电子大赛12其他篇简易心电图仪

1、2004 年省电子设计竞赛一等奖简易心电图仪技大学电工电子科技创新中心华摘要：本设计应用高精度的仪表放大器INA128组成放大电路对心电信号进行放大，采用有源滤波电路和数字滤波等技术对心电波形进行综合处理，实现了心电信号同时测量显示、及回放，并配有语音提示功能。二阶滤波 。它和一阶滤波采用类似的结构，但幅频特性赛题分析与方案论证本系统的用途是对心电信号进行检测、曲线能达到-40dB/10，滤波效果比一阶明显。和回放。由于二阶以上的高阶滤波。它是由多个一阶和二阶滤波器组成的，效果自然要比上述两种滤波器好，但其电路比一阶和二阶复杂，所需电阻电容较多，而电阻电容的实际值很难与设计要求精确匹配，有时为

2、了匹配一个阻值需要好几个电阻串并联，心电信号为弱信号，因此本系统对高的要求。方案论证主要集中在和信号处理能力有较和信号处理部分。1.部分因为赛题已要求用20mm 20mm 薄铜皮作为与皮肤接触的同时由于不能避免环境对电阻电容的影响，因此用的电阻简易电极，因此部分的方案选用主要在信号的放大部分。电容越多，误差就越大，导致实际的滤波效果与设计时所期望的存在一定差距。本赛题只对截止频率的精确度有要求，而对关于信号放大的方案论证如下：（1）采用如OP07、NE5534 等低噪声，具有一定精度的普系统的频域衰波方案。数字滤波方案率未做特别要求，因此可以不必选择高阶滤通运算放大器来构建放大电路，但从体表到

3、的信号除了人体心脏产生的电信号外，还包含肌电、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，CMR（共模抑制比）是衡量心电图仪性能的重要指标之一。心电图仪要求运算放大器的CMR不小于80dB。上述两种运算放大器的共模抑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。本系统的数制

4、能力虽能满足这个要求，但用这样的单个运放以达到较高的CMR，故不采取此方案。的电路难字处理器61A 单片机可达到49.512MHz 的时钟频率，而且（2）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，CMR 大于 120dB，而且只需外接一个电阻就可调节增益。INA128可将毫伏级的心电信号放大成伏级信号，便于测量。同时，INA128 对直流电源的要求低，甚提供计数器计时中断。计数器的时钟源频率最高可以设置为24.512MHz，经过分频后有多种采样频率可选。而且单片机的汇编语言中已经有FIR算法可以直接应用，因此可以做出16阶的数字滤波。虽然16 阶的数字滤波器效

5、果不是十分理想，不能充分发挥数字滤波的性能，但可以起辅助滤波作用。综上所述，由于本系统除了波形处理外，还要求具有数字和回放功能，因此本系统采用模拟、数字滤波相结合的方至只需2.25V的直流电源电压就可色的功能特性，静态电流只有700 A，功耗非常低。因此，在小信号放大部分选择仪表放大器INA128。2心电信号处理部分由于心电信号属于低频小信号，易受干扰，因此必须对所采案，对通过两种标准导联所的心电信号分别进行以100Hz 和500Hz 为截止频率的模拟低通滤波，对要进行的集的信号进行高通、低通、陷波处理。因此部分的方案论证主要放在滤波部分。（1）高通滤波部分心电信号处理信号，在用单片机采样的同

6、时对其进行数字滤波，截止频率可设置低于50Hz，以避免工频形更为清晰。（3）陷波处理，使所回放的心电波考虑到本系统高通滤波部分的截止频率较低，且对精度也没有严格要求，因此选用结构和设计都十分简单的RC一阶无源滤波，其效果不错且易于实现。（2）低通滤波部分低通滤波可选有源滤波或数字滤波。有源滤波一阶滤波。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，同时由于具有缓冲作用，滤波效果比无源滤波器好，幅频特性曲线可达到-20dB/10倍频程，但要想实现更明显的滤波效果，此方案仍未满足要求。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

7、。处理方案集中在两种：自适应相干模板法和模拟陷波法。自适应相关模板法 自适应相关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的模板，进而从原始输入信号中减去工频干扰的模板，达到滤除工频干扰的目的。但这种方法算法虽简单但程序设计比较复杂，考虑到竞赛时间有限，故不采取这个方案。模拟双T陷波图1为双网络幅频特性曲线。通过图1幅32 电子世界 2005 年2 期校园电子频特性可知，对于=0的其他频率信号， 通过双T网络具有较强的负反馈，因为双网络具有良好的滤波特性，在仪表的电源噪声滤波电路中获得了较为广泛的应用，又因为双 T 网络具有比RC 串、并联网络更好的选频特性，故双T 网络进行陷

8、波。选用综上比较，模拟陷波方案比较简易可行，因此选择模拟陷波方案。系统设计综合以上方案论证与分析，电仪系统结构图。得出如图2所示的简易心1前置放大部分图3 为心电信号放大电路。电极到的心电信号大约为20 V20mV，而灵敏的仪表放大器INA128 只需外接一个电阻就能将信号放大 110000 倍，其增益G 与外接电阻的RG 的计算公式为： 33电子世界 2005 年2 期校园电子如表2。（3）频带内响应波动指标测试为了减小工频干扰了陷波电路，所以对50Hz左右的信号衰减是较大的，自然也就不能满足题目对“频带内响应波动在 3dB 之内”的要求。直流稳压电源测试 因为示波器在测量毫伏级的信号时误差

9、较大，所以用FLUKE45双显示多功能测试仪来检测电源的纹波。在给放大器供电情况下，输出交流噪声有效值为 0.1mV。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。图 7序所用的flash外，还有很多空间可用，因此可利用片上flash进行波形。用计数器定时采样，采样频率约为3kHz，每次采样占用1word的flash突，只用20k的flash，理论空间，为保证不与的程序代码冲时间为： 20k/ 3k 6.67s使用的是61A 单片机片上的ADC，其输入动态范围为03.3V。

10、观察处理后的心电信号波形，其最小值为-1V左右，所以利用了一个范围在02V的可调加法器将心电信（6心电信号测试让被检测静卧，将电极安装号偏置到03V 之间，保证能到全部的心电信号。在相应部位，在电极安装前用医用涂抹在电极放置部位，在之前对采样的数据进行数字低通滤波，使的心清洁皮肤表面，以减小电极接触电阻。并叮嘱被检测保持电信号更为清晰。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，但由于时间问题，未4盒考虑到心电信号极其微弱，而测试环境存在着电磁及时。信号（一路为100Hz 低通滤波，另一路为500Hz 低通干扰（周围有许多计算机），尽管地排除了干

11、扰，但本着精益求精的原则述的设计当中已尽量还为信号与滤波），可同时接入示波器显示，其中用100Hz低通滤波的波形明显比500Hz 低通滤波的波形清晰。放大部分加上了盒。由于金属外壳可阻挡外界的电磁干扰，用黄铜皮做了一个方形的外壳加在电路板外，并将金属壳与大地相连。测试表明效果有所改善，心电信号基线上的纹波变小了。测试仪器与测试仪器FLUKE17B 多功能数字万用表，数字示波器Tektronix TDS1002 ，YB1620P 功率函数发生器，直流稳压电源 DF1731SL1ATA，FLUKE45 多功能测试仪。测试（7）波形与回放先将用加法器处理过的心电信号输入A/D，并按键进行，系统提示“

12、完毕”后将输入端断开，按键回放波形，发现仍有输出且与刚才的一段匹配，从而验证了波形回放功能。总 结在完成这个简易心电图仪的过程中 集中在滤波器的设计和调试上。合理地运用把注意要设计滤波器可以节省很多功夫，但完全照搬也不能达到预想的效果，因为实际参数无法与设计精确匹配，因此的做法是在关键的地方用可调器件，为电路留下余地。只要正确地调节就能达到指标要求。针对赛题的基本要求与扩展要求，进行了测试。（1）电压放大倍数与输出电压动态范围测试 通过YB1620P功率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， 输出波形的幅值，得到增益测试点评：在2004年省大学生电子设计竞赛B 题（简易心电图仪）的参赛队中，该作品的成绩名列前茅，电路的大部分技术指标达到了题目要求，特别是发挥部分做得较好，可数据如表1，其中电压均为值。在普通示波器上清晰、稳定地显示实际的心电图。该设计中应用了集成仪表放大器，使心电放大器达到较高的共模抑制比，采用模拟有源滤波电路和数字滤波技术，使输出信号达到较高的信噪比。设计中，方案论证、理论推导与计算基本正确，测试数据真实。结