简易心电图仪设计

简易心电图仪设计 (2004年湖北省大学生电子设计竞赛B题),题目要求,一、任务,设计制作一个简易心电图仪，可测量人体心电信号并在示波器上显示出来,导联电极说明： RA右臂；LA 左臂；LL 左腿；RL 右腿。 第一路心电信号，即标准I导联的电极接法：RA接放大器反相输入端(-)，LA接放大器同相输入端(+)，RL作为参考电极，接心电放大器参考点。 第二路心电信号，即标准II导联的电极接法：RA接放大器反相输入端(-)，LL接放大器同相输入端(+)，RL作为参考电极，接心电放大器参考点。RA、LA、LL和RL的皮肤接触电极分别通过15m长的屏蔽导联线与心电信号放大器连接。,题目要求,二、要求,1基本要求(1)制作一路心电信号放大器，技术指标如下：电压放大倍数1 000，误差5。-3dB低频截止频率0.05Hz，(可不测试，由电路设计予以保证)。-3dB高频截止频率100Hz，误差10Hz。频带内响应波动在3dB之内。共模抑制比60dB(含1.5m长的屏蔽导联线，共模输入电压范围为7.5V)。差模输入电阻5MQ(可不测试，由电路设计予以保证)输出电压动态范围大于10V。,题目要求,二、要求,(2)按标准I导联的接法对一位参赛队员进行实际心电图测量。 能在示波器屏幕上较清晰地显示心电波形。 实际测试心电时，放大器的等效输入噪声（包括50Hz 干扰）400V(峰峰值)。 (3)设计并制作心电放大器所用的直流稳压电源。 直流稳压电源输出交流噪声3mV(峰峰值，在对放大器供电条件下测试)。,题目要求,二、要求2发挥部分,(1)扩展为两路相同的心电放大器，可同时测量和显示标准I导联和标准导联两路心电图，并且能达到基本要求(2)的效果。 (2)具有存储、回放已测心电图的功能。 (3)将心电信号放大器-3dB高频截止频率扩展到500Hz，并且能达到基本要求(2)的效果。 (4)将心电信号放大器共模抑制比提高到80dB以上(含1.5m长的屏蔽导联线)。 (5)其他。,题目要求,三、评分标准,题目要求,四、说明,(1)可用80mm20mm薄铜皮作为皮肤接触电极。 (2)用带有尼龙拉扣的布带或普通布带将电极分别捆绑在四肢相应位置。 (3)测量心电图前，应使用酒精棉球仔细将与电极接触部位的皮肤擦净，然后再捆绑电极。为减小电极与皮肤间的接触电阻，最好在电极下滴12滴5的盐水，或用5盐水浸过的棉球垫在电极与皮肤之间。(4)被测人员应静卧，以避免测量基线大幅度漂移、降低噪声。,题目要求,(1)对于基本要求(1)项的说明。 电压放大倍数、频率响应特性、差模放大倍数、输出动态范围的测试：将差分放大电路反相输入端接地近似测试。可将1V(rms)正弦信号用10k和10电阻分压衰减到1mV，再输入到放大电路进行测试，以减小信号源噪声的影响。 频带内响应波动的测试：考虑到许多低频信号发生器(函数发生器)输出最低频率的限制，该项目的低端频率只测量到0.5Hz(即低频截止频率的10倍)。其方法是，输入信号幅值保持在1mV(rms)，用示波器测量0.5100Hz范围内的输出最高和最低电压值，与频率为20Hz的输出电压值相减后计算频带内响应的最大波动(dB)。,五、测试说明,题目要求,(1)对于基本要求(1)项的说明。 要求带1.5m长的屏蔽导联线进行共模抑制比测量。共模放大倍数的测量方法是，将差分放大电路的两端输入端短接，并输入5V(rms)正弦信号，测量输出电压。根据所测差模和共模放大倍数计算共模抑制比。输出动态范围的测试：从小增大输入信号幅值，通过测量最大不失真输出电压的峰峰值得到。,五、测试说明,题目要求,(2)对于基本要求(2)项的说明。 对人体心电信号进行实测： 用示波器观测心电放大器输出波形时，一般应将X轴置于0.2sdiv，y轴置于0.52Vdiv(因人而异)。用数字示波器观测效果更好。 在示波器上测量放大器输出心电信号基线上的噪声(峰峰值)，然后计算输入端等效噪声(峰峰值)。 (3)对于基本要求(3)项的说明 应在心电放大器正常工作条件下用示波器(置为交流输入模式)测量稳压电源的输出噪声。 (4)对于发挥部分与基本部分的测试法相同。 (5)实际测量值达到指标值的给满分，低于指标值的酌情给分，但要求作出详细的实测记录。,五、测试说明,题目解析,一、题目意图及知识范围,本题侧重于弱信号的检测，其内容涵盖了较丰富的模拟电子技术知识，主要包括放大器、噪声抑制、有源滤波等。在1999年举行的第四届全国大学生电子设计竞赛中曾有测量放大器(A题)的设计课题与本题属同一类型，但本题对噪声抑制的要求更高，并增添了有源滤波器的内容。本题具有一定趣味性，且难度适中容易入手。 本题基本部分涉及基本仪表放大电路和稳压电路及放大器的增益、频率响应、共模抑制比、输出电压动态范围、稳压电源噪声等基本知识。不同类型学校和专业的学生应该都能完成本题所要求的内容。,题目解析,一、题目意图及知识范围,发挥部分要求学生具备较宽的知识面和应变能力，对模拟电路提出了更高的技术指示；如果要实现心电波形的存储、回放，还必须加入单片机基本系统，从而包含了有关数字电路、微机接口电路等课程的基本内容，一般需要将硬件和软件的知识密切配合才能达到；能较好地考核学生是否能综合运用所学知识解决本专业的问题及是否具备一定的创新能力。此外，发挥部分允许加入其他功能，给学生留有一定的发挥空间。,题目解析,一、题目意图及知识范围,考虑到电子设计竞赛的实际情况，简易心电图仪只要求记录一路或两路心电图(标准工、导联)，而不像标准心电图仪那样能记录12路心电图，以避免涉及过多的心电图学知识。与人体皮肤接触的电极也不要求使用标准的银氯化银电极，只需用铜皮自制(题目说明中给出制作和使用方法)。除此之外，本题的基本技术要求大部分已十分接近于实际心电图仪。为便于学生进行人体实测心电图，题目说明中也指出测试中应注意的事项。,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 本题基本部分的设计重点在于心电信号放大器、有源滤波器和低噪声稳压电源。其中，设计一个良好的低噪声稳压电源将有利于使系统达到噪声指标。 1)心电信号放大器设计 心电信号放大器的设计是使系统达到各项技术指标的关键环节。,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 1)心电信号放大器设计基本差分放大电路存在的问题。使用基本差分放大电路可以抑制共模干扰，但是，用图示电路测量人体心电信号存在以下两个问题。,题目解析,二、设计重点与方法,一是信号源电阻是变化的。以心电作为信号源的等效电路如图 (b)所示，其中信号源内阻Rs1，Rs2包括电极与皮肤的接触电阻，肌肉、骨骼等组织的电阻。它们不但因各人的身体差异而有相当大的变化，就同一个人来说，也随时间和环境的不同而变化，范围可能在k至M数量级之间。这种情况下，心电信号的放大增益是极不稳定的。,题目解析,二、设计重点与方法,二是输入信号中含有很强的共模成分，主要是工频干扰。Rs1和Rs2不可能相等，这会造成差分放大电路的共模抑制比急剧下降，共模干扰可能完全湮没微弱的差模心电信号。,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 1)心电信号放大器设计 仪表放大电路。又称仪用放大器，数据放大器等。特点：输入阻抗高，输出阻抗低，失调及零漂小，放大倍数精度可调，共模抑制比高。适用范围：大的共模电压背景下对缓变微弱的差值信号进行放大。常用于热电偶、应变电桥、生物信号等的放大。集成仪用放大器：通用型（INA110,INA114/115,INA131等）；高精度型（AD522,AD524,AD624）；低噪声低功耗型(INA102, INA103) ； 可编程型（AD526）,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 1)心电信号放大器设计 仪表放大电路。三运放构成的仪表放大电路可解决上述问题。根据运放虚短和虚断的工作原理，从图中可得,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 1)心电信号放大器设计 仪表放大电路电路的第一级为电压串联负反馈放大，输入电阻很高，信号源内阻Rs1和Rs2变化的影响几乎可以忽略不计。,如果A1和A2特性相同，且两个R2相等，则u3和u4中的共模成分也相等，电路总的共模抑制特性取决于A3构成的差分放大电路。A1，A2在深度负反馈下输出电阻极低，其差异与R3相比可以忽略不计。只要选择高共模抑制比的A3并仔细匹配R3和R4，电路的共模抑制比很容易达到80dB以上。,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 1)心电信号放大器设计 心电信号放大器。心电信号检测时，电极与皮肤会产生直流极化电势，应在电路中设计隔直流电路，即高通电路。该电路不应引起心电信号的显著失真。虽然心电信号的最低可能频率成分只达到0.5Hz(相应于心脏搏动30次min)，但为降低信号因相移而产生的线性失真，心电信号放大电路的低频截止频率必须达到心电信号的低频截止频率的110，即0.05Hz。本题未对低频截止频率的特性作特殊要求，可用简单RC高通电路实现。,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 1)心电信号放大器设计 心电信号放大器。 由于电容C1漏电会引起uO的漂移，所以C1不应选用电解电容，而应使用介质特性较好的电容。这里，取C1=1F，Rs=3M。,题目解析,二、设计重点与方法,心电信号放大器。虽然提高放大器的第一级增益有利于降低输出噪声，但考虑到极化电动势，三运放构成的仪表放大电路增益不应太大，其电压增益可以取40，则A1构成的同相放大电路电压增益应为25，总增益为1 000。,题目解析,二、设计重点与方法,心电信号放大器。为提高电路的共模抑制比，图中标号相同的各两个R2、R3、R4应做到两两匹配，整个电路共模抑制比基本取决于这些电阻的匹配程度。电阻匹配得好，其共模抑制比是不难达到80dB的。,题目解析,二、设计重点与方法,心电信号放大器。电路中，A1A4应选用如LF347之类以FET作为输入级的运放，以保证足够低的偏置电流。使用这种低成本运放构成心电放大器完全可达到题目要求的技术指标。,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 1)心电信号放大器设计 使用集成仪表放大器。使用INA2128集成仪用放大器组成图示的仪表放大电路，可以省却电阻匹配的麻烦，并易于达到更高的共模抑制比、更小的偏置电流和更高的温度稳定性。该电路中包含两个相互独立的仪表放大电路，正好满足两路心电信号放大的要求。,题目解析,二、设计重点与方法,使用集成仪表放大器。,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 2)有源滤波器设计 有源滤波器主要使简易心电图仪的高频响应特性达到题目要求。 滤波特性的选择。心电信号的典型波形如图所示，它具有脉冲波形的特征，为保证其不失真放大，必须注意滤波器的相位特性。有三种典型的滤波器：巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器，其中，贝赛尔滤波器具有线性相移特性，最适用于心电信号的滤波处理。巴特沃思滤波器和切比雪夫滤波器都会引起心电波形的失真。,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 2)有源滤波器设计贝赛尔滤波器电路。由于题目对电路高频响应的截止特性没有提出要求，可选用较简单的二阶贝塞尔滤波器，其典型电路如图所示。图中开关可控制电路的高频截止频率在100Hz和500Hz之间切换。元件参数可参考应用电子技术(科学出版社，2003)中所述查表法快速确定，也可参考其他有关教材，应用公式计算得到。,C1 510pFRl 2.2MC2 510pFR2 2.2M,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 2)有源滤波器设计贝赛尔滤波器电路。 如果需要更陡峭的截止特性，可将两个滤波电路级联，组成四阶贝塞尔滤波器。所有的阻容元件参数都应按四阶滤波电路计算。,题目解析,二、设计重点与方法,1基本要求 3)低噪声稳压电源设计 由于题目要求“输出电压动态范围大于10V”，所以放大器供电稳压电源选用12V或15V。,用普通集成三端稳压电路直接构成稳压电源难以达到题目提出的“3mV(峰峰值)”噪声要求。需要在集成三端稳压电路外增加放大环节，才能进一步抑制噪声，图示的为正电源电路一例。负电源可采取类似的设计。,系统分析,一、系统总体方案设计,系统分析,二、前置放大电路设计,整个系统的核心部件。决定了整机的主要技术指标。前置放大器要求噪声尽可能低，抗干扰尽可能强和共模抑制比KCMR尽可能高。,1前置主放大器设计及参数计算 在本系统中前置放大器直接采用低噪声、高共模抑制比、高输入阻抗、低功耗的高性能双仪表放大器INA2128。,系统分析,二、前置放大电路设计,A、B两路放大器差模放大倍数按下式计算,本级放大倍数不宜取得过大，它要承担整机抗干扰重任，故可选AuA=40。于是RGA=1.282k。,2抗干扰措施 本题干扰环境非常恶劣，输入的有用信号极微弱，故抗干扰问题显得难解决。本系统采用如下抗干扰措施。,系统分析,二、前置放大电路设计,1)采取电磁屏蔽措施，防止干扰信号进入系统,根据题意，传感器至心电图仪有1.5m的信号传输线，另外传感器的感应铜片与人体紧密接触，人体就是一个干扰源的接收天线。为防止干扰，信号传输线必须采用屏蔽线。同时加装空间隔离(心电仪放大器部分加屏蔽盒)、电源隔离(供电部分滤波性能要好)、地线隔离、数模隔离(数字部分供电部分和地线与模拟部分加退耦网络)等，防止干扰信号从放大器的入口处、从空间、从电源线、从地线进入心电仪放大器内。,2抗干扰措施,系统分析,二、前置放大电路设计,2)防止干扰信号在对称点处形成差模信号,采用电磁屏蔽措施，只能使进入放大器的干扰信号减小，不可能完全排除干扰信号“入侵”，因为干扰信号是无处不有，无时不在，无孔不入。例如说，你可以将信号传输线加以屏蔽，放大器加装屏蔽盒，但不能将临床的病人也用金属盒屏蔽起来。而且人体的姿态不同其感应的信号也