簡易心電圖儀設計

1、簡易心電圖儀設計 (2004年湖北省大學生電子設計競賽B題),,題目要求,一、任務,設計制作一個簡易心電圖儀，可測量人體心電信號并在示波器上顯示出來,導聯(lián)電極說明： RA—右臂；LA —左臂；LL —左腿；RL —右腿。 第一路心電信號，即標準I導聯(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。 第二路心電信號，即標準II導聯(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。RA、LA、LL和RL的皮膚接觸電極分別通過1．5m長的屏蔽導聯(lián)線與心電信號放大器連接。,題目要求,二、要求,1．基本要求(1)制作一路心電信號放大器，技術指標如下：①電壓放大倍數(shù)1 000，誤差±5％。②-3dB低頻截止頻率0.05Hz，(可不測試，由電路設計予以保證)。③-3dB高頻截止頻率100Hz，誤差±10Hz。④頻帶內響

3、應波動在±3dB之內。⑤共模抑制比≥60dB(含1.5m長的屏蔽導聯(lián)線，共模輸入電壓范圍為±7.5V)。⑥差模輸入電阻≥5MQ(可不測試，由電路設計予以保證)⑦輸出電壓動態(tài)范圍大于±10V。,題目要求,二、要求,(2)按標準I導聯(lián)的接法對一位參賽隊員進行實際心電圖測量。 ①能在示波器屏幕上較清晰地顯示心電波形。 ②實際測試心電時，放大器的等效輸入噪聲（包括50Hz 干擾）<400

4、?V(峰—峰值)。 (3)設計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，在對放大器供電條件下測試)。,題目要求,二、要求2．發(fā)揮部分,(1)擴展為兩路相同的心電放大器，可同時測量和顯示標準I導聯(lián)和標準Ⅱ導聯(lián)兩路心電圖，并且能達到基本要求(2)的效果。 (2)具有存儲、回放已測心電圖的功能。 (3)將心電信號放大器-3dB高頻截止頻率擴展到500Hz，并且能達到基本要求(2

5、)的效果。 (4)將心電信號放大器共模抑制比提高到80dB以上(含1.5m長的屏蔽導聯(lián)線)。 (5)其他。,題目要求,三、評分標準,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位置。 (3)測量心電圖前，應使用酒精棉球仔細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)被測人員應靜臥，以避免測量基線大幅度漂移、降低噪聲。,題目要求,(1)對于基本要求(1)項的說明。 ①電壓放大倍數(shù)、頻率響應特性、差模放大倍數(shù)、輸出動態(tài)范圍的測試：將差分放大電路反相輸入端接地近似測試。可將1V(rms)正弦信號用10k?和10?電阻分壓衰減到1mV，再輸入到放大電路進行測試，以減小信號源噪聲的影響。 ②頻帶內響應波動的測試：考慮到許多低頻信號發(fā)生器(函數(shù)發(fā)

7、生器)輸出最低頻率的限制，該項目的低端頻率只測量到0.5Hz(即低頻截止頻率的10倍)。其方法是，輸入信號幅值保持在1mV(rms)，用示波器測量0.5～100Hz范圍內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算頻帶內響應的最大波動(dB)。,五、測試說明,題目要求,(1)對于基本要求(1)項的說明。 ③要求帶1.5m長的屏蔽導聯(lián)線進行共模抑制比測量。共模放大倍數(shù)的測量方法是，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，測量輸出電壓。根據(jù)所測差模和共模放大倍數(shù)計算共模抑制比。④輸出動態(tài)范圍的測試：從小增大輸入信號幅值，通過測量最大不失真輸出電壓的峰—峰值得到。,五、測試說明,題目要求,(2)對于基本要求(2)項的說明。 對人體心電信號進行實測： ①用示波器觀測心電放大器輸出波形時，一般應將X軸置于0.2s／div，y軸置于0.5～2V／div(因人而異)。用數(shù)字示波器觀測效果更好。 ②在示波器上測量放大

9、器輸出心電信號基線上的噪聲(峰—峰值)，然后計算輸入端等效噪聲(峰—峰值)。 (3)對于基本要求(3)項的說明 應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)測量穩(wěn)壓電源的輸出噪聲。 (4)對于發(fā)揮部分與基本部分的測試法相同。 (5)實際測量值達到指標值的給滿分，低于指標值的酌情給分，但要求作出詳細的實測記錄。,五、測試說明,題目解析,一、題目意圖及知識范圍,本題側重于弱信號的檢測，其內容涵蓋了較豐富的模擬電子技

10、術知識，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生電子設計競賽中曾有測量放大器(A題)的設計課題與本題屬同一類型，但本題對噪聲抑制的要求更高，并增添了有源濾波器的內容。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、共模抑制比、輸出電壓動態(tài)范圍、穩(wěn)壓電源噪聲等基本知識。不同類型學校和專業(yè)的學生應該都能完成本題所要求的內容。,題目解析

11、,一、題目意圖及知識范圍,發(fā)揮部分要求學生具備較寬的知識面和應變能力，對模擬電路提出了更高的技術指示；如果要實現(xiàn)心電波形的存儲、回放，還必須加入單片機基本系統(tǒng)，從而包含了有關數(shù)字電路、微機接口電路等課程的基本內容，一般需要將硬件和軟件的知識密切配合才能達到；能較好地考核學生是否能綜合運用所學知識解決本專業(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，給學生留有一定的發(fā)揮空間。,題目解析,一、題目意圖及知識范圍,考慮到電

12、子設計競賽的實際情況，簡易心電圖儀只要求記錄一路或兩路心電圖(標準工、Ⅱ導聯(lián))，而不像標準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知識。與人體皮膚接觸的電極也不要求使用標準的銀／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，本題的基本技術要求大部分已十分接近于實際心電圖儀。為便于學生進行人體實測心電圖，題目說明中也指出測試中應注意的事項。,題目解析,二、設計重點與方法,1．基本要求 本題基本部分

13、的設計重點在于心電信號放大器、有源濾波器和低噪聲穩(wěn)壓電源。其中，設計一個良好的低噪聲穩(wěn)壓電源將有利于使系統(tǒng)達到噪聲指標。 1)心電信號放大器設計 心電信號放大器的設計是使系統(tǒng)達到各項技術指標的關鍵環(huán)節(jié)。,題目解析,二、設計重點與方法,1．基本要求 1)心電信號放大器設計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，用圖示電路測量人體心電信號存在以下兩個問題。,題目解析,二、設計重點

14、與方法,一是信號源電阻是變化的。以心電作為信號源的等效電路如圖 (b)所示，其中信號源內阻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大的變化，就同一個人來說，也隨時間和環(huán)境的不同而變化，范圍可能在k?至M?數(shù)量級之間。這種情況下，心電信號的放大增益是極不穩(wěn)定的。,題目解析,二、設計重點與方法,二是輸入信號中含有很強的共模成分，主要是工頻干擾。Rs1和Rs2不可能相等，這會造成差分放大

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。,題目解析,二、設計重點與方法,1．基本要求 1)心電信號放大器設計 ②儀表放大電路。又稱儀用放大器，數(shù)據(jù)放大器等。特點：輸入阻抗高，輸出阻抗低，失調及零漂小，放大倍數(shù)精度可調，共模抑制比高。適用范圍：大的共模電壓背景下對緩變微弱的差值信號進行放大。常用于熱電偶、應變電橋、生物信號等的放大。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、設計重點與方法,1．基本要求 1)心電信號放大器設計 ②儀表放大電路。三運放構成的儀表放大電路可解決上述問題。根據(jù)運放虛短和虛斷的工作原理，從圖中可得,題目解析,二、設計重點與方法,1．基本要求 1)心電信號放大器設計 ②儀表放大電路電路的第一級為電壓串聯(lián)負反

17、饋放大，輸入電阻很高，信號源內阻Rs1和Rs2變化的影響幾乎可以忽略不計。,如果A1和A2特性相同，且兩個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構成的差分放大電路。A1，A2在深度負反饋下輸出電阻極低，其差異與R3相比可以忽略不計。只要選擇高共模抑制比的A3并仔細匹配R3和R4，電路的共模抑制比很容易達到80dB以上。,題目解析,二、設計重點與方法,1．基本要求 1)心電信號放大器設計 ③

18、心電信號放大器。心電信號檢測時，電極與皮膚會產生直流極化電勢，應在電路中設計隔直流電路，即高通電路。該電路不應引起心電信號的顯著失真。雖然心電信號的最低可能頻率成分只達到0.5Hz(相應于心臟搏動30次／min)，但為降低信號因相移而產生的線性失真，心電信號放大電路的低頻截止頻率必須達到心電信號的低頻截止頻率的1／10，即0.05Hz。本題未對低頻截止頻率的特性作特殊要求，可用簡單RC高通電路實現(xiàn)。,題目解析,二、設計重點與方法,1．基

19、本要求 1)心電信號放大器設計 ③心電信號放大器。 由于電容C1漏電會引起uO的漂移，所以C1不應選用電解電容，而應使用介質特性較好的電容。這里，取C1=1?F，Rs=3M?。,題目解析,二、設計重點與方法,③心電信號放大器。雖然提高放大器的第一級增益有利于降低輸出噪聲，但考慮到極化電動勢，三運放構成的儀表放大電路增益不應太大，其電壓增益可以取40，則A1構成的同相放大電路電壓增益應為25，總增益為1 000。,題目解

20、析,二、設計重點與方法,③心電信號放大器。為提高電路的共模抑制比，圖中標號相同的各兩個R2、R3、R4應做到兩兩匹配，整個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到80dB的。,題目解析,二、設計重點與方法,③心電信號放大器。電路中，A1～A4應選用如LF347之類以FET作為輸入級的運放，以保證足夠低的偏置電流。使用這種低成本運放構成心電放大器完全可達到題目要求的技術指標。,題目解析,二、設計

21、重點與方法,1．基本要求 1)心電信號放大器設計 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。該電路中包含兩個相互獨立的儀表放大電路，正好滿足兩路心電信號放大的要求。,題目解析,二、設計重點與方法,④使用集成儀表放大器。,題目解析,二、設計重點與方法,1．基本要求 2)有源濾波器設計 有源濾波器主要使簡

22、易心電圖儀的高頻響應特性達到題目要求。 ①濾波特性的選擇。心電信號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、切比雪夫濾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，最適用于心電信號的濾波處理。巴特沃思濾波器和切比雪夫濾波器都會引起心電波形的失真。,題目解析,二、設計重點與方法,1．基本要求 2)有源濾波器設計②貝賽爾濾波器電路。由于題

23、目對電路高頻響應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《應用電子技術》(科學出版社，2003)中所述查表法快速確定，也可參考其他有關教材，應用公式計算得到。,C1 —510pFRl —2.2M?C2 —510pFR2 —2.2M?,題目解析,二、設計重點與方法,1．基本要求 2)有源濾波器設計②貝賽爾濾波器電

24、路。 如果需要更陡峭的截止特性，可將兩個濾波電路級聯(lián)，組成四階貝塞爾濾波器。所有的阻容元件參數(shù)都應按四階濾波電路計算。,題目解析,二、設計重點與方法,1．基本要求 3)低噪聲穩(wěn)壓電源設計 由于題目要求“輸出電壓動態(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)壓電路直接構成穩(wěn)壓電源難以達到題目提出的“<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)，才能進一步抑制噪聲，圖示的為正電源電路一例。負電源可采取類似的設計。,系統(tǒng)分析,一、系統(tǒng)總體方案設計,系統(tǒng)分析,二、前置放大電路設計,整個系統(tǒng)的核心部件。決定了整機的主要技術指標。前置放大器要求噪聲盡可能低，抗干擾盡可能強和共模抑制比KCMR盡可能高。,1．前置主放大器設計及參數(shù)計算 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、電路設計,A、B兩路放大器差模放大倍數(shù)按下式計算,本級放大倍數(shù)不宜取得過大，它要承擔整機抗干擾重任，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、前置放大電路設計,1)采取電磁屏蔽措施，防止干擾信號進入系統(tǒng),根據(jù)題意，傳感器至心電圖儀有1.5m的信號傳輸線，另外傳感器的感應銅片與人體緊密接

27、觸，人體就是一個干擾源的接收天線。為防止干擾，信號傳輸線必須采用屏蔽線。同時加裝空間隔離(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)等，防止干擾信號從放大器的入口處、從空間、從電源線、從地線進入心電儀放大器內。,2．抗干擾措施,系統(tǒng)分析,二、前置放大電路設計,2)防止干擾信號在對稱點處形成差模信號,采用電磁屏蔽措施，只能使進入放大器的干擾信號減小，不可

28、能完全排除干擾信號“入侵”，因為干擾信號是無處不有，無時不在，無孔不入。例如說，你可以將信號傳輸線加以屏蔽，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)不同其感應的信號也不一樣，且兩路感應的干擾信號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的差信號，經過后面的放大電路，同樣得到放大。,2．抗干擾措施,系統(tǒng)分析,二、前置放大電路設計,2)防止干擾信號在對稱點處形成差模信號,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，必須使兩條傳輸線平行放置。且線的型號、規(guī)格、長度均一樣，甚至人體臥床的姿勢也要對稱，例如左、右兩手垂直。 要保證干擾信號在放大器對稱點處(A與A’，B與B’)不形成差信號，就應該保證INA2128的內部參數(shù)和外接電阻完全對稱。 內部電路對稱已由集成芯片保證了，外部對稱靠結構、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，引入共模電壓負反饋，使共模放大倍數(shù)進一步減小，從而使KCMR進一步提高，其效果非常明顯。,系統(tǒng)分析,三、簡單RC高通濾波電路設計（略）,四、貝塞爾濾波器電路設計（略）,五、穩(wěn)壓電源設計,系統(tǒng)分析,五、穩(wěn)壓電源設計,當加入抑制噪聲網(wǎng)絡后，若某一個時刻t使A點輸出一個正極性噪聲，經R4、C2耦合至B也為正極性，經過反相放