-1-心電放大器設計報告1.引言心血管疾病是人類死亡的主要疾病之一，許多患者心臟病發作后由于未能及時發現和搶救極易發生死亡。然而由于心律失常的出現常常是偶發的，使用通常的心電圖機等短程分析方法不易發現，現在較為有效的方法就是采用記錄24小時以至更長時間的心電圖并加以分析以期捕捉到心律失常波形。本文研究設計了一種低功耗、結構簡單、性價比高的心電放大器，在此基礎上可研制出便攜式動態心電記錄儀。該儀器的最大優點是電路簡單、實用、低功耗且成本低廉，對各中小型醫院的危重病人的搶救和家庭監護有較好的實用價值。2系統概述：21在進行系統介紹之前，要明白的幾個概念：211心電圖心臟是循環系統中重要的器官。由于心臟不斷地進行有節奏的收縮和舒張活動，血液才能在閉鎖的循環系統中不停地流動。心臟在機械性收縮之前，首先產生電激動。心肌激動所產生的微小電流可經過身體組織傳導到體表，使體表不同部位產生不同的電位。如果在體表放置兩個電極，分別用導線聯接到心電圖機(即精密的電流計)的兩端，它會按照心臟激動的時間順序，將體表兩點間的電位差記錄下來，形成一條連續的曲線，這就是心電圖。如圖1各種各樣的心電圖：a.標準的心電圖b.帶噪聲的正常心電圖-2-c.右心室肥厚RightVentricularHypertrophy圖1正常與病態心電圖心電圖可分為普通心電圖、24小時動態心電圖、His束電圖、食管導聯心電圖、人工心臟起搏心電圖等。應用最廣泛的是普通心電圖及24小時動態心電圖。212心電導聯為了記錄心電，將探測電極安置于體表相隔一定距離的兩點，此兩點即構成一個導聯，兩點的連線代表連軸，具有方向性。臨床常用的導聯方式有肢體導聯和胸前導聯，肢體導聯又有標準導聯和加壓單極肢體導聯之分。臨床中廣泛應用的是標準十二導聯系統，分別記為、三個標準導聯，aVR、aVL、aVF三個加壓導聯以及V1-V6六個胸極導聯。其中、主要是反應左手、右手以及左腿任兩電極間的電壓差，無探查電極和無關電極之分，是雙極導聯。雙極導聯就是拾取兩個測試點的電位差。aVR-V6是單極導聯，就是拾取某一點相對參考的電位。由一個無關電極和探查電極所組成，其P波明顯，利于診斷心律失常（V1）和左前壁心肌缺血（V5、V6）。標準導聯的特點廣泛地反映了心臟的大概情況，如：后壁心肌梗塞、心律失常等，往往、導聯可以記錄到清晰的波形。22心電信號的特點及對放大電路的要求心電信號的特點：信號十分微弱，常見的心電頻率一般在0.05100Hz之間，能量主要集中在17Hz-3-附近，幅度小于5mV，心電電極阻抗較大，一般在幾百千歐以上。在檢測生物電信號的同時存在強大的干擾，主要有電極移動引起基線漂移(一般小于1Hz)，電源工頻干擾(50Hz)，肌電干擾(幾百Hz以上)。電源工頻干擾主要是以共模形式存在，幅值可達幾V甚至幾十V，所以心電放大器必須具有很高的共模抑制比(80dB以上)。電極移動引起基線漂移是由于測量電極與生物體之間構成化學半電池而產生的直流電壓，最大可達300mV，因此，心電放大器的前級增益不能過大。由于信號源內阻可達幾十K、乃至所以，心電放大器的輸入阻抗必須在幾M以上。同時在有源低通濾波器中要求能夠有效地濾除與心電信號無關的高頻信號，最后在設計要求對某一頻段的信號能夠抑制或衰減。通過系統調試，最后得到放大、無噪聲干擾的心電信號。23總體電路框圖本電路設計主要是由五部分構成。第一是前置放大電路。這一級增益選100250倍左右。第二是抑制共模信號電路。我采用了右腿驅動電路，它不僅可以消除其中的共模電壓，還能提高共模抑制比，使信號輸出的質量得到提高。第三是低通濾波電路。心電頻率一般在0.05-100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近，幅度為05mV，所以要對0.05-100Hz以內的信號進行保護，把這個頻率帶以外信號全部濾除。第四是工頻50Hz的帶阻濾波電路。本設計主要是采用了雙T帶阻濾波電路，它能夠對某一頻段的信號進行濾除。對于電源工頻產生的50Hz的噪聲，用它能有效選擇而對噪聲進行濾除。第五是后級放大電路。心電信號需要放大上千倍才能觀測到，前置放大器增益只有100250左右，在這一級還需要放大410倍左右。總體電路框圖如圖2：3具體單元電路設計31前置放大電路的設計：-4-根據心電信號的特點，前置級應該滿足下述要求：1)高輸入阻抗。被提取的心電信號是不穩定的高內阻源的微弱信號，為了減少信號源內阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。一般情況下，信號源的內阻為100k，則放大器的輸入阻抗應大于1M。2)高共模抑制比CMRR。人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的參數以外的生理作用的干擾，一般為共模干擾，前置級須采用CMRR高的差動放大形式，能減少共模干擾向差模干擾轉化。3)低噪聲、低漂移。主要作用是對信號源的影響小，拾取信號的能力強，以及能夠使輸出穩定。311方案（一）：三運放儀用放大電路如圖3所示的同相并聯三運放結構，這種結構可以較好地滿足上面三條要求。A1、A2構成放大器的第I級，主要用來提高整個放大電路的輸入阻抗。第II級采用差動電路用以提高共模抑制比。將A3、A4兩個同相輸入運放電路并聯，再與A5差分輸入串聯的三運放差分放大電路。根據虛短、虛斷的概念，不難分析A3、A4前置放大電路僅對差模信號有放大作用，差模放大倍數為（R3+2R1）/R3倍。這樣的電路有以下幾個優點：A3、A4提高了差模信號與共模信號之比，即提高了信噪比，因差模信號按差模增益比放大，遠高于共模成分（噪聲）；決定增益的電阻（R1、R2、R3）對共模抑制比CMRR沒有影響，因此電阻的容差不重要，R1、R4的失配僅使兩輸出端之間的差模增益失配，與CMRR相比，這一點并不重要。電路的另一個特點是對共模輸入信號沒有放大作用，共模電壓增益接近于零。這個因素不僅與實際的共模輸入有關，而且也與A3和A4的失配電壓和漂移有關。如果A3和A4有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作為共模信號出現，沒有被放大，還能被第二級抑制。這樣對于A3和A4的漂移要求就會降低。A3和A4前置放大級的差模增益要做得盡可能高，相比之下，第二級（A5）的漂移和共模誤差就可以忽略，對放大器的要求就可以大大降低。當R4=R5，R6=R7+RP時，兩級的總增益為兩個差模增益的乘積，即：Avd=(（R3+2R1）/R3)(R6/R4)由此可知，上述電路具有輸入阻抗高，共模抑制比高等優點，可作為通用儀用放大器使用。圖3三運放儀用放大器312方案（二）利用AD620來設計放大電路AD620是一種只用一個外部電阻就能設置放大倍數為11000的低價格、低功耗、高精度儀表放-5-大器。它體積小，為8管腳的SOIC或DIP封裝；供電電源范圍為2.3Vl8V；最大供電電流僅為1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大輸入失調電壓為5OV，最大輸入失調電壓漂移為lV/。C，最大輸入偏置電流為2.0nA。G=10時，其共模抑制比大于93dB。在1kHz處輸人電壓噪聲為9nv（Hz）1/2在0.1Hz10Hz范圍內輸人電壓噪聲的峰-峰值為0.28V，輸入電流噪聲為0.1pA（Hz）1/2。G=l時它的增益帶寬為120kHz，建立時間為15s。總的來看，AD620的特點可歸結為如下幾點：AD620能確保高增益精密放大所需的低失調電壓、低失調電壓漂移和低噪聲等性能指標，故可用于精確的數據采集系統，作為各種微弱信號的前置調理器；只用一只外部電阻就能設置放大倍數ll000；體積小，只有8個引腳；低功耗，最大的供電電流為1.3mA；價格低，建立時問短，所以它也非常適用于多路轉換系統的V/I變換電路。利用AD620構成心電放大器前置放大級：圖5圖5是AD620在心電圖監測儀的的應用，這里的源阻抗可高達1M，甚至更高，AD620的低功耗、-6-低供電電壓及低噪聲特性得到了充分發揮。3.1.3方案（三）用MAX4194實現MAX4194也是增益可調的儀用放大器，下面是它的特性參數：+2.7V單電源工作低功耗93ASupplyCurrent8AShutdownCurrent高共模抑制比：115dB(G=+10V/V)低輸入失調電壓：50V(G=+100V/V)G1000V/V時3dB帶寬為147Hz軌至軌輸出MAX4194的這些優異性能使它十分適合心電放大器的設計。設計電路如下：圖63.1.4方案選擇及元器件選擇：三運放儀用放大器，雖然可以滿足一般要求，但由于集成化低，所用元件多，結構復雜，調試困難，難以滿足當前各種微弱生理參數測量的高穩定性、高共模抑制比、高安全性的要求。MAX4194的封裝形式是貼片，用起來不太方便，所以選用DIP封裝的AD620。元件參數計算：這一級增益選為250，并聯雙運放部分放大5倍，AD620部分放大50倍。選R1R220K，R310K，則AV1=2R1/R35。取R5R620K。C1、C2、R7、R8組成高通濾波網絡，截止頻率為0.025Hz。取R7R8200K,C1C233F，f1/2R7C10.024Hz。AD620部分放大50倍，由公式G=49.4k/RG+1計算得到，RG=1k。前級總放大倍數AV前=AV1G5（49.4+1）252。-7-32共模信號抑制電路321定義：為了說明差分式放大電路指引共模信號的能力，常用共模抑制比作為一項技術指標來衡量，其定義為放大電路對差模信號的電壓增益VDA與對共模信號的電壓增益VCA之比的絕對值，即VDCMRVCAKA差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，則共模抑制能力越強，放大電路的性能越優良，因此希望CMRK值越大越好。共模抑制比也可以用分貝表示：20lgVDCMRVCAKdBA322右腿驅動電路體表驅動電路是專為克服50Hz共模干擾，提高CMRR而設計的，原理是采用以人體為相加點的共模電壓并聯負反饋，其方法是取出前置放大級中的共模電壓，經驅動電路倒相放大后再加回體表上，一般的做法是將此反饋共模信號接到人體的右腿上，所以稱為右腿驅動。通常，病人在做正常的心電檢測時，空間電場在人體產生的干擾電壓以及共模干擾是非常嚴重。而使用右腿驅動電路就能很好地解決了上述問題。下圖就是右腿驅動電路主要構成。其中反饋共模電壓可以消除人體共模電壓產生的干擾，還可以抑制工頻干擾。323元器件參數計算：參數選擇：R41M，RF=10M，CF=4700pF（CF的作用是使右腿驅動電路穩定）,R9=100K。右腿驅動電路如下圖所示：圖733低通濾波電路-8-要求：3dB頻率是100Hz，在200Hz的率減大于25dB。1)計算陡度系數AS。AS200/10022)選擇歸一化設計滿足低通要求。n3的巴特沃斯設計能滿足要求。下圖表示歸一化低通濾波器。圖83)把低通換算為所需的截止頻率和阻抗值。計算FSF.FSF=2100=628選Z10000，把所有電阻乘以Z，把所有電容除以ZFSF。下圖是所得到的低通濾波器。圖9下圖是模擬的低通濾波器的幅頻特性曲線。-9-圖103.4工頻50Hz的濾除電路工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號方式進入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內，加上電極和輸入回路不穩定等因素，前級電路輸