《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)-心電圖儀設(shè)計(jì)與制作

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 </p><p>　　題 目: 心電圖儀設(shè)計(jì)與制作</p>&

2、lt;p>　　初始條件：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、會(huì)使用Multisim進(jìn)行仿真分析.</p><p>　　要求完成的主要任務(wù): </p><p>　　制作一路心電信號(hào)放大器，技術(shù)指標(biāo)如下：</p><p>　　a．電壓放大倍數(shù)：1000，誤差： 5％；</p><p>　　b．－3dB低頻截止頻率：0.05Hz（可不測試，由電路設(shè)計(jì)予以保

3、證）；</p><p>　　c．－3dB高頻截止頻率：30Hz，誤差：5Hz；</p><p>　　d．頻帶內(nèi)響應(yīng)波動(dòng)：在3dB之內(nèi)；</p><p>　　e．共模抑制比： 60dB（含1.5m長的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線，共模輸入電壓范圍：7.5V）；</p><p>　　f．差模輸入電阻： 5MΩ（可不測試，由電路設(shè)計(jì)予以保證）；</p>

4、<p><b>　　時(shí)間安排：</b></p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p>

5、<p><b>　　摘 要3</b></p><p><b>　　Abstact4</b></p><p><b>　　引 言5</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)方案比較6</p><p>　　1.1 光電效應(yīng)手指脈搏傳感器6</p>

6、<p>　　1.2 壓電陶瓷式脈搏傳感器7</p><p>　　1.3 銅片式脈搏傳感器7</p><p>　　2 單元電路設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.1 前置放大部分9</p><p>　　2.2 帶通濾波電路12</p><p>　　2.3 后級(jí)放大電路13</p><

7、;p>　　3 仿真結(jié)果及分析14</p><p>　　3.1 前置放大電路部分仿真14</p><p>　　3.2 帶通濾波部分仿真14</p><p>　　3.3 放大部分仿真15</p><p>　　3.4 整體電路仿真16</p><p><b>　　4 總結(jié)18</b>&

8、lt;/p><p><b>　　5 元件清單19</b></p><p><b>　　6 參考文獻(xiàn)20</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文主要介紹了如何應(yīng)用放大電路，抑制共模信號(hào)電路，低通濾波電路及后級(jí)放大電路設(shè)計(jì)簡易心電圖儀.本文還

9、介紹了心電信號(hào)的特點(diǎn)及其對(duì)放大電路的要求.對(duì)于具體的單元電路設(shè)計(jì)也做了簡要介紹.</p><p><b>　　Abstact</b></p><p>　　This paper mainly introduces how to apply the amplifier circuit and suppress common mode signal circuit,low-

10、pass filter circuit and after-class amplifier design simple Electrocardiograph.This article also describes the characteristics of ECG and its impact on amplifier requirements.With regard to the specific circuit design un

11、it also made a brief introduction.</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段.心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關(guān)鍵部件. 如下圖所示,心電信號(hào)主要由P波、QRS波群、T波組成.正常P波的寬度不超過0.11s，最高幅度不超過2.5mm.正常人的QRS波群最高不超過0.10s。

12、而T波不應(yīng)低于R波1/10.其主要頻率范圍為0.05~30HZ,幅度約為0~5mV,信號(hào)十分微弱.</p><p><b>　　心電信號(hào)圖</b></p><p>　　由于心電信號(hào)中通常混雜有其它生物電信號(hào),加之體外以50Hz工頻干擾為主的電磁場的干擾,使得心電噪聲背景較強(qiáng),測量條件比較復(fù)雜.為了不失真地檢出有臨床價(jià)值的干凈心電信號(hào),往往要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度

13、、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強(qiáng)抗干擾能力等性能.本文利用OP07芯片設(shè)計(jì)了一種符合上述要求的多路心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).</p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)方案比較</b></p><p>　　1.1 光電效應(yīng)手指脈搏傳感器</p><p><b>　　圖1-1</b></p><p>

14、;　　利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光電池.由于心臟的跳動(dòng),引起手指尖的微血管的體積發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)光通過手指尖射到硅光電池時(shí),產(chǎn)生光電效應(yīng),這樣就把人體的脈搏轉(zhuǎn)換為相應(yīng)于脈博的電信號(hào), 方便檢測.</p><p>　　一級(jí)放大電路部分:采用運(yùn)放LM324作為放大芯片,把指尖取出的極微弱的0.1uA～3 uA的電流放大約20倍.</p><p>　　昂二階低通濾波部

15、分: 按人體脈搏在最高跳動(dòng)次數(shù)240 次/min 計(jì)算，據(jù)歸一化法設(shè)計(jì)低通放大器，-3dB截止頻率為14HZ.</p><p>　　電源部分采用電池供電.</p><p>　　其優(yōu)點(diǎn)是,電路結(jié)構(gòu)簡單,易于制作.</p><p>　　但缺點(diǎn)是,光電效應(yīng)手指脈搏傳感器價(jià)格貴,且入射光強(qiáng)太強(qiáng)時(shí),會(huì)使輸出飽和.</p><p>　　此外,由于缺少陷波

16、部分的設(shè)計(jì),50HZ的工頻信號(hào)會(huì)給電路帶來極大干擾,使輸出信號(hào)失真.</p><p>　　1.2 壓電陶瓷式脈搏傳感器</p><p><b>　　圖1-2</b></p><p>　　選用壓電陶瓷片HTD作為傳感器，把人體的脈搏震動(dòng)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)輸入到放大整形電路的輸入端口. 其優(yōu)點(diǎn)是制作方便,但價(jià)格相對(duì)較貴.</p><

17、p>　　數(shù)據(jù)采集部分,用OP07這種具有一定精度的普通運(yùn)算放大器來構(gòu)建放大電路.</p><p>　　濾波部分選用數(shù)字濾波.數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)可調(diào)節(jié)性好，可以通過更改程序中的參數(shù)對(duì)截止頻率進(jìn)行精確的調(diào)節(jié).由于參數(shù)不會(huì)隨溫度等環(huán)境因素改變從而精確度得到保證，但是數(shù)字濾波對(duì)處理器的要求比較高，想要得到更好的濾波效果就要求濾波器取更高的階數(shù)，處理器時(shí)鐘周期盡可能小，乘法的計(jì)算速度盡可能大，一般非DSP處理器達(dá)不

18、到要求.</p><p>　　電源部分采用7805和7905輸出正負(fù)五伏直流電壓為運(yùn)算放大器供電.</p><p>　　1.3 銅片式脈搏傳感器</p><p><b>　　圖1-3</b></p><p>　　銅片式脈搏傳感器的原理與壓電陶瓷類似,由于銅片的形變產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào). 其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉,但缺點(diǎn)是極易受到干擾

19、.</p><p>　　前置放大電路選用儀用放大器OP07作為前置放大器. 由于人體心電信號(hào)十分微弱,噪聲背景強(qiáng)且信號(hào)源阻抗較大,加之電極引入的極化電壓差值較大(比心電差值幅度大幾百倍),因此,通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能, OP07具有高輸入阻抗、低噪音、高精度、較高建立時(shí)間、低功耗等特性,而理論上其共模抑制比為無窮大,非常適合作為醫(yī)療儀

20、器前置放大器使用.</p><p>　　濾波部分選用OP07組成的二階帶通濾波器.其濾波效果比一階濾波明顯,又不像高階濾波會(huì)因?yàn)殡娮桦娙堇鄯e誤差過大影響濾波效果.</p><p>　　后級(jí)放大部分用OP07做放大，電源部分采用正負(fù)12V直流電壓為運(yùn)算放大器供電.</p><p>　　因此,綜合各種原因考慮,決定使用銅片式脈搏傳感器.</p><p

21、><b>　　2 單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 前置放大部分</p><p>　　因?yàn)榻邮艿男盘?hào)非常微弱，對(duì)于后級(jí)的信號(hào)處理和測量較難實(shí)現(xiàn)，所以在進(jìn)行信號(hào)處理之前必須先對(duì)信號(hào)進(jìn)行前置放大.對(duì)前置放大電路的要求是超低的噪聲，捕獲信號(hào)的能力較強(qiáng)（因?yàn)樾盘?hào)是非常微弱的），所以這就需要前放電路有很大的輸入電阻.那么根據(jù)這一要求，查資料比較之后，我選擇

22、了OP07這一芯片，該芯片的特點(diǎn)是雙電源供電，內(nèi)部噪聲小.</p><p>　　對(duì)于前放有兩種接法，同相放大和反相放大兩種.下面分別討論.</p><p><b>　　(1)同相放大電路</b></p><p>　　對(duì)于同相放大電路，其基本電路示意圖如圖2-1所示：</p><p><b>　　圖2-1 同相輸

23、入</b></p><p>　　我們知道，理想的運(yùn)算放大器有一個(gè)特點(diǎn)：輸入電阻無窮大.所以根據(jù)其示意圖可以看出，對(duì)于同相電路的接法，其輸入電阻即為運(yùn)放的內(nèi)阻，可是為無窮大，這樣電路捕獲信號(hào)的能力很強(qiáng)，適合作為前置放大.同時(shí)這樣做也就保證了輸入電阻>5M歐.</p><p><b>　　(2)反相放大電路</b></p><p>

24、;　　電路示意圖如圖2-2所示:</p><p><b>　　圖2-2 反相輸入</b></p><p>　　從該電路的特點(diǎn)我們可以看出，該電路的輸入阻抗可近似看成R1的阻抗，因?yàn)槲覀冃枰东@信號(hào)的能力很強(qiáng)，盡管可以增加R1來提高捕獲微弱信號(hào)的能力，但是要保證輸入電阻>5M歐的話，這樣大的電阻會(huì)帶來很大的熱噪聲，而且這樣也要求反饋電阻更大，進(jìn)一步加大熱噪聲，這樣

25、非常不利于微弱信號(hào)的放大.</p><p>　　根據(jù)以上的比較，前放電路選擇了同相放大的電路形式.</p><p>　　前置放大電路設(shè)計(jì)電路如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 前置放大電路</p><p>　　這一級(jí)的放大倍數(shù)為A=1+R2/R1，選擇這一級(jí)放大倍數(shù)為50，由于芯片已經(jīng)保證輸入電阻無窮大，所以R1可不取很大，取R

26、1=10K，那么R2就取490K.</p><p>　　2.2 帶通濾波電路</p><p>　　如圖2-4所示,帶通濾波由雙運(yùn)放集成電路OP07構(gòu)成.OP07具有高精度,低偏置,低功耗等特性,片內(nèi)集成了兩個(gè)運(yùn)放,可靈活組成各類放大和濾波電路.由于心電信號(hào)主要集中在0.05HZ到30HZ的頻帶范圍內(nèi),因此,采用OP07的兩個(gè)運(yùn)放分別設(shè)計(jì)二階有源高通和低通濾波器組合成帶通濾波.OP07采用正

27、負(fù)12V直流電源供電.濾波部分的放大倍數(shù)為1. </p><p>　　圖2-4 帶通濾波電路</p><p>　　其中C3,C4,R1,R4構(gòu)成二階高通濾波器,為了不損失心電信號(hào)的低頻成分,其截止頻率設(shè)計(jì)為f=0.05HZ.那么,w=2πf=0.31416rad/s. 選取電容C3=C4=22uF,則參數(shù)K=100/(fc)=90.9.查閱二階高通濾波器設(shè)計(jì)表并綜合壓控電壓源性能參數(shù)計(jì)

28、算公式w*w=1/( C3*C4*R1*R4)可得,選取,R1=100K,R4=200K即可.同樣,選取C1,C5,R2,R3構(gòu)成低通濾波器.為了不損失其高頻成分,截止頻率設(shè)計(jì)為30HZ. 那么,w=2πf=188.496 rad/s. 由計(jì)算公式w*w=1/( C1*C5*R2*R3)可得,選取,C1=3.3 uF,C5=1uF,R2=2.6K,R3=4.7K即可滿足條件.</p><p>　　2.3 后級(jí)放大

29、電路</p><p>　　后級(jí)放大電路如圖2-5所示：</p><p>　　圖2-5 后級(jí)放大電路</p><p>　　由于前置放大部分選擇的放大倍數(shù)為50，所以這一級(jí)放大倍數(shù)選擇為20，后級(jí)放大使用反相放大電路，其電壓增益為A=R2/R1，取R1=10K,則R2取200K即可.</p><p><b>　　3 仿真結(jié)果及分析&l

30、t;/b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用Multisim軟件進(jìn)行仿真，仿真過程及分析如下.</p><p>　　3.1 前置放大電路部分仿真</p><p>　　仿真波形及幅值如圖3-1：</p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>　　輸入電壓峰值為4mV，而輸出電壓峰

31、值為399/2=199.5mV，計(jì)算得放大倍數(shù)為199.5/4=49.9，與設(shè)計(jì)時(shí)所預(yù)想的誤差非常小.</p><p>　　3.2 帶通濾波部分仿真</p><p>　　帶通濾波20HZ時(shí)波形如圖3-2：</p><p><b>　　圖3-2</b></p><p>　　此時(shí)輸出峰峰值810mV，而輸入峰峰值為800mV

32、，沒有失真，放大倍數(shù)幾乎為1，符合設(shè)定要求.</p><p>　　30HZ時(shí)波形如圖3-3：</p><p><b>　　圖3-3</b></p><p>　　可見30HZ時(shí)輸出峰峰值將為554mV，符合設(shè)計(jì)要求的-3dB時(shí)高頻截止幅值頻率30Hz，即800*0.7=560 mV.</p><p>　　由于1Hz以下頻率

33、太低，函數(shù)發(fā)生器不穩(wěn)定，無法正常測試，所以不再測試.</p><p>　　3.3 放大部分仿真</p><p>　　放大部分仿真波形如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 放大部分波形</p><p>　　輸入電壓峰值為200mV，輸出電壓峰值為8/2=4V，所以這一級(jí)放大倍數(shù)為4/0.2=20，與設(shè)計(jì)要求完全符合.</p>

34、;<p>　　3.4 整體電路仿真</p><p>　　將前置放大，帶通濾波，后級(jí)放大級(jí)聯(lián)，如圖3-5：</p><p>　　圖3-5 整體電路圖</p><p>　　輸入20Hz，峰值4mV(即峰峰值8mV)正弦信號(hào)，得到的輸出波形及參數(shù)如圖3-6：</p><p><b>　　圖3-6</b><

35、/p><p>　　輸入峰值為4mV(即峰峰值8mV)，而頻率為30Hz正弦波信號(hào)時(shí)，輸出波形及幅值如圖3-7：</p><p><b>　　圖3-7</b></p><p>　　可以看到，當(dāng)信號(hào)頻率為20Hz時(shí)，輸出信號(hào)峰峰值為8.11V，計(jì)算放大倍數(shù)為8.11*1000/8=1013.75，誤差為1.375%，在5%誤差范圍內(nèi).</p>

36、;<p>　　當(dāng)輸入30Hz信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)峰峰值為5.55V，-3dB截止頻率30Hz時(shí)峰峰值應(yīng)為8*0.7=5.6V，誤差為0.89%.</p><p>　　至此,整套系統(tǒng)的模擬已經(jīng)全部完成.</p><p><b>　　4 總結(jié)</b></p><p>　　心電系統(tǒng)的前向通路對(duì)目前面世的許多醫(yī)學(xué)儀器起著不可漠視的重要角色；這

37、相當(dāng)于一個(gè)基石，沒有了它，很多心血管病人不能得到正確的診斷，所以當(dāng)前對(duì)心電的研究是至關(guān)重要的.剛要做時(shí)，我覺得無法入手，經(jīng)過長時(shí)間的對(duì)相關(guān)資料的了解，明白自己首要做的事情就是要了解心電信號(hào)的特點(diǎn)，因?yàn)樾碾娦盘?hào)輸出時(shí)的幅度不上5mV，那么選擇一個(gè)適合的放大器對(duì)設(shè)計(jì)是第一個(gè)要點(diǎn)，在課題的一步步設(shè)計(jì)下去，碰到的問題不少，如放大電路中芯片的選擇，在對(duì)比心電放大的各種要求才確定一個(gè)最方便、最實(shí)用的辦法.根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)二階帶通濾波器

38、來對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，也使我明白了多階濾波器的設(shè)計(jì).</p><p><b>　　5 元件清單</b></p><p>　　函數(shù)發(fā)生器 一臺(tái)</p><p>　　示波器 一臺(tái)&l

39、t;/p><p>　　電阻 200K 2個(gè)</p><p>　　1K 10K 20K 490K 100K 2.6K 4.7K 各一個(gè)</p><p>　　電容 22uF 2個(gè)&l

40、t;/p><p>　　3.3uF 1uF 各一個(gè)</p><p>　　OP07AJ 4個(gè)</p><p>　　12V工作電源 8個(gè)&l

41、t;/p><p><b>　　6 參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　1．《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》，吳有宇主編，伍時(shí)和、凌玲副主編，清華大學(xué)出版社</p><p>　　2．《電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)》，孫梅生等編著，高等教育出版社</p><p>　　3．《電工學(xué)》（第六版），姚金生 、鄭小利等編著，高等教育出版社</p&

42、gt;<p>　　4．《元器件》（修訂版），秦曾煌編著，電子工業(yè)出版社</p><p>　　5．《新型集成電路的應(yīng)用--電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)》，梁宗善主編，華中科技大學(xué)出版社</p><p>　　本科生課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表</p><p>　　指導(dǎo)教師簽字： </p><p>　　2010年