心电图仪设计与制作课设

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 通信工程 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 心电图仪设计与制作初始条件：模拟电子技术基础知识、会使用Multisim进行仿真分析.要求完成的主要任务: 制作一路心电信号放大器，技术指标如下：a电压放大倍数：1000，误差： ±5；b3dB低频截止频率：0.05Hz（可不测试，由电路设计予以保证）；c3dB高频截止频率：30Hz，误差：±5Hz；d频带内响应波动：在±3dB之内；e共模抑制比：³ 60dB（含1.5m长的屏蔽导联线，共模输入电压范围：±7.5V）；f差模输入电阻：³ 5

2、M（可不测试，由电路设计予以保证）；时间安排：序号安排内容内容所需时间（天）1电路方案设计12电路仿真与分析23撰写设计报告14答辩1合计5指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘 要3引 言41 设计方案比较51.1 光电效应手指脉搏传感器51.2 压电陶瓷式脉搏传感器61.3 铜片式脉搏传感器62 单元电路设计82.1 前置放大部分82.2 带通滤波电路112.3 后级放大电路123 仿真结果及分析133.1 前置放大电路部分仿真133.2 带通滤波部分仿真133.3 放大部分仿真143.4 整体电路仿真154 总结175 元件清单186 参考文献19摘 要

3、本文主要介绍了如何应用放大电路，抑制共模信号电路，低通滤波电路及后级放大电路设计简易心电图仪.本文还介绍了心电信号的特点及其对放大电路的要求.对于具体的单元电路设计也做了简要介绍.AbstactThis paper mainly introduces how to apply the amplifier circuit and suppress common mode signal circuit,low-pass filter circuit and after-class amplifier design simple Electrocardiograph.This article als

4、o describes the characteristics of ECG and its impact on amplifier requirements.With regard to the specific circuit design unit also made a brief introduction.引 言心电图是临床疾病诊断中常用的辅助手段.心电数据采集系统是心电图检查仪的关键部件. 如下图所示,心电信号主要由P波、QRS波群、T波组成.正常P波的宽度不超过0.11s，最高幅度不超过2.5mm.正常人的QRS波群最高不超过0.10s。而T波不应低于R波1/10.其主要频率范围

5、为0.0530HZ,幅度约为05mV,信号十分微弱.心电信号图 由于心电信号中通常混杂有其它生物电信号,加之体外以50Hz工频干扰为主的电磁场的干扰,使得心电噪声背景较强,测量条件比较复杂.为了不失真地检出有临床价值的干净心电信号,往往要求心电数据采集系统具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能.本文利用OP07芯片设计了一种符合上述要求的多路心电数据采集系统.1 设计方案比较1.1 光电效应手指脉搏传感器图1-1利用指套式光电传感器，指套式光电传感器的换能元件用硅光电池.由于心脏的跳动,引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化，当光通过手指尖射到硅光电池时,产

6、生光电效应,这样就把人体的脉搏转换为相应于脉博的电信号, 方便检测.一级放大电路部分:采用运放LM324作为放大芯片,把指尖取出的极微弱的0.1uA3 uA的电流放大约20倍.昂二阶低通滤波部分: 按人体脉搏在最高跳动次数240 次/min 计算，据归一化法设计低通放大器，-3dB截止频率为14HZ.电源部分采用电池供电.其优点是,电路结构简单,易于制作.但缺点是,光电效应手指脉搏传感器价格贵,且入射光强太强时,会使输出饱和.此外,由于缺少陷波部分的设计,50HZ的工频信号会给电路带来极大干扰,使输出信号失真.1.2 压电陶瓷式脉搏传感器图1-2选用压电陶瓷片HTD作为传感器，把人体的脉搏震动

7、转换成为电信号输入到放大整形电路的输入端口. 其优点是制作方便,但价格相对较贵.数据采集部分,用OP07这种具有一定精度的普通运算放大器来构建放大电路.滤波部分选用数字滤波.数字滤波的优点是参数可调节性好，可以通过更改程序中的参数对截止频率进行精确的调节.由于参数不会随温度等环境因素改变从而精确度得到保证，但是数字滤波对处理器的要求比较高，想要得到更好的滤波效果就要求滤波器取更高的阶数，处理器时钟周期尽可能小，乘法的计算速度尽可能大，一般非DSP处理器达不到要求.电源部分采用7805和7905输出正负五伏直流电压为运算放大器供电.1.3 铜片式脉搏传感器图1-3铜片式脉搏传感器的原理与压电陶瓷

8、类似,由于铜片的形变产生相应的电信号. 其优点是价格低廉,但缺点是极易受到干扰.前置放大电路选用仪用放大器OP07作为前置放大器. 由于人体心电信号十分微弱,噪声背景强且信号源阻抗较大,加之电极引入的极化电压差值较大(比心电差值幅度大几百倍),因此,通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能, OP07具有高输入阻抗、低噪音、高精度、较高建立时间、低功耗等特性,而理论上其共模抑制比为无穷大,非常适合作为医疗仪器前置放大器使用.滤波部分选用OP07组成的二阶带通滤波器.其滤波效果比一阶滤波明显,又不像高阶滤波会因为电阻电容累积误差过大影

9、响滤波效果.后级放大部分用OP07做放大，电源部分采用正负12V直流电压为运算放大器供电.因此,综合各种原因考虑,决定使用铜片式脉搏传感器.2 单元电路设计2.1 前置放大部分因为接受的信号非常微弱，对于后级的信号处理和测量较难实现，所以在进行信号处理之前必须先对信号进行前置放大.对前置放大电路的要求是超低的噪声，捕获信号的能力较强（因为信号是非常微弱的），所以这就需要前放电路有很大的输入电阻.那么根据这一要求，查资料比较之后，我选择了OP07这一芯片，该芯片的特点是双电源供电，内部噪声小.对于前放有两种接法，同相放大和反相放大两种.下面分别讨论.(1)同相放大电路对于同相放大电路，其基本电路

10、示意图如图2-1所示：图2-1 同相输入我们知道，理想的运算放大器有一个特点：输入电阻无穷大.所以根据其示意图可以看出，对于同相电路的接法，其输入电阻即为运放的内阻，可是为无穷大，这样电路捕获信号的能力很强，适合作为前置放大.同时这样做也就保证了输入电阻>5M欧.(2)反相放大电路电路示意图如图2-2所示: 图2-2 反相输入从该电路的特点我们可以看出，该电路的输入阻抗可近似看成R1的阻抗，因为我们需要捕获信号的能力很强，尽管可以增加R1来提高捕获微弱信号的能力，但是要保证输入电阻>5M欧的话，这样大的电阻会带来很大的热噪声，而且这样也要求反馈电阻更大，进一步加大热噪声，这样非常不

11、利于微弱信号的放大.根据以上的比较，前放电路选择了同相放大的电路形式.前置放大电路设计电路如图2-3所示：图2-3 前置放大电路这一级的放大倍数为A=1+R2/R1，选择这一级放大倍数为50，由于芯片已经保证输入电阻无穷大，所以R1可不取很大，取R1=10K，那么R2就取490K.2.2 带通滤波电路如图2-4所示,带通滤波由双运放集成电路OP07构成.OP07具有高精度,低偏置,低功耗等特性,片内集成了两个运放,可灵活组成各类放大和滤波电路.由于心电信号主要集中在0.05HZ到30HZ的频带范围内,因此,采用OP07的两个运放分别设计二阶有源高通和低通滤波器组合成带通滤波.OP07采用正负1

12、2V直流电源供电.滤波部分的放大倍数为1. 图2-4 带通滤波电路其中C3,C4,R1,R4构成二阶高通滤波器,为了不损失心电信号的低频成分,其截止频率设计为f=0.05HZ.那么,w=2f=0.31416rad/s. 选取电容C3=C4=22uF,则参数K=100/(fc)=90.9.查阅二阶高通滤波器设计表并综合压控电压源性能参数计算公式w*w=1/( C3*C4*R1*R4)可得,选取,R1=100K,R4=200K即可.同样,选取C1,C5,R2,R3构成低通滤波器.为了不损失其高频成分,截止频率设计为30HZ. 那么,w=2f=188.496 rad/s. 由计算公式w*w=1/(

13、C1*C5*R2*R3)可得,选取,C1=3.3 uF,C5=1uF,R2=2.6K,R3=4.7K即可满足条件.2.3 后级放大电路后级放大电路如图2-5所示：图2-5 后级放大电路由于前置放大部分选择的放大倍数为50，所以这一级放大倍数选择为20，后级放大使用反相放大电路，其电压增益为A=R2/R1，取R1=10K,则R2取200K即可.3 仿真结果及分析本实验采用Multisim软件进行仿真，仿真过程及分析如下.3.1 前置放大电路部分仿真仿真波形及幅值如图3-1：图3-1输入电压峰值为4mV，而输出电压峰值为399/2=199.5mV，计算得放大倍数为199.5/4=49.9，与设计时

14、所预想的误差非常小.3.2 带通滤波部分仿真带通滤波20HZ时波形如图3-2：图3-2此时输出峰峰值810mV，而输入峰峰值为800mV，没有失真，放大倍数几乎为1，符合设定要求.30HZ时波形如图3-3：图3-3可见30HZ时输出峰峰值将为554mV，符合设计要求的-3dB时高频截止幅值频率30Hz，即800*0.7=560 mV.由于1Hz以下频率太低，函数发生器不稳定，无法正常测试，所以不再测试.3.3 放大部分仿真放大部分仿真波形如图3-4所示：图3-4 放大部分波形输入电压峰值为200mV，输出电压峰值为8/2=4V，所以这一级放大倍数为4/0.2=20，与设计要求完全符合.3.4

15、整体电路仿真将前置放大，带通滤波，后级放大级联，如图3-5：图3-5 整体电路图输入20Hz，峰值4mV(即峰峰值8mV)正弦信号，得到的输出波形及参数如图3-6：图3-6输入峰值为4mV(即峰峰值8mV)，而频率为30Hz正弦波信号时，输出波形及幅值如图3-7：图3-7可以看到，当信号频率为20Hz时，输出信号峰峰值为8.11V，计算放大倍数为8.11*1000/8=1013.75，误差为1.375%，在5%误差范围内.当输入30Hz信号时，输出信号峰峰值为5.55V，-3dB截止频率30Hz时峰峰值应为8*0.7=5.6V，误差为0.89%.至此,整套系统的模拟已经全部完成.4 总结心电系

16、统的前向通路对目前面世的许多医学仪器起着不可漠视的重要角色；这相当于一个基石，没有了它，很多心血管病人不能得到正确的诊断，所以当前对心电的研究是至关重要的.刚要做时，我觉得无法入手，经过长时间的对相关资料的了解，明白自己首要做的事情就是要了解心电信号的特点，因为心电信号输出时的幅度不上5mV，那么选择一个适合的放大器对设计是第一个要点，在课题的一步步设计下去，碰到的问题不少，如放大电路中芯片的选择，在对比心电放大的各种要求才确定一个最方便、最实用的办法.根据心电信号的特点，设计了一个二阶带通滤波器来对信号进行滤波，也使我明白了多阶滤波器的设计.5 元件清单函数发生器 一台示波器 一台电阻 200K 2个1K 10K 20K 490K 100K 2.6K 4.7K 各一个电容 22uF 2个 3.3uF 1uF 各一个OP07AJ 4个12V工作电源 8个6 参考文献 1模拟电子技术基础，吴有宇主编，伍时和、凌玲副主编，清华大学出版社2电子技术基础课程设计，孙梅生等编著，高等教