱动接地得到的3导联心电信号8、数据处理及结果分析1根据两级放大电路测试得到的结果可以知道，电路总的放大倍数为121031056倍2根据通带测试得到的结果可以知道，本电路的截止频率为005130HZ，符合设计要求。3根据陷波电路测试结果可以知道，本电路设计的陷波电路在50HZ的陷波功能比较良好，但是品质因数还有待提高。4根据电路的共模抑制比测试结果可以知道，计算出来的共模抑制比为90DB，还不能满足实验提出的要求。5通过电路采集到的心电信号可以看到，基线漂移较小，信号较稳定，心率周期捕捉正常，有较明显的QRS波，工频干扰噪声的滤除比较彻底，说明电路可以正常工作。但是噪声的滤除还是做得不够好，心电信号并不十分清晰。9、实验小结剩下的主要问题前置放大部分、高通滤波部分、陷波部分需要重点改进。通过实际设计心电放大电路，不断地查