《模拟电子技术基础》课程设计-心电图仪设计与制作

课程设计任务书学生姓名专业班级通信工程指导教师工作单位信息工程学院题目心电图仪设计与制作初始条件模拟电子技术基础知识、会使用MULTISIM进行仿真分析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005HZ（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15M长的屏蔽导联线，共模输入电压范围75V）；F差模输入电阻5M（可不测试，由电路设计予以保证）；时间安排序号安排内容内容所需时间（天）1电路方案设计12电路仿真与分析23撰写设计报告14答辩1合计5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3引言41设计方案比较511光电效应手指脉搏传感器512压电陶瓷式脉搏传感器613铜片式脉搏传感器62单元电路设计821前置放大部分822带通滤波电路1123后级放大电路123仿真结果及分析1331前置放大电路部分仿真1332带通滤波部分仿真1333放大部分仿真1434整体电路仿真154总结175元件清单186参考文献19摘要本文主要介绍了如何应用放大电路，抑制共模信号电路，低通滤波电路及后级放大电路设计简易心电图仪本文还介绍了心电信号的特点及其对放大电路的要求对于具体的单元电路设计也做了简要介绍ABSTACTTHISPAPERMAINLYINTRODUCESHOWTOAPPLYTHEAMPLIFIERCIRCUITANDSUPPRESSCOMMONMODESIGNALCIRCUIT,LOWPASSFILTERCIRCUITANDAFTERCLASSAMPLIFIERDESIGNSIMPLEELECTROCARDIOGRAPHTHISARTICLEALSODESCRIBESTHECHARACTERISTICSOFECGANDITSIMPACTONAMPLIFIERREQUIREMENTSWITHREGARDTOTHESPECIFICCIRCUITDESIGNUNITALSOMADEABRIEFINTRODUCTION引言心电图是临床疾病诊断中常用的辅助手段心电数据采集系统是心电图检查仪的关键部件如下图所示,心电信号主要由P波、QRS波群、T波组成正常P波的宽度不超过011S，最高幅度不超过25MM正常人的QRS波群最高不超过010S。而T波不应低于R波1/10其主要频率范围为00530HZ,幅度约为05MV,信号十分微弱心电信号图由于心电信号中通常混杂有其它生物电信号,加之体外以50HZ工频干扰为主的电磁场的干扰,使得心电噪声背景较强,测量条件比较复杂为了不失真地检出有临床价值的干净心电信号,往往要求心电数据采集系统具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能本文利用OP07芯片设计了一种符合上述要求的多路心电数据采集系统1设计方案比较11光电效应手指脉搏传感器图11利用指套式光电传感器，指套式光电传感器的换能元件用硅光电池由于心脏的跳动,引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化，当光通过手指尖射到硅光电池时,产生光电效应,这样就把人体的脉搏转换为相应于脉博的电信号,方便检测一级放大电路部分采用运放LM324作为放大芯片,把指尖取出的极微弱的01UA3UA的电流放大约20倍昂二阶低通滤波部分按人体脉搏在最高跳动次数240次/MIN计算，据归一化法设计低通放大器，3DB截止频率为14HZ电源部分采用电池供电其优点是,电路结构简单,易于制作但缺点是,光电效应手指脉搏传感器价格贵,且入射光强太强时,会使输出饱和此外,由于缺少陷波部分的设计,50HZ的工频信号会给电路带来极大干扰,使输出信号失真12压电陶瓷式脉搏传感器图12选用压电陶瓷片HTD作为传感器，把人体的脉搏震动转换成为电信号输入到放大整形电路的输入端口其优点是制作方便,但价格相对较贵数据采集部分,用OP07这种具有一定精度的普通运算放大器来构建放大电路滤波部分选用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处理器达不到要求电源部分采用7805和7905输出正负五伏直流电压为运算放大器供电13铜片式脉搏传感器图13铜片式脉搏传感器的原理与压电陶瓷类似,由于铜片的形变产生相应的电信号其优点是价格低廉,但缺点是极易受到干扰前置放大电路选用仪用放大器OP07作为前置放大器由于人体心电信号十分微弱,噪声背景强且信号源阻抗较大,加之电极引入的极化电压差值较大比心电差值幅度大几百倍,因此,通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能,OP07具有高输入阻抗、低噪音、高精度、较高建立时间、低功耗等特性,而理论上其共模抑制比为无穷大,非常适合作为医疗仪器前置放大器使用滤波部分选用OP07组成的二阶带通滤波器其滤波效果比一阶滤波明显,又不像高阶滤波会因为电阻电容累积误差过大影响滤波效果后级放大部分用OP07做放大，电源部分采用正负12V直流电压为运算放大器供电因此,综合各种原因考虑,决定使用铜片式脉搏传感器2单元电路设计21前置放大部分因为接受的信号非常微弱，对于后级的信号处理和测量较难实现，所以在进行信号处理之前必须先对信号进行前置放大对前置放大电路的要求是超低的噪声，捕获信号的能力较强（因为信号是非常微弱的），所以这就需要前放电路有很大的输入电阻那么根据这一要求，查资料比较之后，我选择了OP07这一芯片，该芯片的特点是双电源供电，内部噪声小对于前放有两种接法，同相放大和反相放大两种下面分别讨论1同相放大电路对于同相放大电路，其基本电路示意图如图21所示图21同相输入我们知道，理想的运算放大器有一个特点输入电阻无穷大所以根据其示意图可以看出，对于同相电路的接法，其输入电阻即为运放的内阻，可是为无穷大，这样电路捕获信号的能力很强，适合作为前置放大同时这样做也就保证了输入电阻5M欧2反相放大电路电路示意图如图22所示图22反相输入从该电路的特点我们可以看出，该电路的输入阻抗可近似看成R1的阻抗，因为我们需要捕获信号的能力很强，尽管可以增加R1来提高捕获微弱信号的能力，但是要保证输入电阻5M欧的话，这样大的电阻会带来很大的热噪声，而且这样也要求反馈电阻更大，进一步加大热噪声，这样非常不利于微弱信号的放大根据以上的比较，前放电路选择了同相放大的电路形式前置放大电路设计电路如图23所示图23前置放大电路这一级的放大倍数为A1R2/R1，选择这一级放大倍数为50，由于芯片已经保证输入电阻无穷大，所以R1可不取很大，取R110K，那么R2就取490K22带通滤波电路如图24所示,带通滤波由双运放集成电路OP07构成OP07具有高精度,低偏置,低功耗等特性,片内集成了两个运放,可灵活组成各类放大和滤波电路由于心电信号主要集中在005HZ到30HZ的频带范围内,因此,采用OP07的两个运放分别设计二阶有源高通和低通滤波器组合成带通滤波OP07采用正负12V直流电源供电滤波部分的放大倍数为1图24带通滤波电路其中C3,C4,R1,R4构成二阶高通滤波器,为了不损失心电信号的低频成分,其截止频率设计为F005HZ那么,W2F031416RAD/S选取电容C3C422UF,则参数K100/FC909查阅二阶高通滤波器设计表并综合压控电压源性能参数计算公式WW1/C3C4R1R4可得,选取,R1100K,R4200K即可同样,选取C1,C5,R2,R3构成低通滤波器为了不损失其高频成分,截止频率设计为30HZ那么,W2F188496RAD/S由计算公式WW1/C1C5R2R3可得,选取,C133UF,C51UF,R226K,R347K即可满足条件23后级放大电路后级放大电路如图25所示图25后级放大电路由于前置放大部分选择的放大倍数为50，所以这一级放大倍数选择为20，后级放大使用反相放大电路，其电压增益为AR2/R1，取R110K,则R2取200K即可3仿真结果及分析本实验采用MULTISIM软件进行仿真，仿真过程及分析如下31前置放大电路部分仿真仿真波形及幅值如图31图31输入电压峰值为4MV，而输出电压峰值为399/21995MV，计算得放大倍数为1995/4499，与设计时所预想的误差非常小32带通滤波部分仿真带通滤波20HZ时波形如图32图32此时输出峰峰值810MV，而输入峰峰值为800MV，没有失真，放大倍数几乎为1，符合设定要求30HZ时波形如图33图33可见30HZ时输出峰峰值将为554MV，符合设计要求的3DB时高频截止幅值频率30HZ，即80007560MV由于1HZ以下频率太低，函数发生器不稳定，无法正常测试，所以不再测试33放大部分仿真放大部分仿真波形如图34所示图34放大部分波形输入电压峰值为200MV，输出电压峰值为8/24V，所以这一级放大倍数为4/0220，与设计要求完全符合34整体电路仿真将前置放大，带通滤波，后级放大级联，如图35图35整体电路图输入20HZ，峰值4MV即峰峰值8MV正弦信号，得到的输出波形及参数如图36图36输入峰值为4MV即峰峰值8MV，而频率为30HZ正弦波信号时，输出波形及幅值如图37图37可以看到，当信号频率为20HZ时，输出信号峰峰值为811V，计算放大倍数为8111000/8101375，误差为1375，在5误差范围内当输入30HZ信号时，输出信号峰峰值为555V，3DB截止频率30HZ时峰峰值应为80756V，误差为089至此,整套系统的模拟已经全部完成4总结心电系统的前向通路对目前面世的许多医学仪器起着不可漠视的重要角色；这相当于一个基石，没有了它，很多心血管病人不能得到正确的诊断，所以当前对心电的研究是至关重要的刚要做时，我觉得无法入手，经过长时间的对相关资料的了解，明白自己首要做的事情就是要了解心电信号的特点，因为心电信号输出时的幅度不上5MV，那么选择一个适合的放大器对设计是第一个要点，在课题的一步步设计下去，碰到的问题不少，如放大电路中芯片的选择，在对比心电放大的各种要求才确定一个最方便、最实用的办法根据心电信号的特点，设计了一个二阶带通滤波器来对信号进行滤波，也使我明白了多阶滤波器的设计5元件清单函数发生器一台示波器一台电阻200K2个1K10K20K490K100K26K47K各一个电容22UF2个33UF1UF各一个OP07AJ4个12V工作电源8个6参考文献1模拟电子技术基础，吴有宇主编，伍时和、凌玲副主编，清华大学出版社2电子技术基础课程设计，孙梅生等编著，高等教育出版社3电