心电信号放大器设计解析

成绩:2015-2016学年01学期电力电子电气传动与可编程控制技术（1） ”BUCK变换器的设计与仿真姓名： 专业： 班级： 学号： 2015年 12 月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A 10MQO2、 共模抑制比A 80dB。3、 电压放大倍数1000倍。4、 频带宽度为 0.5Hz100Hz。5、 放大器的等效输入噪声（包括50Hz交流干扰） 200区V。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20V5mV,频带宽 度为0.05Hz100Hz,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、n、田。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、电压放大等电路输入信号高 通 滤 波低 通 滤 波带 阻 滤 波电压放大输出信号屏蔽驱动+卜右腿图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20mmx 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11000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+49.4kQ/Rg。AD620的最大失调电压仅为 50 H V,失调电压温漂0.6pV/C,输 入电压噪声为9nV/THZ,输入电流噪声0.1pA/VHz ,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外 接Vol增参益正 输 考 电电出电阻源端压Rg+VsVoVrefAD620-VS负电源H加输入信号正 回小输入信号负 uRg外接增益电8回可图3 AD620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 0.05100Hz,而90%的心电信号频 谱能量集中在0.2535Hz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 f0京，品质因数 R,通带放大倍数41。Ri现要求滤波器的截止频率等于0.05Hz, Q=0.707,取电容等于47 pF,贝U电阻R 16 67.8k Q,选用电阻68k Q。2 3.14 47 10 6 0.05通带电压放大倍数 A0=3-1/Q=1.586,取 R=20kQ, R=0.586R=0.586x20kQ=11.72 kQ,取12 kQ。集成运算放大器选用高精度、低漂移运算放大器OP07。|R1 Rf 12k 20k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：截止频率七品质因2 RC数Q -,通带放大倍数A 1 。在该电路选择参数情况下，二3 Ao阶 低 通 滤 波 器的 截 止 频 率106.4 Hz , Q2。3 A。12 RC2 3.14 68 103 0.022 10 6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f02 RC 2 3.14 68 1 03 0.047 1 0 650Hz ,要求滤波器的阻带宽度BW=2Hz,则Qf05025BW 2图7 50Hz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士 9V电源电压，每个集成器件注意电源滤波。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IV、频率是20Hz的正弦波信号输入到10KQ和100Q组成的电阻分压网络，然后将 100Q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0.01Hz100Hz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。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， 保持信号幅值不变， 分别测量频率在1Hz200Hz 变化时的输出值，并测量出其上限转折频率。5 50Hz 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 0.2 s/div， Y轴置于 0.52V/div