簡(jiǎn)易心電圖儀設(shè)計(jì)(課程設(shè)計(jì))

1、<p>　　《生物醫(yī)學(xué)工程》課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　題目： 簡(jiǎn)易心電圖儀的設(shè)計(jì) </p><p><b>　　摘 要</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。人體心電信號(hào)的主要頻率范圍為0.05Hz~100Hz，幅度約為0~4mV，信號(hào)十分微弱。由于心電

2、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(chǎng)的干擾，使得心電噪聲背景較強(qiáng)，測(cè)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。本設(shè)計(jì)利用集成儀表放大器AD620和濾波電路設(shè)計(jì)了一種符合上述要求的簡(jiǎn)易心電圖儀。關(guān)鍵詞：心電圖 干擾 AD620 濾波 </p><p><b>　　

3、Abstract</b></p><p>　　Electrocardiogram is commonly used in clinical disease diagnosis of auxiliary means. Ecg data acquisition system is electrocardiogram checking of the key components. The main body

4、 ecg signal frequency range is 0.05 Hz ~ 100Hz, amplitude is approximately 0 ~ 4mV, signal is very weak. Because electrocardiosignal usually mingled with other biological signals, coupled with the in vitro in 50Hz power

5、frequency interference of electromagnetic interference, mainly making ecg noise background stronger, </p><p>　　Keywords: electrocardiogram interference AD620 filtering </p><p><b>　　目 錄

6、</b></p><p><b>　　摘 要2</b></p><p>　　Abstract3</p><p><b>　　目 錄4</b></p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)要求5</b></p><p><b>　

7、　2、方案設(shè)計(jì)6</b></p><p>　　2.1理論分析及芯片選用依據(jù)6</p><p>　　2.2設(shè)計(jì)方案論證6</p><p>　　2.2.1輸入回路噪聲抑制設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.2.2 前置放大模塊7</p><p>　　2.2.3 濾波網(wǎng)絡(luò)模塊7</p>&

8、lt;p><b>　　3、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)8</b></p><p>　　3.1主要單元電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.1.1前置放大模塊及右腿驅(qū)動(dòng)電路8</p><p>　　3.1.2 主放大器電路9</p><p>　　3.1.3 濾波電路10</p><p>　　3.2低噪聲穩(wěn)壓

9、電源的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.3系統(tǒng)硬件接線原理圖12</p><p><b>　　總 結(jié)12</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)13</b></p><p><b>　　附 錄14</b></p><p><b&

10、gt;　　1、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡(jiǎn)易心電圖儀，可以測(cè)量人體心電信號(hào)并在示波器上顯示出來(lái)。</p><p>　　RA-右臂；LA-左臂；LL-左腿；RL-右腿。</p><p>　　第一路心電信號(hào)，即標(biāo)準(zhǔn)I導(dǎo)聯(lián)的電極接法：RA接放大器反相輸入端（－），LA接放大器同相輸入端（＋），RL作為參考電極，接心電放大器參考點(diǎn)。<

11、;/p><p>　　第二路心電信號(hào)，即標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?qū)?lián)的電極接法：RA接放大器反相輸入端（－），LL接放大器同相輸入端（＋），RL作為參考電極，接心電放大器參考點(diǎn)。</p><p>　　RA、LA、LL和RL的皮膚接觸電極分別通過(guò)1.5m長(zhǎng)的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線與心電信號(hào)放大器連接。 </p><p>　　基本要求及技術(shù)指標(biāo)如下：</p><p>　　1）電壓放

12、大倍數(shù)1000，誤差+5%;</p><p>　　2）—3dB低頻截止頻率0.05Hz，（可不測(cè)試，由電路設(shè)計(jì)予以保證）;</p><p>　　3）—3dB高頻截止頻率100Hz，誤差±10Hz;</p><p>　　4）頻帶內(nèi)響應(yīng)波動(dòng)在±3dB之內(nèi);</p><p>　　5）共模抑制比>60dB（含1.5m長(zhǎng)的屏蔽

13、導(dǎo)聯(lián)線，共模輸入電壓范圍為±7.5v）;</p><p>　　6）差模輸入電阻>5M（可不測(cè)試，由電路設(shè)計(jì)予以保證）;</p><p>　　7）輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍大于±10V;</p><p>　　8）設(shè)計(jì)并制作心電放大器所用的直流穩(wěn)壓電源,直流穩(wěn)壓電源輸出交流噪聲<±3mV。</p><p><

14、b>　　2、方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1理論分析及芯片選用依據(jù)</p><p>　　人體心臟工作產(chǎn)生的生物電流在身體表面不同部位產(chǎn)生不同電勢(shì)，并且隨心 跳的節(jié)律呈現(xiàn)規(guī)律性的升降變化，通過(guò)電極將變化著的電位差檢測(cè)并記錄下來(lái)就 是心電圖（ECG）。心電信號(hào)是一種帶寬為 0.05Hz 至 100Hz（有時(shí)高達(dá) 1kHz）， 幅度在 10µV~5mv

15、的微弱交流信號(hào)，并且混雜有人體生物電干擾以及各種外部電 磁干擾。如何從環(huán)境噪聲中提取微弱的心電信號(hào)是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和要點(diǎn)。低成本低功耗便攜式簡(jiǎn)易心電圖儀是本設(shè)計(jì)的最大考量。它順應(yīng)了保健電子 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。系統(tǒng)采用低噪聲穩(wěn)壓電源供電，能采集標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)方式 I 或 II 心電 信號(hào)，通過(guò)放大、濾波得到模擬心電信號(hào)。本系統(tǒng)主要需要以下幾種功能的芯片：儀用放大器、通用運(yùn)算放大器，。為此，在選擇用于本系統(tǒng)的集成芯片（IC）時(shí)， 低功耗、小尺寸、高

16、精度、性能穩(wěn)定的芯片就是選用的目標(biāo)。其中，AD620是低成本、高精度儀表放大器,僅需要一個(gè)外部電阻設(shè)置增益，增益范圍為1至10,000。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立電路設(shè)計(jì)，并且功耗更低（最大工作電流僅1.3mA）。AD620具有高精度、低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移特性，</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)方案論證</b></p><p>

17、;　　分析可知，簡(jiǎn)易心電圖儀系統(tǒng)主要包括輸入回路、前置放大模塊、后級(jí)放大 模塊、濾波網(wǎng)絡(luò)模塊以及存儲(chǔ)回放等模塊。設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于前置放大模塊，和濾波 網(wǎng)絡(luò)模塊。方案論證主要圍繞這兩大部分展開(kāi)。</p><p>　　2.2.1輸入回路噪聲抑制設(shè)計(jì)</p><p>　　來(lái)自導(dǎo)聯(lián)電極的心電信號(hào)混有主要包括人體肌電呼吸等生物噪聲、電極接觸 噪聲、工頻 50Hz 信號(hào)及其諧波等干擾；以及其它電子設(shè)備機(jī)器

18、噪聲及外界高頻電 磁干擾等噪聲，其中工頻 50Hz 干擾信號(hào)較強(qiáng)，主要是共模噪聲。</p><p>　　按照設(shè)計(jì)要求，皮膚接觸電極到分別通過(guò) 1.5m 長(zhǎng)的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線與前置放大器 相連接。由于信號(hào)線對(duì)屏蔽線的輸入電容不完全對(duì)稱，造成共模電壓的不等量衰 減，使得包括導(dǎo)聯(lián)在內(nèi)的放大器共模抑制比降低，從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下 降。其中工頻干擾引起的共模信號(hào)可能遠(yuǎn)大于心電信號(hào)，其影響尤為嚴(yán)重。而由 于工頻干擾頻譜與正常

19、心電信號(hào)混雜，又不宜采用工頻陷波器濾除。</p><p>　　為有效地消除輸入電路不對(duì)稱而引起的電壓分配效應(yīng)所產(chǎn)生的共模干擾，采 用屏蔽驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)電路。從輸入導(dǎo)聯(lián)取出的共模電壓送入屏蔽層（屏蔽層不 接地）；同時(shí)送到右腿放大器反向放大，經(jīng)一個(gè)限流電阻接到右腿電極，即等效 為以人體為相加點(diǎn)的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。抑制了共模干擾進(jìn)入后續(xù)電路。為更 好的抑制工頻干擾，可以在右腿驅(qū)動(dòng)電路加入低通濾波電路。滿足將心電放大器

20、（含屏蔽導(dǎo)聯(lián)線）的共模抑制比提高到 80dB 的指標(biāo)要求。該電路采用 OPA335 實(shí) 現(xiàn)。</p><p>　　2.2.2 前置放大模塊</p><p>　　心電信號(hào)為一差動(dòng)式信號(hào)并且小于4mV,通常信號(hào)會(huì)先經(jīng)過(guò)第一級(jí)的適當(dāng)放大后,再經(jīng)過(guò)高低通濾波器,采用分級(jí)放大的原因是為了避免直流偏壓經(jīng)過(guò)放大后,造成后級(jí)的電飽和,而使放大后的信號(hào)產(chǎn)生失真.因此為了避免放大器飽和,在這一級(jí)的放大增益應(yīng)該

21、小于30.一般說(shuō)來(lái)作為前級(jí)放大單元必須具有高輸入阻抗.高共模斥拒比等基本特性,在這里我們采用了低功耗,高精度的儀表放大器-----AD620, AD620輸入端采用超β處理技術(shù)，具有低輸入偏置電流、低噪音、高精度、較高建立時(shí)間、低功耗等特性，共模抑制比可達(dá)130dB，非常適合作為醫(yī)療儀器前置放大器使用。其增益可調(diào)（范圍約１～１０００倍），并可由公式</p><p>　?。牵?+（51+51）/15=7.2<

22、/p><p>　　來(lái)確定。為防止前置放大器工作于飽區(qū)和或截止區(qū)，其增益不能過(guò)大。試驗(yàn)表明：１０倍左右效果較好。因此,我們采用了此方案。</p><p>　　2.2.3 濾波網(wǎng)絡(luò)模塊</p><p>　　由于心電信號(hào)易受噪聲干擾，且主要能量成分集中在 0.05Hz~100Hz 頻帶內(nèi)， 所以本系統(tǒng)采用濾波的方法對(duì)心電信號(hào)作進(jìn)一步的降噪處理，抑制外界干擾，從 而得到較為平滑

23、的心電圖波形。濾波電路的設(shè)計(jì)主要是滿足心電信號(hào)特定的頻率 響應(yīng)特性。</p><p><b>　　(1)高通濾波電路</b></p><p>　　心電信號(hào)的最低可能頻率成分只達(dá)到 0.5Hz（相應(yīng)于心臟搏動(dòng) 30 次/分），但 為降低信號(hào)因相移產(chǎn)生線性失真，心電信號(hào)放大電路的低頻截止頻率必須達(dá)到心 電信號(hào)的低頻截止頻率的 1/10，即 0.05Hz。實(shí)際上，在前置放大

24、模塊采用了高通負(fù)反饋濾波器進(jìn)行隔直和低通濾波，0.05Hz 信號(hào)包括直流極化信號(hào)已基本被濾掉。為進(jìn)一步滿足高通濾波特性，可以采用效果不錯(cuò)且易于實(shí)現(xiàn) RC 一階無(wú)源濾波。</p><p><b>　　(2)低通濾波電路</b></p><p>　　濾除混入的各種高頻干擾噪聲。按照心電圖信號(hào)的頻譜范圍，高頻截止頻率 選擇 100Hz 和 500Hz 兩種。對(duì)濾波特性的要求

25、主要是信號(hào)的時(shí)域失真要小，心電 信號(hào)具有脈沖波形的特征，為保證不失真放大，濾波器應(yīng)具有較好的線性相位特性。</p><p>　　采用模擬有源濾波器實(shí)現(xiàn)。模擬濾波器主要有巴特沃斯濾波器、 切比雪夫?yàn)V波器和貝賽爾濾波器三種，其中貝賽爾濾波器具有線性相移特性，最適用于心電信號(hào)的濾波處理。本設(shè)計(jì)主要考慮到滿足并盡量完善設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用二階貝塞爾濾波電路的方案。</p><p><b>　　

26、3、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　根據(jù)以上要求，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖所示：</p><p>　　圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　3.1主要單元電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1前置放大模塊及右腿驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　前置放大模塊以 AD620儀用放大電路為核心，外圍由 OP

27、A335 構(gòu)成的 反饋積分調(diào)零電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路三個(gè)部分組成。AD620內(nèi)部原理圖如圖 3 所示。AD620 的主要特點(diǎn)是低漂移電壓，低偏置電流，高共模抑制比。</p><p>　　AD620原理示意圖</p><p><b>　　AD620引腳圖</b></p><p>　　圖4 所示為 AD620儀表放大器的腳位圖。其中1、8 接腳要跨接一

28、電阻來(lái)調(diào)整放大倍率（作用同式(1)中的Rg），放大倍數(shù)G=49.4kΩ/Rg+1。這里我們?cè)O(shè)計(jì)增益為40，則Rg取1.24 kΩ。4、7 接腳需提供正負(fù)相等的工作電壓，由 2、3 接腳輸入的放大的電壓即可從接腳 6 輸出放大后的電壓值。接腳5則是參考基準(zhǔn)，如果接地則接腳 6 的輸出即為與地之間的相對(duì)電壓。</p><p>　　3.1.2 主放大器電路</p><p>　　該部分電路主要起調(diào)

29、節(jié)增益的作用，使輸出信號(hào)可達(dá)到Ｖ的量級(jí)。前面儀表放大電路的增益設(shè)計(jì)為40，主放大電路的增益為25，這樣總增益為1,000。</p><p><b>　　(1)高通濾波電路</b></p><p>　　要求心電放大器的低頻截止頻率為 0.05Hz，沒(méi)有要求進(jìn)行測(cè)試，可用無(wú)源的 RC 網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由公式 f=1/2πRC（取 C 為 470nF），得 R=677.60kΩ

30、。 實(shí)際選用 選用 6.8mΩ的電阻。</p><p><b>　　(2)低通濾波電路</b></p><p>　　采用具有線性相移特性，二階貝塞爾濾器。</p><p>　　低通濾波器的幅頻特性曲線衰減3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)頻率為93Hz；衰減10dB時(shí)對(duì)應(yīng)頻率為180Hz。完全符合設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　低通濾波器

31、的幅頻特性曲線衰減3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)頻率為497Hz；衰減10dB時(shí)對(duì)應(yīng)頻率為840Hz。完全符合設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　3.3系統(tǒng)硬件接線原理圖</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)這次綜合實(shí)踐使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得

32、出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在完成這個(gè)簡(jiǎn)易心電圖儀的過(guò)程中我們把注意力主要集中在濾波器的設(shè)計(jì)和調(diào)試上。合理地運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)濾波器可以節(jié)省很多功夫，但完全照搬也不能達(dá)到預(yù)想的效果，因?yàn)閷?shí)際參數(shù)無(wú)法與設(shè)計(jì)精確匹配。因此我們的做法是在關(guān)鍵的地方用可調(diào)器件為電路留下余地。只要正確地調(diào)節(jié)就能達(dá)到指標(biāo)要求。這次電子課程綜合實(shí)踐提高了我的團(tuán)隊(duì)合作水平，使我們配合更加默契。實(shí)驗(yàn)中暴露出我們?cè)诶碚搶W(xué)習(xí)中所存在的問(wèn)

33、題，有些理論知識(shí)還處于懵懂狀態(tài)，老師不厭其煩地為我們調(diào)整波形，講解知識(shí)點(diǎn)，實(shí)在令我們感動(dòng)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 北京：高等教育出版社，2006.5.</p><p>　　[2]王港元.電子電工實(shí)踐指導(dǎo) 江西科學(xué)技術(shù)出版社，2005.</p>&l

34、t;p>　　[3]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)?實(shí)驗(yàn)?測(cè)試 第三版 華中科技大學(xué)出版社.</p><p>　　[4]孫梅生.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 高等教育出版社</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　簡(jiǎn)易心電圖儀總電路圖</p><p><b>　　硬件實(shí)物圖</b>&l