低成本心电放大器设计报告

1、低成本心电放大器（交流供电）设计与测试报告作 者 姓 名：凌伟学 号：3013202225学 院：精密仪器与光电子工程学院班 级：生物医学工程一班指 导 教 师：李刚天 津 大 学2015年1月1. 题目要求交流供电低成本心电放大器：要求与主要技术指标：A.输入电阻>5MB.共模抑制比>80dBC.输出摆幅>2.5V（采用单片机采集时动态范围28）D.频带：0.0575HzE.具有光电隔离F.制作相应的稳压电源2. 总体设计方案整体电路设计框图如下：心电信号前置放大光电隔离低通滤波50Hz陷波后级放大LA RA 右腿驱动RL220V交流VccVee稳压电源DC/DC隔离其中前

2、置放大电路中包含有高通滤波部分。220V交流电经稳压电源整流滤波稳压后输出±Vcc，为光电隔离后的电路供电；DC/DC隔离电路将稳压后的±Vcc隔离并输出±Vee为前级电路供电。总体电路实物图：3. 单元电路设计1. 稳压电源稳压电源包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。选用桥式整流电路，这儿选取元器件要注意二极管的极限电流和变压器的功率选择。流经每个二极管的电流 ，变压器功率P=UI，由于电路中电流很小，变压器功率选择成本最低的3W，整流二极管选用1N4007，该二极管主要参数：最大正向平均整流电流1.0A、最高反向耐压1000V、正向压降1.0V。稳压电路

3、选用三端集成稳压器7812和7912，用以稳定输出±12V， C1 C2 是滤波电容，容值大小由充放电时间和输出波纹系数决定，一般取容值较大的电容，此处耐压为15V，因此选取1000F/25V的电容。C3C4作用是缓解负载突变、改善瞬态响应，这儿取220F/25V。C5C6用来实现频率补偿、防止自激振荡、减少高频噪声，选取参数0.1F/25V。实物图：测试结果： 如图，稳压电源能稳定输出11.7V、11.8V，此电压下运放能正常工作。2. DC/DC隔离电路由于在电路中加入了光电耦合放大器，则前后级之间不能有任何电的连接，因此需要DC/DC隔离电路为前级供电，而后级用稳压电源供电。以

4、下是一个隔离输出±12V的芯片，然而在实验室为了实验方便，在测试光电隔离部分电路时我直接用电池为前级供电。 3. 前置放大电路如图，前级放大倍数不能太高，一般为10倍左右，第一级为并联差动输入，此处放大倍数。R4和R5用于取出共模信号至右腿驱动，之后接高通滤波，截止频率 ，则取R6=R7=10M，C1=C2=0.33F。之后再通过AD620放大，放大倍数为，其中=10K。则前置放大级总的放大倍数为12倍。AD620是一个低成本高精度的仪器放大器，具有98dB的高共模抑制比，大于10M的输入阻抗，因此符合本实验电路的要求。实物图：测试结果：测试时输入端接信号发生器，其中一个输入端要接地

5、，输入正弦信号，用示波器检测输出幅值。频率/Hz输入/mV输出/mV150506.3550619.22050617.8由于信号发生器和示波器都有带宽限制，所以1Hz的测试数据不可靠。4. 右腿驱动电路实物图：从前级放大里的R4R5检出共模电压，通过具有缓冲隔离效果的跟随器，经反相放大器放大，再通过电阻R1反馈到右腿，减少位移电流的干扰。5. 光电隔离电路实物图：测试结果：实际使用的光耦是PC817C，传输正弦时发现会有一定时间延迟，但是线性度还好6. 低通滤波电路低通滤波电路的理论电阻阻值为21k，实验调试时为将截止频率调到75Hz，将电阻换成图中阻值的电阻。实物图：测试结果：频率/Hz104

6、075100输入/mV52.2253.0653.0653.06输出/mV51.4845.1437.2225.37. 50Hz陷波电路实物图：测试结果：频率/Hz475053输入/mV51.4851.4851.48输出/mV35.247.5231.28仅保存了较早的实验图片和数据，实际实验中通过不断调整R1R2的阻值，使得中心频率在50Hz，再调节电位器，最好的时候在50Hz处能陷到原输入幅值的1/30，输出的心电基本没有50Hz的工频干扰。由于题中没有关于陷波带宽的要求，所以我的50Hz陷波适当将Q值降低，以获得更好的陷波效果。8. 后级放大电路实物图：测试结果：测试时输入端接信号发生器，输入

7、正弦信号，用示波器检测输出幅值。由于刚开始后级放大只放大了100倍，发现心电幅值很小，后来又逐渐增大放大倍数至266倍，于是仅保存了之前放大100倍的图片。 4. 性能指标测试12/10/2015测试结果：（第一次出心电！太感人了！） 12/15/2015测试结果：50Hz干扰很严重 12/19/2015测试结果：重新调整50Hz陷波，干扰小了很多12/24/2015测试结果：放大倍数已经达到要求，工频干扰也较小 12/31/2015测试结果：跨年夜并没有带来好运，用自己做的稳压电源给电路供电后，50Hz干扰又爆炸了，即使陷波电路调整得较好，干扰还是很大。猜想是稳压电源变压器没有屏蔽措施，或屏

8、蔽得不好，磁通泄露产生了较强的电磁干扰，从而使电路工频干扰增大。1/5/2016测试结果：基本是最终输出结果了题目要求的电路性能指标的测试结果：除稳压电源的干扰问题没解决外，其他技术指标均达到要求。5. 总结与感想对题目设计和测试结果进行总结：刚开始设计电路时一头雾水，不知从何下手，之后咨询了上一届的学姐，自己也看了一遍医电书，在网上找了些论文，大致了解了心电图机的结构，于是便有了报告最开始的那个设计框图。前置放大部分参考了医电书上的共模驱动电路和右腿驱动电路，低通、陷波和后级放大部分都是之前实验做过的，所以电路结构比较熟悉。稳压电源参考了模电书上学过的知识。然而实验之后才发现，设计的理论值与

9、实验的实际值相差甚远，比如低通截止频率降到了71Hz，比如50Hz陷波的中心频率偏到了57Hz，又比如刚开始没有考虑到稳压电源里的耐压导致电容烧了几个。这就印证了李老师的一句话，“怎么努力都不过分”，所有的电路都需要不断地实验不断地调试才能接近所要求的指标，例如陷波电路，要想将中心频率调至50Hz就得1K1K地增减电阻，找到最合适的阻值。总体来说，还是基本达到了老师要求的指标。稳压电源虽然能稳定输出直流，但验收那天我依然选择用实验室的直流电源供电，一方面是怕自己制作的稳压电源出故障烧坏电路另一方面是依然没能解决稳压电源接入电路后工频干扰增大的现象。我猜想可以给变压器加一个屏蔽盒，减少电压器引起

10、的电磁干扰；也有可能是光电隔离部分做得不够好，电路的抗干扰能力比较差。开题报告时的问题：1. 前置放大处的右腿驱动问题开题报告时我的前置放大里没有共模驱动，而是直接从高通部分对称的10M电阻处取出共模信号加至右腿驱动，老师说这样除非高通处电阻电容的精度足够高，对称性足够好，不然一点点偏置电流经过10M，产生的电压就足够影响此处取出的共模电压，使得右腿驱动没意义。之后我就在并联差动输入后接入两个10K的电阻，取出共模信号，经过跟随器后一方面接至右腿驱动，另一方面接到高通的结点上，既可以成功检出共模电压，也可以降低高通电阻电容的精度要求。2. 光电隔离我使用的PC817C光耦内部是由一个半导体发光

11、二极管和一个光敏三极管组成，输入的电信号驱动二极管发光，被光探测器接受产生光电流，再经过放大后输出，实现光-电-光的转换，从而起到隔离作用。光电隔离只能从输入流向输出，单向传输性提供了良好的抗干扰能力。实验时需通过电位器调节静态工作点，使得三极管在正常线性工作区，才能保证光耦的传输呈线性。3. 50Hz陷波陷波电路刚开始我只用了一个1M的电位器调节Q值，实验时发现基本调不了带宽，要么50Hz处陷得不好，要么带宽非常大，从十几Hz就开始衰减。后来改用1K的电位器，再串联一个10K的电阻，这样相当于仅有20%的可调范围，可以较为精确地调Q值。课程体会与感想：首先要感谢老师这学期的教导，虽然刚开始在

12、舆论影响下对老师很敬畏，每节课也努力地坐前排，但是后来发现这种模式的好处就是整整一节课都在全神贯注地听课，这是上大学以来第一次那么认真那么完整地听课。而且每次课堂留的思考题，每次做实验遇到的问题都得自己翻书查资料，在这其中学到了不少知识，比如一个最简单的RC电路，根据不同阻值容值的搭配可以是很多不同的电路；又比如第一节课那个最初的问题，“运放有哪些参数”，虽然现在我也没把握把参数说全，但是这就告诉我们设计电路时需要考虑的因素有很多，让我对元器件的选择有了新的认识。虽然老师一直在责备我们是“傻瓜式的学习”，但我却是挺认可的，因为实际做了实验才知道自己模电知识学得多么肤浅，不管是之前的实验还是最后的大作业，都得经常去实验室，不仅对示波器、信号发生器等基本仪器的使用变得熟悉，还深刻认识到理论和实际的差距，纸上的东西都是不靠谱的，别人所说的经验参数到自己这儿可能误差就非常大，所以还得自己动手去尝试。“一个测量仪器的永恒目标是更低的噪声、干扰，而不是多高的放大倍数。”这句话在做心电放大器时感受