心电信号放大器设计

1、心电信号放大器设计一、 设计用于检测人体心电信号的放大器，要求如下：1、 输入阻抗10m。2、 共模抑制比80db。3、 电压放大倍数1000倍。4、 频带宽度为0.5hz100hz。5、 放大器的等效输入噪声（包括50hz交流干扰）200v。二、 设计方案分析1、 心电信号的特点及检测人体的各种生理参数如心电、脑电、肌电等生物电信号都是属于强噪声背景下微弱的低频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，与其他生物电信号相比，该信号也比较容易检测同时具有直观的规律性。一般人体心电信号的幅值约20v5mv，频带宽度为0.05hz100h

2、z，由于心电信号取自于活体，所以信号源内阻较高，且存在着较强的背景噪声和干扰。在检测人体生物电信号时，需要采用所谓的生物电测量电极，又称引导电极来实现的，通过引导电极将生物电信号引入到放大器的输入端。对于心电信号的检测，临床上为了统一和便于比较所获得心电信号波形，对测定心电信号（ecg）的电极和引线与放大器的联接方式有严格的统一规定，称之为心电图的导联系统。目前国际上均采用标准导联，即将电极捆绑在手腕或脚腕的内侧面，并通过较长的屏蔽导线与心电放大器相连接。标准导联有、。 其具体联接方法如图 。 图1 标准导联联线方法2、 心电信号放大器设计要求及组成根据心电信号的特点，对心电信号放大器的要求是

3、高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声、低漂移、合适的通频带宽度和输出较大的动态范围等。典型的心电信号放大器的组成如图 所示，主要有前置放大、高通滤波、低通滤波、50hz陷波器、电压放大等电路。图2 心电信号放大器组成框图三、 主要单元电路参考设计1、 心电信号输入电极电极（导联）对心电信号放大器的质量影响很大，采用的电极应该具有贴附力强、透气性好、吸汗、电极导电性能好、极化电压低的优质电极。此外还应该具有对皮肤刺激小、佩戴舒适、拆卸方便等优点。通常采用表面镀有agci的可拆卸的一次性的软电极，并在电极上涂有优质的导电膏，目前已有成品可买。对于自制电极可以采用20mm×20mm的薄

4、铜皮作为皮肤接触电极；用带有尼龙拉扣的布带或普通布带将电极捆绑在四肢相应位置；在进行心电图测量前，使用酒精棉球仔细将与电极接触部位的皮肤擦净。2、 心电信号前置级放大电路由于心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号，所以要求前置放大器应具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力等特点，选择仪表放大器即可满足要求。考虑到要求高共模抑制比、高输入阻抗和调试方便，不使用采用集成运算放大器构成的仪表放大器，而是直接使用集成仪表放大器，本设计选用低成本集成仪表放大器ad620实现。ad620仪表放大器的管脚排列见图3。ad620作为高精度仪表放大器，只需要用改变1脚和8脚之间的外接

5、电阻，即可实现放大器11000变化范围的电压增益。该放大器的差模电压放大倍数表达式为：g=1+49.4k/rg 。ad620的最大失调电压仅为50v，失调电压温漂0.6v/，输入电压噪声为，输入电流噪声，所以作为前置放大器可以很好的工作。为了避免在强干扰信号下，放大器输出产生失真，前置放大器的电压放大倍数不能设置过高，本设计选择电压放大倍数等于10倍。 另外为了消除强共模信号通过屏蔽层电容造成放大器输出的影响，一方面要求电极（导联）线的屏蔽层不予接地，另一方面设计了自举屏蔽驱动电路，采用缓冲放大器将连接点的共模电位驱动到屏蔽线，使引线屏蔽层分布电容的两端电压保持相等，从而消除了共模电压由屏蔽层

6、分布电容引起的不均衡衰减。为了进一步提高前置放大器的共模抑制比和抗干扰能力，再采用右腿驱动电路，从根本上降低空间电场在人体上产生的干扰。整个前置放大器的电路如图 。图3 ad620管脚排列图 图4 心电信号前置放大器二、滤波器电路正常心电信号的频率范围为0.05100hz，而90%的心电信号频谱能量集中在0.2535hz之间。噪声信号来源主要有工频干扰、电极接触噪声、人为运动肌电干扰、基线漂移等，其中50hz的工频干扰最为严重。为了消除这些干扰信号，在心电信号放大器电路中，应加入高通滤波器、低通滤波器和50hz工频信号陷波器。1、 高通滤波器高通滤波器选择典型的压控电压源二阶滤波器，电路结构如

7、图 。该电路的典型参数为：截止频率，品质因数 ，通带放大倍数 。现要求滤波器的截止频率等于0.05hz，q=0.707，取电容等于47f，则电阻，选用电阻68k。通带电压放大倍数a0=3-1/q1.586，取r1=20k，rf=0.586r1=0.586×20k=11.72 k，取12 k。集成运算放大器选用高精度、低漂移运算放大器op07。图5 二阶高通滤波器2、 低通滤波器二阶低通滤波器电路如图 。该滤波器的参数指标为：截止频率，品质因数 ，通带放大倍数 。在该电路选择参数情况下，二阶低通滤波器的截止频率，。图6 二阶低通滤波器3、50hz干扰信号陷波器 50hz工频信号陷波器可

8、以采用应用广泛的双t型有源带阻滤波器，图 是自举式双t桥二阶有源带阻滤波器电路。这种滤波器的有点是品质因数可以调节，且和带阻滤波器的中心频率无关。在该电路中，当a2的同相输入端接地（反馈系数最小）时，滤波器的q值最小，大约为0.3；当a2同相输入端的电位很接近滤波器的输出电位（反馈系数大）时，这时滤波器的q值大，但q值过大会造成电路的不稳定甚至自激，一般将q值选在十至几十的范围内，调节图中rw可改变q值大小。在图中双t网络参数选择下，带阻滤波器的中心频率，要求滤波器的阻带宽度bw=2hz，则。图7 50hz干扰陷波器三、电压放大器 对于末级电压放大器的要求是应该具有低噪声、低漂移，且具有足够大

9、的电压放大能力和一定的频带宽度，同时输出具有比较大的动态范围。由于心电信号放大器总的电压放大倍数要求1000倍，前置级和高通滤波器通频带电压放大倍数分别为10和1.586，所以电压放大器的电压放大倍数为63即可满足要求。采用低噪声、宽频带集成运算放大器ne5532构成的电压放大器如图 。 图8 电压放大器 整个电路系统中所有的集成器件采用±9v电源电压，每个集成器件注意电源滤波。四、 电路安装与调试1、电路安装前请仔细查阅有关集成器件的资料，并画出详细的安装电路图。2、前置放大器调试。在图 中将输入信号端ra或la任一端接地，将大小是1v、频率是20hz的正弦波信号输入到10k和10

10、0组成的电阻分压网络，然后将100两端10mv的信号输入到前置放大器中，测量其前置放大器的输出，计算其电压放大倍数。对前置放大器共模电压放大倍数的测量方法是，将前置放大器的输入信号ra和la两端短接，同时对地输入5v频率为20hz的正弦信号，测量前置放大器的输出，计算其共模电压放大倍数。根据差模电压放大倍数和共模电压放大倍数计算共模抑制比。3、高通滤波器调试。检查图 电路连线无误后，接通±9v电源，先输入大小为1v的直流电压，测量其输出值；然后输入大小为1v的正弦波信号，改变其正弦波频率在0.01hz100hz变化，分别测量在0.01hz、0.05hz、1hz、10hz、50hz、1

11、00hz下的输出电压，并求其滤波器的下限转折频率。4、低通滤波器调试。检查图 电路连线无误后，接通±9v电源，先输入大小为1v的直流电压，测量其输出值；然后输入大小为1v的正弦波信号，保持信号幅值不变，分别测量频率在1hz200hz变化时的输出值，并测量出其上限转折频率。5、50hz信号陷波器调试。按电路图 连线后，输入幅值为1v、频率为50hz的正弦波，测量输出电压，调节电位器rw，使输出最小。测量其带阻宽度。6、整机心电放大器调试。将前置放大、滤波器电路和末级电压放大器级联起来，在输入频率为20hz、幅值为10mv信号情况下，观测整个放大器的输出波形，调节末级电压放大器电路中的r

12、w，使电压总增益达到1000倍左右。7、在电路调试正常工作后，将电极接入人体，按照标准导联联接，可以通过示波器观察人的心电波形。一般将x轴置于0.2 s/div，y轴置于0.52v/div。五、 思考题1、心电信号的特点是什么？为什么要求心电放大器具有高输入电阻、高共模抑制比？2、用eda工具，对滤波器电路进行仿真，并求出其主要的性能指标。3、试画出利用三个集成运算放大器实现的仪表放大器的电路图，并求出其差模电压放大倍数。4、在图 滤波器电路中，为什么其频带增益不能大于3？5、求出图 陷波器电路的品质因数q的表达式，说明该结构的陷波器的优点。由于正弦信号发生器的输出信号峰峰值在1v左右，和网络

13、负载串联的取样电阻上的电压降很小，要对取样后的信号进行放大。运用两级放大，前置放大级使用ad620。ad620是一种低功耗的仪用放大器，特别适合做小信号的前置放大级，经ad620放大后的小信号失真度很小，加一级ad620组成的前置放大，同样可以把系统误差控制在系统设计要求的范围内，前置放大电路如图2.10。          ad620前置放大电路图ad620应用电路由于正弦信号发生器的输出信号峰峰值在1v左右，和网络负载串联的取样电阻上的电压降很小，要对取样后的信号进行放大。运用两级放大，前置放大级使用

14、ad620。ad620是一种低功耗的仪用放大器，特别适合做小信号的前置放大级，经ad620放大后的小信号失真度很小，加一级ad620组成的前置放大，同样可以把系统误差控制在系统设计要求的范围内，前置放大电路如图。1.基于labview和matlab的心电信号分析系统设计胡晓 魏薇 郑庆州 高鹰        计算机时代     2010年 第02期0引言心电检测能为心脏疾病的正确分析诊断、治疗和监护提供客观依据,具有十分重要的社会价值和

15、经济价值1,2。labview是一种业界领先的工业标准图形化编程工具,是图形化编程语言,主要用于开发测试、测量与控制系统3。同时,labview实现了对fpga等硬件的支持,实际上也是一个参考文献 - 相似文献 - 下载指数：2.基于atmega8单片机的心电信号检测处理系统刘红霞 魏东方 秦威 朱娟 代显刚        云南大学学报(自然科学版)     2009年 第s2期心脏病是

16、威胁人类健康的三大杀手之一.据权威统计,心脏病死亡人数呈逐年大幅上升趋势.降低心脏病死亡率的根本措施是早诊断,早预防,早治疗.而早诊断和早预防的关键是及时掌握病人心电图的微小变化.现在常用的心电图设备如心电监护仪对于诊断和治疗心脏病发挥了重要作用,但是由参考文献 - 相似文献 - 下载指数：3.基于fpga软核的佩带式心电信号处理系统的设计刘成 刘娅琴        中国医疗设备     2010年 第03期心电信号

17、(electrocardiogram,ecg)中包含了人体心脏的丰富信息,记录了心脏细胞的除极和复极过程,在一定程度上客观反映了心脏各部位的生理状况,因而在临床医学中有重要意义。但人体心电信号随着检测状态及时间的变化具有明显的非平稳性,同时也会包含许多来自人体及外界的干扰信参考文献 - 相似文献4.基于体震信号的心率测量方法金晶晶 王旭 杨丹        东北大学学报(自然科学版)     2009年 第02期普遍使用的测量

18、心率的方法需要使用电极或传感器直接接触人体,会对人体产生一定约束,从而使受试者产生一定的心理负担.近些年来随着科学技术的发展,出现一种不直接接触人体,通过测量心脏跳动对人体产生的微弱震动信号,即体震信号,测量心率的方法.当心脏向外泵血时,身体就会产生引证文献1 - 参考文献 - 相似文献 - 下载指数：5.心电监护系统信号调理电路的设计侯健 李永红        工业控制计算机     2009年

19、 第01期本文提出了一种基于avr单片机的新型心电图仪系统。该系统由监护终端(便携式心电监护仪)、无线网络合电源电路组成。其中无线网络利用现代的通信网络和计算机网络,在监护终端提供接入装置就行,心电信号的采集处理是本文介绍的重点。1硬件总体框图整个心电监护终端电路设计如图1引证文献1 - 参考文献 - 相似文献 - 下载指数：6.基于经验模式分解与独立分量分析的心电信号消噪方法行鸿彦 侯进勇        中国组织工程研究与临床康复 &

20、#160;   2009年 第04期0引言传统方法消噪时,利用信号的频带特性,但当干扰与心点信号(ecg)有频带混叠时便无能为力,并会造成ecg中p波,r波等波形的衰减1-3。独立分量分析(independent component analysis,ica)为一种新的盲源分离方法,在生物医学信号处理领域有广阔的应用前景。wisbeck等4应用i.引证文献1 - 参考文献 - 相似文献 - 下载指数：7.心电信号中r波检测方法的比较研究赵文哲 方滨 沈毅 王普 &#

21、160;      生物医学工程学杂志     2009年 第01期1引言qrs波群是心电信号中最重要的成分,它反映了心室收缩时心脏内的电流活动情况。它的发生时间和波形能够提供许多关于心脏状态的信息,比如最基本的心率。因此,在心电信号的自动诊断技术中,qrs波群的检测变得非常重要。r波是qrs波群中比较容易辨识出来的部分,通常通过检测r波引证文献1 - 参考文献 - 相似文献 - 下载指数：8.基于小波变换的膈肌肌电信号降噪方法研究谢燕江 杨智 詹俦军 范正平 罗远明        中国生物医学工程学报     2009年 第02期引言慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonarydisease,copd)、阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合症(obstructive sleep apnea syndrome,osas)及其