心电放大器电池供电电路测试报告.docx

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心电放大器电池供电电路测试报告

心电放大器（电池供电）电路测试报告

心电放大器（电池供电）电路测试报告

一、实验概述

从心电放大器（电池供电）电路的最初设计、到答辩时按照李刚教授的指导所进行的修改，以及后续的焊接、检测，整个心电检测装置调试为期一个多月。

在这一个多月中，自己从最初仅仅对电路的大致理解，到对电路的分模块分析，明白其原理，最到到用实验验证理论，从实践中检验自己的所学。

由于自己单片机的知识相对薄弱，没能采用单片机进行信号的精确处理。

因此在整个心电放大器设计中，以硬件电路为主，尽可能的采用一些方法减小噪声，以生成比较完美的心电图。

二、实验电路

实验伊始，先按照最初的设计来进行电路的连接。

连接完测试时，发现一个比较重要的问题——噪声过大。

基于整体电路的设计没有问题，对部分电路进行了改动，以减少噪声的干扰，尤其是工频干扰的影响。

所采取改良的措施：

1、将前置放大电路中的四个OP07改用为OPA4251。

OPA4251相比于OP07有如下的优点：

1）集成性好

2）低功耗（Iq=25μA）

3）轨到轨rail-to-rail能够增加动态范围、抑制非线性失真、支持低电压

4）高共模抑制比（124dB）

2、尽量减少至于电路上方的电路线，防止其产生电场干扰。

并且通过焊接线将各个芯片的正负地等等引脚相连、

3、将芯片的正负电源同地之间分别加电容，起到耦合作用。

加入耦合电容之后，能够有效地抑制电磁干扰信号的传入，对容易受干扰的器件或电路加以屏蔽。

4、更换前置电路的相关参数，改变放大倍数。

第一级的放大倍数由原先的4倍改变到7倍。

增大此倍数的原因是能够在第一级就可以将提取的的信号放大，不至于因为放大太小而导致在随后的电路中信号衰减过多。

第二级放大倍数由原先的26倍改变到15倍左右，使得整个前置的放大倍数能够在100倍左右。

5、将低通改在后级放大之后，进而能够有效的滤除高频噪声的干扰。

经过实际检测相比于低通在陷波、低通之前，产生的波形的噪声更小。

6、将能够使电源取反的芯片由TI7660换成ltc660，使整个负端的电压输出电流的能力增强。

7、将后级放大电路做了比较大的变动，增加了隔直电容与滤波电容。

通过数次的修改电路，所得到的比较好的波形如下所示：

（其中，左图为本次实验电路板及其产生的心电波形

右图为保存的输出较为完美的心电波形图）

经过修改后的实验最终电路如下：

1）前置：

原理图：

实际焊接图：

在前置放大电路设计的时候，将最初的放大倍数改成了整体放大117倍左右。

其中：

第一级放大7倍

第二级放大倍数约为17倍。

更改参数的原因是，希望第一级放大能够将心电的信号在最开始的时候放大足够多的倍数，避免后续电路的损耗过多。

同时，整个前置的放大倍数希望能控制在100左右，避免将噪声放大的过多。

2）50Hz陷波

原理图：

实际焊接图：

整体电路按照最初电路焊接，准确的陷波点利用电位器进行调试。

3）低通

实际焊接图：

低通依旧采用MAX291，希望能够利用其高阶巴特沃斯滤波器的性能进行低通滤波。

4）后级放大

原理图：

实际焊接图：

整个后级放大进行了比较大的变动。

将电阻的参数进行了改动，同时新增了电容：

增添隔直电容，滤去前面的直流信号；同时采用低通与高通滤波，进一步滤去一些低频和高频的信号。

整个电路焊接的布局如下：

注：

上图从上到下，从左到右依次是：

电源、前置、50Hz陷波、低通和后级放大

（信号流经的过程为：

前置、50Hz陷波、后级放大、低通）

第一个板子的右侧为采用OP07搭建的前置，经过测试后发现其因为对称性等原因，最后产生的波形噪声比较大（也可能跟其他原因有关，但总体的电路性能不好）。

因此在第二个板子上焊接了另一个由OPA4251搭建的前置。

下图为一开始产生的噪声过大的心电图

在最初焊接第一个前置时，由于采用了OP07单运放放大器，因此整个电路板的布局十分纠结，排列的线也“错综复杂”，并且兼于自己焊接电路水平有限，焊接完成的电路板的确不敢恭维，导致在最后测试的时候发现整个电路噪声过大，严重干扰了自己的检测。

于是，自己静心开始采用OPA4251这个四运放放大器进行前置的搭建。

在这次焊接的时候，事先设计了整个电路的排布，想好了如何减少用线，如何发挥整个电路板的整个空间。

在整个焊接的过程中认真仔细，最终焊接成功了一个用线少，看起来比较美观的前置放大电路。

看到自己焊接成功的前置放大，有一种成就感和满足感，我想，这也就是工科女最为自豪的事情吧。

三、性能指标测试

1、前置放大电路相应参数测量

在最后一级输出端测量输出信号的幅值

1）差模信号

输入17Hz（人体心电信号能量最为集中的频率）差模信号。

Vi/mV

（峰峰值）

4

10

50

120

140

Vo/V

（峰峰值）

0.49680

1.20884

6.12

9.10

9.19

图像性质

放大无失真

放大无失真

放大无失真

开始失真

失真

放大倍数

差模增益

124

121

122

/

/

相应图像

Vi/mV

（峰峰值）

160

300

400

800

2000

Vo/V

（峰峰值）

9.19

9.19

9.19

9.18

8.96

图像性质

失真

失真

失真

失真

失真近似方波

放大倍数

差模增益

/

/

/

/

/

相应图像

观察测量的图像，可以看到在比较低的差模输入信号下，可以得到不失真的放大输出。

放大倍数在120倍左右。

当输出出信号超过9V左右的时候，图像开始出现失真。

随着输入信号幅值的增大，其失真程度越来越大，最后失真成方波。

在这次测试的时候，发现随着所加电压的增大（0.8V~2V），输出信号的幅值会有略微减小（9.18V降到8.96V）。

2）共模信号

输入17Hz（人体心电信号能量最为集中的频率）共模信号。

Vi/mV

（峰峰值）

4

10

50

120

140

Vo/mV

（峰峰值）

1.00

1.21

3.20

15.44

19.40

放大倍数

共模增益

0.25

0.121

0.064

0.129

0.139

相应图像

Vi/mV

（峰峰值）

160

300

400

800

2000

Vo/mV

（峰峰值）

20.99

51.29

103.75

483.12

752.40

放大倍数

共模增益

0.131

0.171

0.259

0.60

0.3762

相应图像

观察测量的图像，可以看到共模输入信号下，输出信号的幅值比较小。

在最开始信号幅值比较小时，增益比较大。

其原因可能是示波器的显示不能显示有一定的误差，或者是加入了噪声。

3）差模信号&共模信号

将所测得的共模和差模信号相比较，可以得到下列表格：

输入信号

频率/Hz

17

17

17

17

17

Vi/mV

（峰峰值）

4

10

50

120

140

差模增益

94

91

92

/

/

共模增益

0.25

0.121

0.064

0.129

0.139

共模抑制比

376

752

1438

/

/

输入信号

频率/Hz

17

17

17

17

17

Vi/mV

（峰峰值）

160

300

400

800

2000

差模增益

/

/

/

/

/

共模增益

0.131

0.171

0.259

0.60

0.3762

共模抑制比

/

/

/

/

/

可以观察到，在正常不失真放大的情况下，前置电路的共模抑制比比较高，能够达到780倍，即64。

因此能够有效的去除共模干扰。

能够达到比较高的共模信号的主要原因可能在于：

a）采用了高共模抑制比的OPA4251，并且很好的利用了他的对称性。

b）连接电路的时候尽量减少了电路线，并且有效的利用了对称性。

c）采用了耦合电容，能够或多或少降低了电磁场干扰，去掉一些干扰信号

前置放大电路中的高通电路部分测试：

测试的电路如下：

输入幅值为1V的正弦信号，改变其频率，测量其输出信号。

测试所得数据如下：

频率/mHz

10

20

30

40

50

60

70

Vo/mV

31.08

118.80

166.32

213.64

261.36

304.92

352.44

增益

0.031

0.118

0.166

0.213

0.261

0.304

0.352

频率/mHz

80

90

100

110

120

130

140

Vo/mV

388.08

427.68

459.36

498.96

526.68

554.40

582.12

增益

0.388

0.427

0.459

0.498

0.526

0.554

0.582

频率/mHz

150

160

170

180

190

200

210

Vo/mV

609.84

625.68

653.40

669.24

689.04

704.88

736.56

增益

0.609

0.625

0.653

0.669

0.689

0.704

0.736

频率/mHz

220

230

240

250

260

270

280

Vo/mV

752.40

760.32

784.08

784.08

799.92

799.92

815.76

增益

0.752

0.760

0.784

0.784

0.799

0.799

0.815

频率/mHz

290

300

310

320

330

340

350

Vo/mV

823.68

831.60

847.44

855.36

863.28

855.36

871.20

增益

0.823

0.831

0.847

0.855

0.863

0.855

0.871

频率/mHz

360

370

380

390

400

420

440

Vo/mV

871.20

879.13

887.04

887.04

887.04

894.96

918.72

增益

0.871

0.879

0.887

0.887

0.887

0.894

0.918

频率/mHz

460

480

500

520

540

560

580

Vo/mV

910.80

926.64

926.64

934.56

934.56

942.08

942.48

增益

0.910

0.926

0.926

0.934

0.934

0.942

0.942

频率/mHz

600

620

640

660

680

720

760

Vo/mV

950.40

950.46

958.32

958.32

958.32

966.24

974.16

增益

0.950

0.950

0.958

0.958

0.958

0.966

0.974

频率/mHz

780

800

850

900

1000

1200

1400

Vo/mV

974.16

974.16

980.12

982.08

990.00

997.92

997.92

增益

0.974

0.974

0.980

0.982

0.990

0.997

0.997

频率/mHz

1600

1800

2000

Vo/mV

1010

1010

1010

增益

1.01

1.01

1.01

根据数据得到波形如下：

由上图可以看到高通部分的截止频率在0.2Hz左右，能够有效的滤除低频信号和直流信号。

2、50Hz陷波

输入峰峰值为1.00V的正弦信号，通过调节频率，可以观察输出波形的峰峰值。

频率/Hz

1

5

10

15

17

Vo/V

1.01

1.01

1.01

1.01

1.01

增益

1.01

1.01

1.01

1.01

1.01

频率/Hz

20

25

30

35

40

45

46

Vo/V

0.998

0.99

0.902

0.839

0.571

0.348

0.237

增益

0.998

0.99

0.902

0.839

0.571

0.348

0.237

频率/Hz

47

48

49

50

51

52

53

Vo/V

0.190

0.134

0.087

0.063

0.095

0.143

0.182

增益

0.190

0.134

0.087

0.063

0.095

0.143

0.182

频率/Hz

54

55

56

57

58

59

60

Vo/V

0.222

0.269

0.308

0.349

0.380

0.412

0.451

增益

0.222

0.269

0.308

0.349

0.380

0.412

0.451

频率/Hz

65

70

75

80

85

90

95

Vo/V

0.563

0.665

0.736

0.792

0.824

0.855

0.879

增益

0.563

0.665

0.736

0.792

0.824

0.855

0.879

频率/Hz

100

105

110

115

120

125

130

Vo/V

0.902

0.919

0.927

0.935

0.935

0.942

0.950

增益

0.902

0.919

0.927

0.935

0.935

0.942

0.950

频率/Hz

140

150

160

170

180

190

200

Vo/V

0.958

0.963

0.974

0.982

0.982

0.990

0.990

增益

0.958

0.963

0.974

0.982

0.982

0.990

0.990

频率/Hz

210

220

230

240

250

260

270

Vo/V

0.990

0.990

0.990

0.990

0.990

0.990

1.01

增益

0.990

0.990

0.990

0.990

0.990

0.990

1.01

其对应的图像为：

该电路的截止频带在37~72Hz的范围内，截止频带比较宽。

其优点为：

能够防止电路产生振荡，同时又能尽量滤除干净50Hz左右的一些噪声。

缺点为：

某一些频率点的幅值发生了衰减，会导致心电信息的衰减。

50Hz陷波模块是心电检测装置中最为重要的一个模块，他能有效的去除工频干扰。

但是，在实际电路中，采用理论参数是无法得到比较好的陷波效果（陷波点不对或者是Q值不合适）。

因此，在焊接电路时，应当注意采用电位器。

并且将电位器调节到理论的参数值，便于后续的调节。

在进行调节时，注意先调节前三个相互匹配的电位器，将50Hz的那一点调到最小（必须要三个同时调节，以达到最好的效果）。

然后，调节剩余的那一个电位器，改变Q值，使得17Hz处能够达到增益为1，不能调节Q值过高，否则会使得整个电路振荡。

在进行50Hz调节时，收获最大的是：

一定要平心静气，静下心来去观察随着电阻的变化，示波器输出幅值的变化；所有的性能其实都是相互关联的，但是不能达到共同提升，必须通过舍弃一个性能的某一个量去换的另一个性能的提高，我们要做的就是尽量使这两者达到比较好的协调，最终使得整体的性能达到接近完美。

3、低通滤波

输入峰峰值为2.00V的正弦信号，通过调节频率，可以观察输出波形的峰峰值。

频率/Hz

1

5

10

17

50

80

90

Vo/V

2.04

2.06

2.04

2.04

2.06

2.04

2.00

增益

1.02

1.03

1.02

1.02

1.03

.02

1.00

频率/Hz

100

101

102

103

104

105

106

Vo/V

1.84

1.80

1.76

1.74

1.70

1.68

1.64

增益

0.92

0.90

0.88

0.87

0.85

0.84

0.82

频率/Hz

107

108

109

110

111

112

113

Vo/V

1.58

1.54

1.49

1.43

1.39

1.35

1.29

增益

0.79

0.77

0.745

0.715

0.685

0.675

0.645

频率/Hz

114

115

116

117

118

119

120

Vo/V

1.23

1.19

1.13

1.09

1.03

0.990

0.950

增益

0.615

0.595

0.565

0.545

0.515

0.495

0.475

频率/Hz

121

122

123

124

125

126

127

Vo/V

0.891

0.851

0.812

0.772

0.733

0.693

0.653

增益

0.4455

0.4255

0.406

0.386

0.3665

0.3465

0.3265

频率/Hz

128

129

130

131

132

133

134

Vo/V

0.614

0.594

0.574

0.534

0.495

0.475

0.455

增益

0.307

0.297

0.287

0.267

0.2475

0.2375

0.2275

频率/Hz

135

136

137

138

139

140

141

Vo/V

0.435

0.416

0.396

0.376

0.356

0.337

0.332

增益

0.2175

0.208

0.198

0.188

0,178

0.1685

0.166

频率/Hz

142

143

144

145

146

147

148

Vo/V

0.337

0.316

0.297

0.245

0.225

0.205

0.194

增益

0.1685

0.158

0.1485

0.1225

0.1125

0.1025

0.097

频率/Hz

149

150

151

152

153

154

155

Vo/V

0.194

0.186

0.180

0.168

0.154

0.150

0.144

增益

0.097

0.093

0.09

0.084

0.077

0.075

0.072

频率/Hz

156

157

160

165

170

175

180

Vo/V

0.136

0.133

0.120

0.097

0.089

0.073

0.065

增益

0.068

0.0665

0.060

0.0485

0.0445

0.0365

0.0325

频率/Hz

185

190

195

200

300

Vo/V

0.045

0.043

0.041

0.039

0.033

增益

0.0225

0.0215

0.0205

0.0195

0.0165

相应的图像为：

在进行低通测试的时候，因为采用了MAX291（八阶巴特沃斯低通滤波器），所以整个低通的效果总体来说是比较好的。

能够把100Hz以上的成分滤除，并且其下降的比较快，适合于心电检测装置。

由图可知，该低通滤波器的截止频率为112Hz，阻带衰减较快。

低通检测最大的收获是，一定要注意芯片的保护（MAX291特别容易损坏）以及整个电路的输入信号、输出信号、正电源、负电源等等，注意不要将芯片烧毁。

4、后级放大

输入17Hz（人体心电信号能量最为集中的频率）的正弦信号，改变幅值，观察输出。

Vi/V

（峰峰值）

1.00

1.10

1.13

1.20

1.50

Vo/V

（峰峰值）

8.63

9.42

9.74

9.74

9.74

图像性质

放大无失真

放大无失真

放大无失真

开始失真

失真

放大倍数

差模增益

8.63

8.56

8.62

/

/

相应图像

……

Vi/V

（峰峰值）

2.00

5.00

10.00

15.00

20.00

Vo/V

（峰峰值）

9.74

9.70

9.44

9.36

9.28

图像性质

失真

失真

失真

近似方波

失真

近似方波

失真

近似方波

放大倍数

差模增益

/

/

/

/

/

相应图像

……

……

整个后级放大模块能够很好的实现放大的功能，并且采用了TLC2252。

并且后级放大倍数可以根据自己的需要进行相应调整。

TLC2252是用德州仪器公司先进的LinCMOS工艺制作的双路运算放大器。

具有满电源电压幅度（rail-to-rail）输出性能。

相比于现有的CMOS运放具有更好的输入失调电压和更低的功耗，同时，噪声性能得到了很大的改进，共模输入电压范围比通常标准的CMOS类型的放大器。

呈现高输入阻抗和低噪声（在f=1kHz