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1、生物医学工程学院课程设计报告题 目：心电放大器的设计指导教师：XXX年 级：XXX专 业：XXX学 号：XXX学生姓名：XXXXXX年 XX月XX日心电放大器的设计摘 要心电数据采集系统是心电图（即EGC）检查仪的关键部件。ECG的幅值约为10uV5mV，频带宽度为0.035Hz100Hz，信号十分微弱。由于心电信号中通常混杂有其它生物电信号，加上50Hz市电工作频率干扰以及体外环境噪声等干扰，使得微弱的心电波信号难以测量。我们根据心电信号的特点，设计了能够采集并放大心电信号的电路。本设计由前置放大器、带通滤波器、主放大部分、50Hz陷波部分、电平抬升加法器、方波整形输出电路共七个模块组成，实
2、现了ECG检测。关键词：ECG 放大 滤波设计原理图：一、硬件电路设计方案论证1.前置放大方案论证方案一：采用通用放大器OP07或OP37将提取出来的心电信号放大合适倍数，心电信号为毫伏级，设定输入信号的峰峰值为5mV，经过前置放大信号的峰峰值变为0.5V，此时的信号已不再是小信号，便于进行后续处理。方案二：采用仪表放大器AD620，AD620具有精度高、失调电压低、失调漂移低的特性，外部电路简单，且仅需在1和8之间跨接电阻，方便调节。综合比较，由于前置放大电路是本检测系统的重要模块，它具有高输入阻抗和低输出阻抗特性，为满足阻抗要求，有效放大信号，并具有温漂小、共模抑制比高的特点，故选择方案二
3、。2.带通滤波方案论证方案一：采用一片四运算放大器LM324，用简单的压控电压源二阶带通滤波电路虽然也能实现，但是性能比较普通。 方案二：采用巴特沃斯滤波器，是一个二阶滤波器，电路原理简单，计算简单，滤波效果良好。 综合比较，由于干扰比较大，需要比较好一点的滤波器，故选择方案二。3.R方波整形方案论证方案一：采用过零比较器。采用过零比较器是一种较为简单的方波设计方法，信号电压在正负间转换时，每通过一次零点，输出的信号就产生一次跳变，从而形成一个方波上升沿或下降沿。过零比较器的设计电路比较简单，对于一般的交流正弦信号都可以测量。方案二：采用555施密特触发器。利用555定时器设计的施密特触发电路
4、也比较简单，并且施密特的触发电平在一定范围内可线性调节，因此经过电平抬升后的心电信号不过零点也可触发，同时可以很好的防止对干扰信号的触发，并且触发后的方波占空比可通过调节触发电平来改变，方便选择合适的波形进行观察。综合比较，由于心电信号不是正弦波，ECG的R波振幅较大，其它波的振幅很小，用过零比较器会使得输出信号在其它波通过零点时也产生跳变，使所得频率不正确。而施密特触发器的触发电平可调，将其调至R波以上，则输入信号每产生一个R波时，输出电平就跳变一次，从而得到准确的频率，故选择方案二。二、 硬件电路分析与计算1. 前置放大模块及右腿驱动电路图1 AD620引脚图本设计主要器件选用的是低成本集
5、成仪表放大器AD620。AD620仪表放大器的管脚排列见图1。AD620作为高精度仪表放大器， 只需要改变1脚和8脚之间的外接电阻值，即可改变电压放大增益，方便调节。经查资料，该放大器的差模电压放大倍数表达式为G = 49.4k/Rg + 1 ，其中Rg为1脚与8脚之间所接电阻值。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，作为前置放大器性能良好。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宜设置过高，我们的电路接入电阻为Rg = 3.9k ，经计算电压放大倍数为 G = 7.3 。另外为了消除强共模信号通过屏蔽层电容造成
6、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分布电容引起的不均 图2 前置放大模块及右腿驱动电路 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图如图2。 2.滤波器电路我们的模拟滤波部分的电路由低通和高通组合而成带通滤波器。 将低通和高通滤波电路串联，设置通带截止频率，就构成所需带通滤波电路。图3 带通滤波电路图图3是带通滤波电路图，采用两个运放设
7、计成一阶有源高通和低通滤波电路，组合成带通滤波，高通电路经过NE5532形成电压跟随器，对信号不放大，低通电路通过OP07放大Auu = R4/R3 + 1 = 20倍。其中C3和R5构成高通电路，其截止频率为： = 0.062 Hz ,R1和C2组成低通电路，为了不损失心电信号的高频成分，其截止频率为： = 145.2 Hz 。 3.主放大器电路该部分电路起调节增益的作用，可使输出信号达到1的量级。主放大器电路见图4，主放大器电路放大倍数计算式为：Auu = 1+ R8/R7 ，其中R8使用100k电位器，可通过调节电位器来调节整个 图4 主放大器电路电路的输出增益。4. 50Hz干扰信号陷
8、波器50Hz工频信号陷波器可以采用应用广泛的双T型有源带阻滤波器，图 5 是自举式双T桥二阶有源带阻滤波器电路。该滤波器的优点是品质因数可调，且与带阻滤波器的中心频率无关。在该电路中，当同相输入端接地（反馈系数最小）时，滤 图5 50Hz干扰信号陷波电路波器的Q值最小，大约为0.3 ；当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值最大，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。在图中双T网络参数选择下，带阻滤波器的中心频率fo为50HZ。要求滤波器的阻带宽度BW=2Hz，则。5.电平抬升电路由于本系统的A/D转换是通过单3.3V电平供电的
9、，而ECG信号经过放大后会是交变信号，为了使心电信号不失真，必须在把信号送到A/D转换之前,将输出信号升压。这里采用了一个5V的直流电源经电阻分压，如图6，其中R24是一个可 图6 电平抬升电路调电位器，用于调节触发电平。6.R方波整形电路将抬升后的正弦波整形成方波方式很多，可以利用施密特触发器或是555定时器等方法。考虑到实验的可操作性和简单性，我们选用了555定时器作为整形电路，同时在555的5脚串联上了一个20k的 电位器实现占空比可调。电路图如图7。图7 R方波整形电路三、软件仿真结果显示1.带通滤波电路 图8 0.035Hz对应增益 图9 10Hz对应增益 经过高通和低通滤波器后的波
10、形及增益见图8至图10，整个滤波部分放大倍数为20倍，紧随其后的住房大部分增益可调。 图10 100Hz对应增益2.陷波部分电路 图11 10Hz陷波增益 图12 30Hz陷波增益 图13 49Hz陷波增益 图14 50Hz陷波增益陷波部分仿真波形见图11至图15。波形完好，可见频率为50Hz时信号衰减最大，即陷波效果良好。图15 51Hz陷波增益3.加法器升压电路图16 加法器电平抬升图16是Vrms=0.5V,f=40Hz的正弦交流电压叠加2V直流电压的仿真结果，升压后为直流正弦波。图17是Vrms=1V,f=60Hz的正弦交流电压叠加1.5V直流电压的仿真结果，升压后为直流正弦波。此加法
11、器可准确实现电压按1:1的比例相叠加。图17 加法器电平抬升4.方波整形输出方波的占空比可通过调节触发电平大小来改变，只需转动电位器即可改变方波占空比。如下图18是触发电平调为0.75V时的输出方波，如图19是触发电平调为2V时的输出方波。图18 触发电平为0.75V时的方波图19 触发电平为2V时的方波四、实际测量结果及分析1.测试所用仪器（1）5V供电电源；（2）通用示波器；（3）信号源；（4）万用表；（5）Multisim仿真软件。2.前级放大（AD620）实测前级放大电路如图20。输入幅值为5mVpp，输出为37.6mVpp，放大倍数约为7.5倍，与所设计的倍数7.3倍相差无几。 图2
12、0 经AD620放大后的波形3.带通滤波（以10mVpp交流信号输入）测试将10mVpp交流信号输入带通滤波器后，经测试得出输出电压与频率的对应关系见下表1，画出其对应图形见图表1。由图可见铜带波形比较理想。表1 带通滤波测试数据表频率/Hz0.0350.040.050.070.10.20.5125电压/mVpp10.013.214.418.023.241.684.0134178196频率/Hz102040506080100120140160电压/mVpp2002012022042042002001961781584.陷波器（以1Vpp交流信号输入）测试测试陷波电路，以1Vpp交流信号输入，测
13、试输出信号对应频率关系见下表2所示。将其图形画出见图表2，可见在输入频率为50Hz时信号衰减最严重，基本实现对工频信号的有效抑制。表2陷波数据表频率/Hz10204046484950电压/Vpp1.801.761.320.7200.4560.3200.172频率/Hz515254566080100电压/Vpp0.1340.2420.5200.8201.181.721.765.电平抬升后的波形经电平台升之后，波形如图21，其输出峰峰值也是随前一级可调但是均被抬置于零电位之上。图21电平抬升波形6.方波整形经过555定时器整形后的波形实测如图22，波形完好。 图22 R方波整形波形7.实测人体心电
14、信号图这一组照片是实际测试人体心电信号波形图，从某个波峰到下一个波峰之间表示一个心电脉动周期，顺利测出心电信号。 图23 实测人体心电图由图中数据可计算得心电信号频率为f 1.25Hz ，在正常频率范围内，整个电路放大倍数范围也符2002800倍。顺利达到各项指标。五、小结本次课程设计，在查阅资料的、讨论方案、设计电路、使用仿真软件、焊接电路、检查调试电路和撰写报告方面极大地提高了我的动手能力。为了完成本课题要求，我们前期翻阅相关资料确定方案后进行了焊接鼎炉等一系列工作，在测试人体信号环节我遇到了很棘手的问题，最终在同学的帮助下，找到了问题原因，按照老师给出的方案对电路进行修改后，输出波形得到
15、了很大改善，最终顺利测试出人体心电信号，经过反复的检测测量，得出了所需数据并将其整理成数据表。虽然我们顺利的完成了本次设计任务，但是由于硬件的不稳定性以及元器件参数存在误差，导致电路中还存在部分直流电成分无法完全滤除，导线相连接触不良，滤波截止频率和陷波频率与仿真状态下的理想值稍有偏差。我会在今后的电路实验中更加注意这些问题的优化，提高测量的真实性和精度，认真的学习专业知识强化自己、丰富自己、提升自己的综合实力。参考文献1.华成英,童诗白.模拟电子技术基础（第四版） 高等教育出版社。2.阎石.数字电子技术基础（第五版）高等教育出版社。3.李瀚荪.电路分析基础（第四版） 高等教育出版社。4.高西全,丁玉美.数字信号处理（第三版）西安电子科技大学出版社。18指导教师评语：评分等级： 评阅教师： 年 月 日