心电信号放大器设计解析Word文档格式.docx
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学号:
2015年12月
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≥10MΩ。
2、共模抑制比≥80dB。
3、电压放大倍数1000倍。
4、频带宽度为0.5Hz~100Hz。
5、放大器的等效输入噪声(包括50Hz交流干扰)≤200μV。
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20μV~5mV,频带宽度为0.05Hz~100Hz,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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。
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脚之间的外接电阻,即可实现放大器1~1000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+49.4kΩ/Rg。
AD620的最大失调电压仅为50μV,失调电压温漂0.6μV/℃,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3AD620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0.05~100Hz,而90%的心电信号频谱能量集中在0.25~35Hz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47μF,则电阻
,选用电阻68kΩ。
通带电压放大倍数A0=3-1/Q≈1.586,取R1=20kΩ,Rf=0.586R1=0.586×
20kΩ=11.72kΩ,取12kΩ。
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:
,品质因
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750Hz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10KΩ和100Ω组成的电阻分压网络,然后将100Ω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0.01Hz~100Hz变化,分别测量在0.01Hz、0.05Hz、1Hz、10Hz、50Hz、100Hz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。
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1Hz~200Hz变化时的输出值,并测量出其上限转折频率。
550Hz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Rw,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0.2s/div,Y轴置于0.5~2V/div。
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- 电信号 放大器 设计 解析