心电信号浮地放大器的设计

1、重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要心电信号浮地放大器的设计摘 要心电现象是人体生命活动的基本属性之一，它是反映人体生理状态的一种重要信息，心电图在医学上被广泛运用。心电信号属于低频的微弱信号，为了对其进行处理和显示，必须将其放大到适当的幅度。该论文分析了心电信号放大器的安全性、共模抑制比、输入阻抗、抗干扰能力与输入噪声等性能指标，讨论了心电信号放大器的发展趋势，以光电耦合方式作为本课题的研究方向，提出了一个心电信号浮地放大器的设计方案。在该课题中，完成了心电信号浮地放大器的单元电路设计，包括前置放大电路、高通滤波器、50hz陷波器、光电耦合隔离电路、低通滤波器、后级放大电路与浮地电源，

2、并制作成一个实验装置。通过对电路的仿真和实验装置的测试，检测了所设计的心电放大器的通频带、50hz陷波、共模抑制比、输入阻抗与增益等主要性能指标，根据检测结果对所设计的电路进行了分析评价。关键词：心电信号，浮地放大器，隔离，光电耦合 iii重庆大学本科学生毕业设计（论文） abstractabstractelectrocardio one of the basic attributes of human life, it reflects an important information of the physiological state. ecg has been widely used

3、in medicine. electrocardiosignal is a weak low-frequency signal, in order to process and display, it must be enlarged to the appropriate rate. this article analyzes performance indicators of electrocardiosignal amplifier, included safety, common mode rejection ratio, input impedance, anti-interferen

4、ce ability input noise etc. it discusses the development trend of electrocardiosignal amplifier, and with photocoupling for the subject of this research, gives a design of electrocardiosignal isolation amplifier.in this task, it has completed the design of unit circuits for electrocardiosignal isola

5、tion amplifier, including the pre-amplifier, high-pass filter, 50hz notch filter, photocoupling isolation circuits, low-pass filter, after-class amplifier circuit and floating power supply, and an experimental device has been made. with simulation for the circuit and test for the experimental device

6、, it detects the major performance indicators of the electrocardiosignal isolation amplifier designed in this task, including pass band, 50hz notch, common mode rejection ratio, input impedance, gain etc. according to test results, it gives analysis and evaluation to the circuit.key words： electroca

7、rdiosignal, isolation amplifier, isolation, photocoupling 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录目 录中文摘要abstract1绪论1 1.1 心电介绍1 1.2 心电图仪发展简史2 1.3心电图与心电图机的应用3 1.4心电图与心电图机的发展趋势41.5 心电信号放大器5 1.5.1 心电放大器的意义5 1.5.2 心电信号放大器的发展5 1.5.3 心电信号浮地放大器52 总体设计72.1 心电放大器的性能指标72.2 选择隔离方式82.3 确定功能模块82.4 系统框图93 单元电路设计113

8、.1 前置级113.2 高通滤波器133.3 50hz陷波器133.4 隔离电路153.5 后级放大电路183.6 浮地电源194 系统测试214.1 前置级214.2 滤波电路224.3 50hz陷波器234.4 隔离电路244.5 后级放大电路244.6 系统参数255 分析与总结265.1 课题设计分析265.2 装置优化的方向与应用266 致谢27参考文献28附录a：元器件清单31附录b：系统总电路图31 34重庆大学本科学生毕业设计（论文） 绪论1 绪论 1.1 心电介绍心脏是循环系统中重要的器官。由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动。心脏在

9、机械性收缩之前，首先产生电激动。心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电位1。如果在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电图机(即精密的电流计)的两端，它会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图2。典型心电图 心电图由一系列不相同的“波组”构成。一个典型的心电图包括下述各波及波段。一个心动周期，在心电图上可有5个或6个波，从左至右为 p、q、r、s、t及u等波群(见图1)；又分为7个部分，即p波、p-r段、p-r间期、qrs波群、st段、t波、q-t间期。 各波正常值及临床意义如下： 图 1 1)p波：p波向上

10、，惟avr导联中p波倒置；avl导联中p波向上。正常向上的p波顶部圆滑。p波时限平均为0060.11秒，振幅平均为o015025毫伏。 2) p-r间期：01202秒；婴儿心跳较速者，p-r间期可较短。如果延长可提示风湿活动期、房间隔缺损、心肌炎、三尖瓣闭锁等。 3) qrs波群：q波是qrs波群中第一个向下的波，其前面无向上的波；r波是qrs波群中第一个向上的波，其前面是向下的q波；s波是随着r波之后的向下波。qrs波正常值为0.0601秒，如有q波出现，其时间小于004秒，波的深度 为14r(avr导联除外)。qrs波群时间延长则提示有心室肥厚、束支传导阻滞、心室性心搏及预激综合征。 4)

11、 st段：st段起自qrs波群之终点至t波之起点。st段向下不超过0.05毫伏，向上不超过0.1毫伏，但在v1、v2导联中向上偏移可达0.3毫伏。如果超过02秒，则提示冠状动脉功能不全。st段异常抬高多见于急性心肌梗塞、急性心包炎；若异常压低，多见于慢性冠心病、心内膜下心肌梗塞、急性心肌炎、心室肥大、心房肥大等。 5)t波：t波是向上的波，在avr导联中，正常t波是倒置的。在vl(或v2)及l导联中，t波可能倒置。vf的t波也可倒置。直立t波应大于同导联r波的110，tvl应<04my，若tvl>04my，可考虑心室后壁心肌梗塞。波的振幅在肢导联一般是 26 毫米，在胸导联可能高达

12、 1215 毫米，估计 t 波振幅大小时，应同时注意 qrs 波群振幅的大小，如 qrs 波群振幅小，t 波也小，如 qrs 波群振幅大，t 波也大。t 波改变的意义需结合临床资料加以解释，一般可见于心肌病变。6)qt间期：qt间期是自qrs波群的起点至t波的终点所占的时间。正常人qt间期为0.3604秒，心率快时qt间期缩短。若qt间期延长，见于心肌梗塞、冠状动脉供血不足、低钾血症、低钙血症等。代表心室激动开始到复极完毕所需的时间，此段肘间随心搏速率而改变。心率快， qt 间期短。而心率慢， qt 间期较长。7)u波：u波是在t波之后一个较低的波。u波的方向一般均与t波一致，但胸导联的u波均

13、是向上的。u波不超过005毫伏，但vs导联的u波有时可达03毫伏。时间为0.160.2秒。学者多认为此波代表心室传导纤维的复极，故亦有人称之为蒲肯野氏纤维的 t 波。u 波特别明显时可见于低血钾情况。1.2 心电图仪发展简史心电图检测是20世纪建立起来并广泛应用于临床诊断和监测的重大技术成果之一。自1903年心电图仪问世，至今100多年了。回顾心电图的研究，最早始于英国的waller(1887),他首次证实除了鸽子、青蛙的心脏外，人类心脏也存在生物电。继waller之后，贡献最大的学者是荷兰莱顿大学的生理学教授爱因托芬（william einthoven, 1860-1927）。1889年，他

14、开始了有关人类心电图方面的综合性研究。他倡导的心电图波的命名法一直沿用至今。于1903年创制出第一台弦线型心电图描记器。爱因托芬最初设计制造的弦线式电流计重达数吨，装满了座落在离莱顿大学附属医院一英里远的研究室中的一整间屋，为了收集医院病人的心电图，他用信号线将仪器与远方的病人连接起来。1911年，由英国电器工程师杜德尔(william du bois duddell ,1872-1917)设计出第一批推向市场的这种仪器3。从此，各种不同型号的弦线式电流计被纷纷生产出来，并广泛应用于电生理学和其他学科的实验研究。1912年，爱因托芬又研究了呼吸时心脏位置变动对心电图的影响，同时说明了三个导联之

15、间的关系，提出著名的“爱因托芬三角”的概念，进一步为心电图原理和心电测量的方法学奠定了基础，使心电图成为20世纪对心脏病人进行临床诊断和监测的重要技术手段4-5。1924年，诺贝尔基金会为表彰他在改进心电图仪的设计和建立现代心电图学方面的贡献，授予他诺贝尔生理及医学奖。他被后人推崇为心电图学之父。此后，心电图仪不断小型化，多功能化，数字化，并发展为十二导联系统。1.3 心电图与心电图机的应用心电信号实时准确地提取与分析可以检测心脏状况，对病人病况的及时诊断，药物疗效的跟踪有着重要的意义。心脏病作为一种常见多发慢性疾病，具有病情隐蔽，发展缓慢，发病危险性高的特点，对心脏病患者，特别是中老年患者的

16、危害极大。心血管疾病已经越来越成为威胁病人健康的主要因素之一，及时发现和预防在心血管疾病的治疗中已成为越来越重要的手段。医学实践表明，对于心脏的防治，最有效的手段就是预防和保健，在对心脏病患者进行检测的基础上，尽早发现病变情况，及早进行治疗，以控制病情的进一步发展。同时，随着技术与社会的进步，病人实时监护显得越来越重要，病人的各种生理参数的实时检测与分析是实时监护的基础，而心电信号是主要的监护参数之一。因此，对人体心电电信号的实时监测与分析系统的研究就更加迫切，更加具有现实意义。 近年来，随着医学的进步与科学技术的发展，人们对健康的保障与疾病的诊治提出了越来越高的要求。人体心电信号的检测与分析

17、手段在经历了数十年的不断改进与发展之后，取得了长足的进步，在今天的医学领域中越来越显现出其必要性与重要性，心电信号的检测与分析不仅是心脏病自动诊断的重要手段，也是人体健康状况检测及其他疾病诊断的重要手段之一。1.3.1 在心脏性危重患者中的应用（1）对不稳定型心绞痛的监测；（2）对心律失常的监测；（3）用抗心律失常药物治疗时的监测；（4）对安装起搏器病人的监测。1.3.2 在非心脏性危重患者中的应用（1）系统器官功能衰竭的监测；（2）对电解质代谢紊乱的监测；（3）对神经系统危重症的监测；（4）在麻醉、手术过程中的应用心电图监测；（5）在心肺复苏过程中的应用心电图监测下；（6）在特殊检查中的应用

18、心电图监测；（7）用药观察、航天、体育等的心电监测。1.4 心电图与心电图机的发展趋势随着心脏电生理、细胞电生理、分子遗传学的深入开展，以及与医学相关学科的发展，如计算机的广泛应用、电磁学的深入研究等，已使心电图由一门单纯的技术发展成为心电学，打破了心电图以往的局限性，为这项经典的技术翻开了新的篇章。心电图现已不再是单一的诊断手段，它与临床表现密切结合，已成为恶性心律失常和心性猝死早期预测的重要检测方法。1.4.1记录方式的革新 记录方式由热笔式向热阵式记录的转变，频率响应大大提高，记录不失真心电波形的能力得到了很大的提高，提高了诊断准确率。1.4.2数字化技术及其它先进技术的的运用 运用先进

19、的数字信号处理技术，心电信号处理的速度能力及准确率得到很大保证。1.4.3 多导同步记录 可同步整体观察和测量多导同一心动周期的波形，提高了各种参数测量的准确性，便于早搏的定位，心律失常的分形，预激综合征的分型、定位，宽qrs波心动过速的鉴别诊断。1.4.4 临床信息系统的参与及管理 用心电图机作为终端，进行心电信号的采集与处理，先进的心电图机由于采用数字技术及预留通讯接口，使心电信号的集中处理及统一管理成为可能，实现了临床信息系统的参与，顺应信息时代发展的大趋势。 1.4.5 自动测量以及分析诊断功能的不断完善1.5 心电信号放大器1.5.1 心电信号放大器的意义  心电信号放大器

20、的性能决定了各类心电检测与处理仪器的性能，而心电信号的采集和处理质量直接影响着对人体疾病的诊断和生理状态的检测。心电信号是复杂生命体发出的在强噪声条件下的微弱信号，其幅度在10uv-5mv 之间，经过放大1000多倍才能被观察出来6。频率范围为0.05hz -100hz，淹没在50hz的工频干扰、人体其他信号与其他噪声之中7。因此，要对心电信号进行精确测量，须将微弱信号放大几千倍才利于观察,所以必须设计出性能优良的放大器。1.5.2 心电信号放大器的发展心电信号放大器是伴随着电子技术的发展而发展的。最初的心电信号放大器，是由分离电路元件构成的，元件数量多，体积庞大，电路设计与制作麻烦，应用不便

21、。基于安全考虑，这种放大器采用了右腿驱动，把漏电流导向大地，虽然有了一定的安全保障，但由于主机与人体相接触，仍然存在安全隐患。随着电子技术的发展，产生了集成电路技术，大量集成电子器件面市，有了针对专门应用的仪用集成器件，如仪用心电放大器，极大地方便了电路与仪器的设计。然而，集成器件虽然简化了设计，方便应用，却存在某些性能参数不足的问题。为了解决上述问题，采用集成器件与分离元件进行组合的方式，设计出新的性能更优的放大器。基于这种方式的心电信号浮地放大器，其应用部分（即与人体接触的输入电极）与主机隔离，从而使得人体与主机分离，具有很高的安全性，因而成为现代心电信号放大器的主流8-10。1.5.3

22、心电信号浮地放大器由于心电信号放大器的输入端是通过电极与人体皮肤接触，因而在设计放大器时必须考虑人体的电气安全问题。现代生物医学仪器的放大器都采用了浮地技术。浮地放大器又名隔离放大器，这种放大器的前置级与主机放大器是绝缘的，既减小共模干扰，又杜绝漏电危险。浮地放大器包括输入级、隔离级与输出级，输入级电源取自放大器内部的隔离dc-dc直流变换器，输出级的电源取自主机，输入级与输出级之间隔离，阻抗与耐压都很大，故漏电流很小11。设计心电信号放大器，需要认真考虑浮地电源的设计以及输入级与输出级隔离的设计。心电信号浮地放大器的隔离方式主要有电磁耦合与光电耦合两种12-16。电磁耦合浮地放大器原理：从人

23、体接收到的心电信号，经过前置放大后，加到调制电路上，并借助高频信号将经过调制的心电信号耦合解调电路上，得到解调信号。解调后的信号经过主放大器放大，输出放大了的心电信号17。光电耦合浮地放大器原理：从人体接收到的心电信号，经过前置放大后，加到发光器上，控制控制发光器的光通量，使光通量对应于心电电流强度变化而变化，实现电光调制。发光器发出的光被受光器接收而产生光电流，此光电流完全对应于发光器的光通量的变化而变化，实现光电解调。光电流经过主放大器，输出放大了的心电信号18。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 总体设计2 总体设计2.1 心电放大器的性能指标心电信号十分微弱，常见的心电频率一般在0.05

24、hz100hz之间，幅度在10uv-5mv 之间，能量主要集中在17hz附近，心电电极阻抗较大，一般在几十千欧以上19。在检测心电信号的同时存在强大的干扰，主要有电极极化电压引起基线漂移，电源工频干扰(50hz)，肌电干扰(几百hz以上)与空间电磁场（如临床上存在高频电刀的干扰）等6。因而，通过心电极采集到的心电信号淹没在人体其他生物电信号和噪声之中。为了得到精确的心电信号，心电放大器必须具有以下性能指标:（1）高差模电压增益。一般在1000以上。（2）恰当的低频带。通频带一般在0.1hz-100hz。（3）良好的50hz陷波性能（消除50hz工频干扰）。（4）高输入阻抗，低输出阻抗。人体内阻

25、，检测电极与皮肤的接触电阻为信号的内阻，阻值一般为几十千欧。通过电极提取的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减轻微弱心电信号的负载，要求放大器的输入阻抗比较高，一般大于1兆欧；而输出阻抗则要很低，一般在1欧以下。（5）高共模抑制比。人体相当于一个导体，将接收空间电磁场的各种干扰信号，它们对放大器来说相当于共模信号。同时，电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可达几伏甚至几十伏。因此，前置级必须采用高共模抑制比的差动放大形式，以减少共模干扰向差模干扰的转化。一般共模抑制比在80db以上。（6）具有低噪声和低漂移特性。（7）漏电流小。由于信号输入端（心电极）与人体相接触，为了保证人体安全，

26、放大器的漏电流要很小，一般在10ua以下。因而，放大器的必须采取隔离设计，包括电源隔离，输入级与主机的隔离。本设计的主要技术指标：1）漏电流i<10ua；2）放大器频率范围f=0.1200hz；3）增益a=5000倍(三档：1000倍,2000倍,5000倍)可调。根据以上各种性能指标，综合考虑，即可得出总体设计思路。2.2 选择隔离方式设计心电信号浮地放大器，关键的一步是选择隔离方式。实现心电信号浮地放大器的方式主要有两种：电磁耦合方式和光电耦合方式13-14。根据设计的原则来选择：性能更优，紧跟领域发展。心电信号浮地放大器要求低频性能好，共模抑制比高，抗干扰能力强，漏电流小20。与电

27、磁耦合方式相比较，光电耦合方式具有以下突出特点17-18：（1）低频特性好。可以从零频开始，这是电磁耦合无法做到的。（2）电路简单。电磁耦合心电放大器，要采用复杂的调制和解调电路，并借助高频信号进行耦合，导致结构复杂，调试困难。（3）共模抑制比高，抗干扰能力强。光耦合的绝缘性高，交流阻抗高，耦合电容小，加上采用浮地绝缘措施，因而具有高共模抑制比，而且不存在电磁耦合变压器受潮、匝间短路等问题，又不容易受感应噪声影响。（4）漏电流小，安全性好。为了安全，通过心脏的电流不能超过10微安，即当有高的电压加于输入、输出端时，不允许电流在电源与输入端以及电源与输出端之间流通（三点隔离），而光耦合心电放大器

28、能严格三点隔离，对人体更安全。（5）成本低。与电磁耦合心电放大器相比，光耦合心电放大器电路简单，体积小，更具成本优势。基于光电耦合方式的上述优点，现代各种主流心电仪器中的心电信号放大器都采用光耦合的隔离方式。因而，本设计中采用光电耦合方式来设计心电信号浮地放大器。2.3 确定功能模块根据2.1中提出的心电放大器的整体性能要求，基于光电耦合方式，确定心电放大器的各个功能模块如下。2.3.1 前置级前置放大器是电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量，从而影响到仪器的性能。需要综合考虑共模抑制比、输入阻抗、噪声与漂移等方面的性能优化组合19,21。前置级的放大倍数设为a1=50。2.3.2 滤

29、波器滤波器的功能主要是用来决定放大器的通频带，滤波器的性能也是放大器的主要性能指标之一。由于系统的通频带是0.1200hz，因而可以采用带通滤波器，也可以采用高通滤波器和低通滤波器相结合7。考虑到电路的整体性能优化和结构简单化需要，本设计采用高通滤波器和低通滤波器相结合。2.3.3 50hz陷波器50hz陷波器是一种带阻滤波器，用以对某一频段的信号进行滤除，用它能有效选择而对电源工频产生的50hz的噪声进行滤除。工频干扰是心电信号采集处理中最大的干扰源之一，因而50hz陷波器的性能是心电信号放大器的主要性能指标之一22。本设计采用经典的双t带阻滤波电路。2.3.4 隔离级本部分电路实现电路前后

30、级电的隔离，保正受测者的安全。隔离电路采用光隔离方式，其线性度直接直接决定了信号传输的保真性23-25。因而，设计隔离电路需要选择特性对称度高的光耦，有利于提高光耦合电路的线性度26-27。2.3.5 后级放大器后级放大器的功能是作为主放大器，一方面实现设计指标要求的总增益，另一方面实现增益三档可调。2.3.6 隔离电源为隔离级之前电路供电，实现输入级与市电隔离，保障受测试者的安全。2.4 系统框图系统的整体设计思路如图2.1所示。根据设计需要安排各个功能模块的顺序，得到放大器的系统框图，如图2.2所示。各个功能模块的放置，应以把噪声和干扰消除在前级，避免把噪声和干扰放大带到后级为原则。把高通

31、滤波器放在前置放大器之后，用以滤去人体其他低频生理电信号；陷波器放在高通滤波器之后，削弱工频干扰。设定前置级、高通滤波电路与后级放大电路具有信号放大能力。前置级增益a1=50，高通滤波电路增益a2=2，由于系统总增益a为1000，2000与5000三档可调，因而后级放大电路的增益为a3在系统不同增益档下，分别为10，20，50。 图2.1 整体设计思路框图 图 2.2 心电信号浮地放大器框图重庆大学本科学生毕业设计（论文） 单元电路设计3 单元电路设计3.1 前置级根据心电信号的特点，前置级应该满足下述要求：（1）高输入阻抗。被提取的心电信号是不稳定的高内阻的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响

32、，必须提高放大器输入阻抗。一般情况下，信号源的内阻为100k，则放大器的输入阻抗应大于1m。（2）高共模抑制比（cmrr）。人体所携带的工频干扰以及所测量的信号以外的生理信号的干扰，一般为共模干扰，前置级须采用cmrr高的差动放大形式，以减少共模干扰的传递。（3）低噪声、低漂移。主要作用是对源信号的影响小，拾取信号的能力强，能够防止输出饱和、使输出稳定。设计前置级有两种方式，一是采用经典的通用仪用放大器的三运放差分放大电路；二是采用集成化仪用放大器28。一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而在传统的电路设计中常把集成化仪器放大器作为前置放大器。绝大多数的集成化仪器放大器

33、，它们的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。集成化仪器放大器作为心电前置放大器时，由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。为了电路设计的简单快捷，采用集成化仪用放大器作为前置级。适合作为心电放大器前置级的集成化仪用放大器比较多，比较经典的有ina114，ina128与ad620等。ina114与ina128比ad620性能更优一些，但价格更高一些，也不方便购置。因而采用ad620作为前置级。ad620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为11000的低功耗、高精度仪表放大器，应用方便。尽管ad620由传

34、统的三运放放大器发展规律而成,但一些主要性能却优于三运放构成的仪表放大器设计,电源范围宽(±2.3v-±18v),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅为1.3ma)因而使用于低电压、低功耗的应用场合。图3.1与图3.2分别是ad620的引脚图和结构简图。ad620的工作原理：ad620是在传统的三运放组合方式改进的基础上研制的单片仪用放大器。输入三极管q1和q2提供了唯一双极差分输入，因内部的超处理，它的输入偏移电流比一般情况低10倍。通过q1-a1-r1环路和q2-a2-r2环路的反馈，保持了q1，q2集成极电流为常量，所以输入电压相当于加在外接电阻rg的两端，从输入到

35、a1/a2输出的差分放大倍数为g=（r1+r2）/rg+1。由a3组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与ref管脚电位有关的单路输出。由输入三极管集成电极电流和基极电阻确定的输入电压噪声减小到9nv 。内部增益电阻r1和r2被精确确定24.7k,使得运放增益精确地由rg确定    g=49.4 k/rg+1    或     rg=49.4 k/(g-1)图3.1  ad620芯片引脚图图3.2 ad620结构简图综上，设计前置级具体电路图如图3.3所示。前置级

36、的增益a1=50。由得 ，实际取r1=1 k。图3.3 前置级电路3.2 高通滤波器高通滤波器的电路原理图如图3.4所示。系统的通频带为0.1hz-200hz，因而高通滤波器的低端截止频率为fl =0.1hz。设定该级的增益为a2=2。由=0.1hz，取c1=47uf，则，实际取r2=33 k。取r3=r2=33 k，则r4=a2r3=66 k。图3.4 高通滤波器3.3 50hz陷波器所设计的50hz陷波器详细电路图如图3.5所示，可以看做由前后两部分组成。第一部分经典的双t二阶带阻滤波器。r5,rw1和c4与c2,c3和r6分别决定带阻滤波器的滤波截止频率。理论上，取r=r5=rw1，r6

37、=r/2，c=c2=c3，c4=2c，电路为对称滤波电路，高端截止频率等于低端截止频率，此时截止频率即陷波频率（中心陷波频率）。后一部分为运算放大器，为信号提供有源反馈，通过调节电位器rw2，可调节反馈系数，进而调节陷波器的品质因数，改善信号质量22。取c4=0.22uf，则c2=c3=c4/2=0.11 uf（实际取0.1uf），理论中心陷波频率为=50hz，则=14.48 k实际取r6=15 k，则r5=2r6=30 k，rw1可调至与r5相等。则实际中心陷波频率为48.25hz所以实际中心陷波频率偏离50 hz，可适当运用电阻误差，调节电位器rw1，调整陷波带宽，加强陷波效果。其品质因数

38、与反馈系数有一定比例关系，理想50hz陷波器的陷波角频率为0=2f0=则陷波器的品质因数为q=但并不是品质因数越大越好，品质因数q越大，其反馈系数也越大，电路将出现不稳定甚至自激振荡。调节rw2，即可以调节。图3.5 50hz陷波器3.4 隔离电路隔离电路采用光电耦合方式，需要使用光电耦合器。光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电光和光电的转换器件。光电耦合器分为很多种类，有三极管接收型、二极管输入型与可控硅接收型等。由于本次设计中使用的光电耦合器tlp521-2是三极管接收型光电耦合器，在此仅简略介绍三极管接收型光电耦

39、合器的原理。图3.6所示为常用的三极管接收型光电耦合器原理图。 当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管有电流通过而发光，光敏三极管受到光照后产生电流，ce导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，ce不通。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。图3.6三极管接收型光电耦合器原理图光电耦合器广泛应用于信号传输领域，其在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信噪比大为提高28：     （1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电

40、耦合器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。     （2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。     （3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。     （4）光电

41、耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10s左右，适于对回应速度要求很高的场合。本课题中采用光电耦合器件tlp521-2（其管脚图见图3.7）来实现隔离电路。tlp521-2是一款性能优良的光电耦合器件，但单独使用它作为隔离级，但由于光耦器件的线性工作范围小及电流转移系数和集电极的反向饱和电流的温度特性差,所以直接构成放大电路的稳定性不好，不具实用价值26-27。因而隔离电路的设计要运用对称补偿原理，对光电耦合器件进行线性补偿27，对称补偿原理图如图3.8所示。图3.7 tlp521-2管脚图选两个性能完全或相近的光电耦合器(ph1,ph2)工作在线性放大状态。ph2用于隔离传输信号；ph1

42、用于产生反馈比较信号。由于两光电耦合器的发光二极管是串接在一起的,所以ph1和ph2的工作状态完全对称,从而实现了信号的隔离和传输,运放和ph1构成了闭环反馈控制回路。该电路能自动调整不同电流转换效率时发光二极管的工作电流,保证光电耦合器可靠地工作在线性放大状态,从而提高了电路的线性度。光电耦合器的工作频率,受光电晶体管的基极和集电极之间的电容的影响。电路的频带随着光电耦合器的不同也有很大差别。图3.8 对称补偿原理所设计的具有线性补偿的光电耦合隔离电路如图3.9所示。c5的作用是消除电路的自激震荡，取值50pf。电位器rw3与r9是光电耦合器三极管的上拉电阻，其阻值精确匹配，以达到电路对称。

43、电位器rw4的作用是使得rw4与r15的串联阻值和r8的阻值匹配，调节电路的电压传传递系数。r11与r13作为限流电阻，防止电流过大烧坏芯片。r12的作用有两点：一是作为限流电阻，决定二极管端的工作电压与工作电流；二是与c6组成低通网络，起低通滤波器的作用，决定系统的高端频率。系统的高端截止频率是=200hz考虑光电耦合器的二极管的工作电压与工作电流，取r12=3.6 k，则=0.22uf图3.9 隔离电路3.5 后级放大电路后级放大电路需要实现两个功能：一是作为主放大器，实现心电放大器的总增益；二是实现增益三档可调。采用拨动式三线开关来实现换挡。在电路工作时实施换挡，电路工作状态的瞬间变换会

44、带来短时扰动。因而后级放大电路分两级来实现:把换挡功能放大第一级，主放大放在最后一级，防止扰动在最后一级输出。系统的前两级增益为a1=50和a2=2，即后级放大之前的系统增益为100，而系统的总增益分别为1000、2000与5000，则后级的增益分别为10、20与50。设置后级放大电路的第二级的增益为a4=5，则第一级（换挡）的增益分别为a31=2、a32=4与a33=10。具体电路如图3.10所示。由a31=ar17/r16=2，a32=r18/r16=4，a33=r19/r16=10,a4=r21/r20=5，取r16=10 k，r20=10 k，则r17=2r16=20 k，r18=4r

45、16=40 k，r19=10r16= 100k， r21=5r20= 50k。图3.10 后级放大电路3.6 浮地电源从图2.1可知，完整的浮地电源包括两级：第一级是交流-直流（ac-dc）转换，把市电变换成直流稳压电源；第二级是直流-直流（dc-dc）转换，把稳压直流电源转换成浮地直流电源。各级转换原理如图3.11所示。图3.11 电源转换原理图从成本和设计便利考虑，ac-dc转换级，直接采用实验室直流稳压电源，而dc-dc转换级则采用集成的dc-dc隔离转换器dcp010512dbp来实现。直流-直流变换电路如图3.12所示。dcp010512dbp是ti公司的一种小封装的1w可控dc/d

46、c隔离转换器，隔离电压可达1000v，具有转换效率高（可达85）、热保护、短路保护等特点。可运用于电源转换、地线环路消除（隔离）、数据获得、工业控制和测试设备上。其管脚如图3.11所示。1管脚接5v直流稳压电源，2管脚接直流稳压电源地，5管脚接浮地电路的信号地，6、7管脚分别为+12v、-12v浮地电源输出，仅用来实现浮地电源的情况下，8和14管脚悬空。本课题中，直流-直流变换电路如图3.12所示。图3.11 dcp010512dbp管脚图图3.12 直流-直流变换电路重庆大学本科学生毕业设计（论文） 系统测试4 系统测试4.1 前置放大电路4.1.1 差模增益测量方法：在正输入端接入vi=1

47、0mv的100hz正弦信号，负输入端接地，测量前置级的输出端对地电压vo，则差模增益ad=vo/vi。在设计中使用软件proteus进行仿真。前置级的仿真结果如图4.1所示。图中虚拟示波器的a通道的信号为输出vo，c通道的信号为输入vi，读得vo=0.503v，ad =vo/vi =50.3，非常趋近于前置级的理论增益a1。在实际测试中，ad只有49左右。图4.1 前置放大电路差模增益仿真4.1.2 共模抑制比测量方法：两输入端输入幅值为vi=100mv的50hz正弦共模信号，测量输出端对地电压vo。共模增益仿真结果如图4.2所示，虚拟示波器的a通道显示输入信号vi，c通道显示输出信号vo，测

48、得vo = 18.7mv，则共模增益ac =vo/vi=0.187，而共模抑制比cmrr=20log(ad/ac)= 20log(50.3/0.187)=48.6db。实际检测得到的共模抑制比是41.3db。图4.2 前置级共模增益仿真 4.2 滤波电路由于软件的局限性，低频信号的的软件仿真观察不便，且在运行过程中无法调节频率，因而不对滤波电路的频带进行软件仿真，只验证200hz时信号的衰减情况。如图4.3所示。通道a显示的是幅值为100mv的200hz正弦信号输入信号，通道c则是显示滤波后的输出信号。在实际检测中，系统的通频带是0.12hz-199.5hz。在低端，信号在0.16hz时开始衰

49、减；在高端时，信号在193.7hz时开始衰减。图4.3 高端截止频率仿真4.3 双t50hz陷波电路4.3.1 陷波中心频率软件仿真无法进行信号频率调节，故不进行软件仿真。在实际检测中，先调节rw1，使得电路对称；不断调节信号发生器信号的频率，寻找输出信号幅度最低的频率；根据输出信号的质量，适当调整rw2。测得中心陷波频率为47.8hz，此时输入信号为1v，输出信号为75.58mv。4.3.2 50hz处的陷波深度 软件仿真如图4.4所示，a通道显示的是幅值为1v的50hz正弦输入信号，c通道显示的是输出信号，为70.24mv。则陷波深度为：20log(1/0.07024)=23.1db。实际

50、检测中，输入1v的50hz正弦信号，输出信号是82.3mv，陷波深度为：20log(1/0.08235)=21.7db。图4.4 50hz时的陷波深度仿真4.3.3 陷波带宽在实际检测中，在中心陷波频率两侧调节信号发生器的信号频率，寻找输出信号幅度为原来0.707倍时的频率。测得陷波带宽为±0.9hz。4.4 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路，主要测试其线性度和电路传递系数（输入幅值与输出幅值之比）。由于心电信号的幅值在10uv-5mv，能量主要集中在17hz，而且光电隔离电路之前的增益是a1*a2=100，因而进行仿真时，测试在幅值从1mv到0.5v之间的一系列17hz正弦输入信号

51、下的电路输出情况，对比输入信号与输出信号的幅度和相角；而在实际检测中，输入0.1hz-200hz频段幅度在1mv-5v的正弦信号进行检测。软件仿真显示电路的线性度良好，电路传递系数略大于1。实际检测中，线性度不太好，在大2v的信号输入时非线性很明显，且各次测试结果有一定的差距，传递系数为略小于1。4.5 后级放大电路后级放大电路比较简单，测试容易。经过软件仿真和实际测试，测试结果与趋于理论值一致。4.6 系统调试单元电路进行测试比较方便，也容易调试。当连成整机电路时，很难调试到良好的系统状态，整机调试有比较大的问题，输出信号有比较大的噪声，有时还有毛刺存在。以下实际测试数据取自系统处于比较良好

52、的状态。 4.6.1 输入阻抗将输出接地，将两输入端短接后串联上一个1 m的电阻，给串联后的电路加上5v的直流稳压电源，用万用表测得1 m电阻两端的电压为0.53v。由分压原理计算输入阻抗：，则z=8.4 m。4.6.2 输入噪声接好电路，将两输入端短接，测量其输出信号幅度的大小。根据增益档位反算到输入端，即可计算出输入噪声。在最大的增益5000档，在多次测试中，系统最大的噪声输入为53.2uv，最低的噪声是24.7uv。输入噪声比较大。4.6.3 系统放大倍数输入幅度为1mv的50hz正弦信号，在增益1000档下，测得输出1v左右；在增益2000档下，测得输出是2v左右；在增益5000档下，

53、测得输出是5v左右。系统的增益基本满足设计要求，但由于使用示波器肉眼观测，加上波形不太好，这个观测结果的精确性不足。4.6.4 共模抑制比在增益1000倍档下，输入幅度为1mv的50hz正弦差模信号，测得输出为1v；输入幅度为1v的50hz正弦共模信号，测得输出为0.35v。则差模增益为ad=1000/1=1000，共模增益为ac=0.35/1=0.35，共模抑制比为=69.1由于波形不太好，读数不准确，这个结果误差比较大，与系统的实际状况不太相符。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 分析与总结5 分析与总结5.1 课题设计分析单元电路调试里最调试最麻烦的是50hz陷波器和光电耦合隔离电路，其他

54、单元电路比较简单，调试和安装不容易出问题。这两部分电路接线多，由于实验装置的元件布局和布线考虑不够周到，导致检查和纠错麻烦；带有电位器，阻值精确匹配难，且阻值定位以后，在调试过程中很容易无意改变了阻值，影响电路的整体性能。在进行系统设计和安装调试之前，采用软件进行仿真。一方面是为了保证设计在理论上的可行性，另一方面则是为了和实际测试做对比，发现安装调试过程中的问题。由于没有生理记录仪，进行测试时使用示波器进行观测，读数比较粗略，人眼观测也有误差，因而测试结果有一定的误差。从电路测试的结果来看，单元电路测试没有太大问题，各个模块基本能实现设计的功能，但系统整体调试做得不够好，没有调到与理论相一致的状态。系统实现了通频带为0.1hz-200hz，三档增益可调等基本指标，存在共模抑制比不够大，输入噪声比较大，50hz陷波器的中心陷波频率偏离50hz比较大等问题。这些问题的存在，究其可能原因，一是由于知识能力所限，电路原理设计上存在不足；二是元件参数选择不准确；三是安装调试过程中存在未被发现的错误。5.2 课题设计总结5