簡易心電圖儀設(shè)計(jì)

1、簡易心電圖儀設(shè)計(jì) (2004年湖北省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽B題),,題目要求,一、任務(wù),設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡易心電圖儀，可測(cè)量人體心電信號(hào)并在示波器上顯示出來,導(dǎo)聯(lián)電極說明： RA—右臂；LA —左臂；LL —左腿；RL —右腿。 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)。 第二路心電信號(hào)，即標(biāo)準(zhǔn)II導(dǎo)聯(lián)的電極接法：RA接放大器反相輸入端(-

2、)，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)。RA、LA、LL和RL的皮膚接觸電極分別通過1．5m長的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線與心電信號(hào)放大器連接。,題目要求,二、要求,1．基本要求(1)制作一路心電信號(hào)放大器，技術(shù)指標(biāo)如下：①電壓放大倍數(shù)1 000，誤差±5％。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)。③-3dB高頻截止頻率100Hz，誤差±10Hz。④頻帶內(nèi)響

3、應(yīng)波動(dòng)在±3dB之內(nèi)。⑤共模抑制比≥60dB(含1.5m長的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線，共模輸入電壓范圍為±7.5V)。⑥差模輸入電阻≥5MQ(可不測(cè)試，由電路設(shè)計(jì)予以保證)⑦輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍大于±10V。,題目要求,二、要求,(2)按標(biāo)準(zhǔn)I導(dǎo)聯(lián)的接法對(duì)一位參賽隊(duì)員進(jìn)行實(shí)際心電圖測(cè)量。 ①能在示波器屏幕上較清晰地顯示心電波形。 ②實(shí)際測(cè)試心電時(shí)，放大器的等效輸入噪聲（包括50Hz 干擾）<400

4、?V(峰—峰值)。 (3)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(峰—峰值，在對(duì)放大器供電條件下測(cè)試)。,題目要求,二、要求2．發(fā)揮部分,(1)擴(kuò)展為兩路相同的心電放大器，可同時(shí)測(cè)量和顯示標(biāo)準(zhǔn)I導(dǎo)聯(lián)和標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?qū)?lián)兩路心電圖，并且能達(dá)到基本要求(2)的效果。 (2)具有存儲(chǔ)、回放已測(cè)心電圖的功能。 (3)將心電信號(hào)放大器-3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到500Hz，并且能達(dá)到基本要求(2

5、)的效果。 (4)將心電信號(hào)放大器共模抑制比提高到80dB以上(含1.5m長的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線)。 (5)其他。,題目要求,三、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),題目要求,四、說明,(1)可用80mm×20mm薄銅皮作為皮膚接觸電極。 (2)用帶有尼龍拉扣的布帶或普通布帶將電極分別捆綁在四肢相應(yīng)位置。 (3)測(cè)量心電圖前，應(yīng)使用酒精棉球仔細(xì)將與電極接觸部位的皮膚擦凈，然后再捆綁電極。為減小電極與皮膚間的接觸電阻，最好在電極下滴1～2滴5％的鹽水

6、，或用5％鹽水浸過的棉球墊在電極與皮膚之間。(4)被測(cè)人員應(yīng)靜臥，以避免測(cè)量基線大幅度漂移、降低噪聲。,題目要求,(1)對(duì)于基本要求(1)項(xiàng)的說明。 ①電壓放大倍數(shù)、頻率響應(yīng)特性、差模放大倍數(shù)、輸出動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)試：將差分放大電路反相輸入端接地近似測(cè)試?？蓪?V(rms)正弦信號(hào)用10k?和10?電阻分壓衰減到1mV，再輸入到放大電路進(jìn)行測(cè)試，以減小信號(hào)源噪聲的影響。 ②頻帶內(nèi)響應(yīng)波動(dòng)的測(cè)試：考慮到許多低頻信號(hào)發(fā)生器(函數(shù)發(fā)

7、生器)輸出最低頻率的限制，該項(xiàng)目的低端頻率只測(cè)量到0.5Hz(即低頻截止頻率的10倍)。其方法是，輸入信號(hào)幅值保持在1mV(rms)，用示波器測(cè)量0.5～100Hz范圍內(nèi)的輸出最高和最低電壓值，與頻率為20Hz的輸出電壓值相減后計(jì)算頻帶內(nèi)響應(yīng)的最大波動(dòng)(dB)。,五、測(cè)試說明,題目要求,(1)對(duì)于基本要求(1)項(xiàng)的說明。 ③要求帶1.5m長的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線進(jìn)行共模抑制比測(cè)量。共模放大倍數(shù)的測(cè)量方法是，將差分放大電路的兩端輸入端短接，并輸入

8、5V(rms)正弦信號(hào)，測(cè)量輸出電壓。根據(jù)所測(cè)差模和共模放大倍數(shù)計(jì)算共模抑制比。④輸出動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)試：從小增大輸入信號(hào)幅值，通過測(cè)量最大不失真輸出電壓的峰—峰值得到。,五、測(cè)試說明,題目要求,(2)對(duì)于基本要求(2)項(xiàng)的說明。 對(duì)人體心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)測(cè)： ①用示波器觀測(cè)心電放大器輸出波形時(shí)，一般應(yīng)將X軸置于0.2s／div，y軸置于0.5～2V／div(因人而異)。用數(shù)字示波器觀測(cè)效果更好。 ②在示波器上測(cè)量放大

9、器輸出心電信號(hào)基線上的噪聲(峰—峰值)，然后計(jì)算輸入端等效噪聲(峰—峰值)。 (3)對(duì)于基本要求(3)項(xiàng)的說明 應(yīng)在心電放大器正常工作條件下用示波器(置為交流輸入模式)測(cè)量穩(wěn)壓電源的輸出噪聲。 (4)對(duì)于發(fā)揮部分與基本部分的測(cè)試法相同。 (5)實(shí)際測(cè)量值達(dá)到指標(biāo)值的給滿分，低于指標(biāo)值的酌情給分，但要求作出詳細(xì)的實(shí)測(cè)記錄。,五、測(cè)試說明,題目解析,一、題目意圖及知識(shí)范圍,本題側(cè)重于弱信號(hào)的檢測(cè)，其內(nèi)容涵蓋了較豐富的模擬電子技

10、術(shù)知識(shí)，主要包括放大器、噪聲抑制、有源濾波等。在1999年舉行的第四屆全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中曾有測(cè)量放大器(A題)的設(shè)計(jì)課題與本題屬同一類型，但本題對(duì)噪聲抑制的要求更高，并增添了有源濾波器的內(nèi)容。本題具有一定趣味性，且難度適中容易入手。 本題基本部分涉及基本儀表放大電路和穩(wěn)壓電路及放大器的增益、頻率響應(yīng)、共模抑制比、輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍、穩(wěn)壓電源噪聲等基本知識(shí)。不同類型學(xué)校和專業(yè)的學(xué)生應(yīng)該都能完成本題所要求的內(nèi)容。,題目解析

11、,一、題目意圖及知識(shí)范圍,發(fā)揮部分要求學(xué)生具備較寬的知識(shí)面和應(yīng)變能力，對(duì)模擬電路提出了更高的技術(shù)指示；如果要實(shí)現(xiàn)心電波形的存儲(chǔ)、回放，還必須加入單片機(jī)基本系統(tǒng)，從而包含了有關(guān)數(shù)字電路、微機(jī)接口電路等課程的基本內(nèi)容，一般需要將硬件和軟件的知識(shí)密切配合才能達(dá)到；能較好地考核學(xué)生是否能綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決本專業(yè)的問題及是否具備一定的創(chuàng)新能力。此外，發(fā)揮部分允許加入其他功能，給學(xué)生留有一定的發(fā)揮空間。,題目解析,一、題目意圖及知識(shí)范圍,考慮到電

12、子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的實(shí)際情況，簡易心電圖儀只要求記錄一路或兩路心電圖(標(biāo)準(zhǔn)工、Ⅱ?qū)?lián))，而不像標(biāo)準(zhǔn)心電圖儀那樣能記錄12路心電圖，以避免涉及過多的心電圖學(xué)知識(shí)。與人體皮膚接觸的電極也不要求使用標(biāo)準(zhǔn)的銀／氯化銀電極，只需用銅皮自制(題目說明中給出制作和使用方法)。除此之外，本題的基本技術(shù)要求大部分已十分接近于實(shí)際心電圖儀。為便于學(xué)生進(jìn)行人體實(shí)測(cè)心電圖，題目說明中也指出測(cè)試中應(yīng)注意的事項(xiàng)。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,1．基本要求 本題基本部分

13、的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于心電信號(hào)放大器、有源濾波器和低噪聲穩(wěn)壓電源。其中，設(shè)計(jì)一個(gè)良好的低噪聲穩(wěn)壓電源將有利于使系統(tǒng)達(dá)到噪聲指標(biāo)。 1)心電信號(hào)放大器設(shè)計(jì) 心電信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)是使系統(tǒng)達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,1．基本要求 1)心電信號(hào)放大器設(shè)計(jì)①基本差分放大電路存在的問題。使用基本差分放大電路可以抑制共模干擾，但是，用圖示電路測(cè)量人體心電信號(hào)存在以下兩個(gè)問題。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)

14、與方法,一是信號(hào)源電阻是變化的。以心電作為信號(hào)源的等效電路如圖 (b)所示，其中信號(hào)源內(nèi)阻Rs1，Rs2包括電極與皮膚的接觸電阻，肌肉、骨骼等組織的電阻。它們不但因各人的身體差異而有相當(dāng)大的變化，就同一個(gè)人來說，也隨時(shí)間和環(huán)境的不同而變化，范圍可能在k?至M?數(shù)量級(jí)之間。這種情況下，心電信號(hào)的放大增益是極不穩(wěn)定的。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,二是輸入信號(hào)中含有很強(qiáng)的共模成分，主要是工頻干擾。Rs1和Rs2不可能相等，這會(huì)造成差分放大

15、電路的共模抑制比急劇下降，共模干擾可能完全湮沒微弱的差模心電信號(hào)。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,1．基本要求 1)心電信號(hào)放大器設(shè)計(jì) ②儀表放大電路。又稱儀用放大器，數(shù)據(jù)放大器等。特點(diǎn)：輸入阻抗高，輸出阻抗低，失調(diào)及零漂小，放大倍數(shù)精度可調(diào)，共模抑制比高。適用范圍：大的共模電壓背景下對(duì)緩變微弱的差值信號(hào)進(jìn)行放大。常用于熱電偶、應(yīng)變電橋、生物信號(hào)等的放大。集成儀用放大器：通用型（INA110,INA114/115,I

16、NA131等）；高精度型（AD522,AD524,AD624）；低噪聲低功耗型(INA102, INA103) ； 可編程型（AD526）,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,1．基本要求 1)心電信號(hào)放大器設(shè)計(jì) ②儀表放大電路。三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大電路可解決上述問題。根據(jù)運(yùn)放虛短和虛斷的工作原理，從圖中可得,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,1．基本要求 1)心電信號(hào)放大器設(shè)計(jì) ②儀表放大電路電路的第一級(jí)為電壓串聯(lián)負(fù)反

17、饋放大，輸入電阻很高，信號(hào)源內(nèi)阻Rs1和Rs2變化的影響幾乎可以忽略不計(jì)。,如果A1和A2特性相同，且兩個(gè)R2相等，則u3和u4中的共模成分也相等，電路總的共模抑制特性取決于A3構(gòu)成的差分放大電路。A1，A2在深度負(fù)反饋下輸出電阻極低，其差異與R3相比可以忽略不計(jì)。只要選擇高共模抑制比的A3并仔細(xì)匹配R3和R4，電路的共模抑制比很容易達(dá)到80dB以上。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,1．基本要求 1)心電信號(hào)放大器設(shè)計(jì) ③

18、心電信號(hào)放大器。心電信號(hào)檢測(cè)時(shí)，電極與皮膚會(huì)產(chǎn)生直流極化電勢(shì)，應(yīng)在電路中設(shè)計(jì)隔直流電路，即高通電路。該電路不應(yīng)引起心電信號(hào)的顯著失真。雖然心電信號(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／min)，但為降低信號(hào)因相移而產(chǎn)生的線性失真，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。本題未對(duì)低頻截止頻率的特性作特殊要求，可用簡單RC高通電路實(shí)現(xiàn)。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,1．基

19、本要求 1)心電信號(hào)放大器設(shè)計(jì) ③心電信號(hào)放大器。 由于電容C1漏電會(huì)引起uO的漂移，所以C1不應(yīng)選用電解電容，而應(yīng)使用介質(zhì)特性較好的電容。這里，取C1=1?F，Rs=3M?。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,③心電信號(hào)放大器。雖然提高放大器的第一級(jí)增益有利于降低輸出噪聲，但考慮到極化電動(dòng)勢(shì)，三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大電路增益不應(yīng)太大，其電壓增益可以取40，則A1構(gòu)成的同相放大電路電壓增益應(yīng)為25，總增益為1 000。,題目解

20、析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,③心電信號(hào)放大器。為提高電路的共模抑制比，圖中標(biāo)號(hào)相同的各兩個(gè)R2、R3、R4應(yīng)做到兩兩匹配，整個(gè)電路共模抑制比基本取決于這些電阻的匹配程度。電阻匹配得好，其共模抑制比是不難達(dá)到80dB的。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,③心電信號(hào)放大器。電路中，A1～A4應(yīng)選用如LF347之類以FET作為輸入級(jí)的運(yùn)放，以保證足夠低的偏置電流。使用這種低成本運(yùn)放構(gòu)成心電放大器完全可達(dá)到題目要求的技術(shù)指標(biāo)。,題目解析,二、設(shè)計(jì)

21、重點(diǎn)與方法,1．基本要求 1)心電信號(hào)放大器設(shè)計(jì) ④使用集成儀表放大器。使用INA2128集成儀用放大器組成圖示的儀表放大電路，可以省卻電阻匹配的麻煩，并易于達(dá)到更高的共模抑制比、更小的偏置電流和更高的溫度穩(wěn)定性。該電路中包含兩個(gè)相互獨(dú)立的儀表放大電路，正好滿足兩路心電信號(hào)放大的要求。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,④使用集成儀表放大器。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,1．基本要求 2)有源濾波器設(shè)計(jì) 有源濾波器主要使簡

22、易心電圖儀的高頻響應(yīng)特性達(dá)到題目要求。 ①濾波特性的選擇。心電信號(hào)的典型波形如圖所示，它具有脈沖波形的特征，為保證其不失真放大，必須注意濾波器的相位特性。有三種典型的濾波器：巴特沃思濾波器、切比雪夫?yàn)V波器和貝塞爾濾波器，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。巴特沃思濾波器和切比雪夫?yàn)V波器都會(huì)引起心電波形的失真。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,1．基本要求 2)有源濾波器設(shè)計(jì)②貝賽爾濾波器電路。由于題

23、目對(duì)電路高頻響應(yīng)的截止特性沒有提出要求，可選用較簡單的二階貝塞爾濾波器，其典型電路如圖所示。圖中開關(guān)可控制電路的高頻截止頻率在100Hz和500Hz之間切換。元件參數(shù)可參考《應(yīng)用電子技術(shù)》(科學(xué)出版社，2003)中所述查表法快速確定，也可參考其他有關(guān)教材，應(yīng)用公式計(jì)算得到。,C1 —510pFRl —2.2M?C2 —510pFR2 —2.2M?,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,1．基本要求 2)有源濾波器設(shè)計(jì)②貝賽爾濾波器電

24、路。 如果需要更陡峭的截止特性，可將兩個(gè)濾波電路級(jí)聯(lián)，組成四階貝塞爾濾波器。所有的阻容元件參數(shù)都應(yīng)按四階濾波電路計(jì)算。,題目解析,二、設(shè)計(jì)重點(diǎn)與方法,1．基本要求 3)低噪聲穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 由于題目要求“輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍大于±10V”，所以放大器供電穩(wěn)壓電源選用±12V或±15V。,用普通集成三端穩(wěn)壓電路直接構(gòu)成穩(wěn)壓電源難以達(dá)到題目提出的“<3mV(峰—峰值)”噪聲要求。需要在集成三端穩(wěn)壓電

25、路外增加放大環(huán)節(jié)，才能進(jìn)一步抑制噪聲，圖示的為正電源電路一例。負(fù)電源可采取類似的設(shè)計(jì)。,系統(tǒng)分析,一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì),系統(tǒng)分析,二、前置放大電路設(shè)計(jì),整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。決定了整機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。前置放大器要求噪聲盡可能低，抗干擾盡可能強(qiáng)和共模抑制比KCMR盡可能高。,1．前置主放大器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 在本系統(tǒng)中前置放大器直接采用低噪聲、高共模抑制比、高輸入阻抗、低功耗的高性能雙儀表放大器INA2128。,系統(tǒng)分析,二、前置放大

26、電路設(shè)計(jì),A、B兩路放大器差模放大倍數(shù)按下式計(jì)算,本級(jí)放大倍數(shù)不宜取得過大，它要承擔(dān)整機(jī)抗干擾重任，故可選AuA=40。于是RGA=1.282k?。,2．抗干擾措施 本題干擾環(huán)境非常惡劣，輸入的有用信號(hào)極微弱，故抗干擾問題顯得難解決。本系統(tǒng)采用如下抗干擾措施。,系統(tǒng)分析,二、前置放大電路設(shè)計(jì),1)采取電磁屏蔽措施，防止干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng),根據(jù)題意，傳感器至心電圖儀有1.5m的信號(hào)傳輸線，另外傳感器的感應(yīng)銅片與人體緊密接

27、觸，人體就是一個(gè)干擾源的接收天線。為防止干擾，信號(hào)傳輸線必須采用屏蔽線。同時(shí)加裝空間隔離(心電儀放大器部分加屏蔽盒)、電源隔離(供電部分濾波性能要好)、地線隔離、數(shù)／模隔離(數(shù)字部分供電部分和地線與模擬部分加退耦網(wǎng)絡(luò))等，防止干擾信號(hào)從放大器的入口處、從空間、從電源線、從地線進(jìn)入心電儀放大器內(nèi)。,2．抗干擾措施,系統(tǒng)分析,二、前置放大電路設(shè)計(jì),2)防止干擾信號(hào)在對(duì)稱點(diǎn)處形成差模信號(hào),采用電磁屏蔽措施，只能使進(jìn)入放大器的干擾信號(hào)減小，不可

28、能完全排除干擾信號(hào)“入侵”，因?yàn)楦蓴_信號(hào)是無處不有，無時(shí)不在，無孔不入。例如說，你可以將信號(hào)傳輸線加以屏蔽，放大器加裝屏蔽盒，但不能將臨床的病人也用金屬盒屏蔽起來。而且人體的姿態(tài)不同其感應(yīng)的信號(hào)也不一樣，且兩路感應(yīng)的干擾信號(hào)在幅度和相位上也不一定相同。若在差分放大器的輸入端口處存在干擾信號(hào)的差信號(hào)，經(jīng)過后面的放大電路，同樣得到放大。,2．抗干擾措施,系統(tǒng)分析,二、前置放大電路設(shè)計(jì),2)防止干擾信號(hào)在對(duì)稱點(diǎn)處形成差模信號(hào),為了使輸入到IN

29、A2128輸入端口處(即1腳與2腳)不形成干擾差信號(hào)，必須使兩條傳輸線平行放置。且線的型號(hào)、規(guī)格、長度均一樣，甚至人體臥床的姿勢(shì)也要對(duì)稱，例如左、右兩手垂直。 要保證干擾信號(hào)在放大器對(duì)稱點(diǎn)處(A與A’，B與B’)不形成差信號(hào)，就應(yīng)該保證INA2128的內(nèi)部參數(shù)和外接電阻完全對(duì)稱。 內(nèi)部電路對(duì)稱已由集成芯片保證了，外部對(duì)稱靠結(jié)構(gòu)、工序給予保證。,系統(tǒng)分析,3)提高放大器的共模抑制比KCMR,選擇高共模抑制比

30、集成儀用放大器INA2128，它的KCMR≥120dB。如果想進(jìn)一步提高KCMR的值，可以在保持差模電壓放大倍數(shù)的前提下，引入共模電壓負(fù)反饋，使共模放大倍數(shù)進(jìn)一步減小，從而使KCMR進(jìn)一步提高，其效果非常明顯。,系統(tǒng)分析,三、簡單RC高通濾波電路設(shè)計(jì)（略）,四、貝塞爾濾波器電路設(shè)計(jì)（略）,五、穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì),系統(tǒng)分析,五、穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì),當(dāng)加入抑制噪聲網(wǎng)絡(luò)后，若某一個(gè)時(shí)刻t使A點(diǎn)輸出一個(gè)正極性噪聲，經(jīng)R4、C2耦合至B也為正極性，經(jīng)過反相放