心电信号采集与监测系统

1、教改班综合设计与实验心电信号采集与监测系统李天野（02099028）张宁祥（02099015）2012年6月目 录1. 实验任务与要求-32. 总体方案论证与框图构筑-33. 心电信号调理器的设计与仿真-43.1 放大器设计-43.1.1 仪用放大器设计-43.1.2 输出放大器设计-73.1.3 放大器总体仿真结果-83.2 50Hz陷波器设计-93.3 心电信号调理器总电路图-114. 心率测量、显示及报警电路的设计-12 4.1 心率测量方案-12 4.2 心率测量及显示电路设计-12 4.3 报警电路设计-155. 总结-166. 参考文献-161. 实验任务与要求1. 设计心电信号调

2、理器：增益：60dB、70dB和80dB三档可调；带宽：0.01Hz 200Hz，可插入50Hz陷波器。2. 设计测量和显示心率的数字电路（用七段数码管显示）。3. 设计心率越限报警电路（报警范围为f150次/分），报警方式：屏幕显示。4. 完成模拟电路和数字电路的仿真和虚拟实验。5. 完成电路元器件的选择。2. 总体方案论证与框图构筑 整个系统由放大器、滤波器、整形电路、心率测量显示电路和报警电路组成。根据设计任务要求，首先采用两级放大器将微弱的心电信号放大，放大器增益有60dB、70dB和80dB三档可调。为消除50Hz工频干扰，在信号放大通道中嵌入50Hz陷波器。放大、滤波后的信号经整形

3、电路处理后，送至测频电路测出心率。显示电路显示心率值，并由报警电路作出报警。整个采集监测系统框图如图1所示。图1 心电信号采集与监测系统3. 心电信号调理器的设计与仿真一、放大器设计本题要求心电信号放大增益为60dB、70dB和80dB，即分别1000倍、3162倍和10000倍。因为仪用放大器有输入电阻大，共模抑制比高，增益调节方便等许多优点，故采用仪用放大器作为输出级。要实现60dB、70dB和80dB的增益单靠一级仪用放大器是不够的，需要多级放大。故将放大器增益做如下分配：第一级采用仪用放大器，增益为100倍、316倍和1000倍；第二级输出放大器为10倍的同相比例放大器。总增益为100

4、0倍、3162倍和10000倍。1.仪用放大器设计本题中我们采用美国ANALOG DEVICES公司生产的单片集成仪用放大器AD620。其特点是低功耗；低电流噪声；电源范围广（2.318V）；由一个外接电阻调节增益，增益调节范围为110000；共模抑制比KCMR93dB，输入电阻和输入电容为10G、 2pF，十分适合于做心电信号的放大器。该电路的增益计算公式为因要求放大倍数分别为100倍、316倍和1000倍，由上式算得：分别为500、155和50。仪用放大器线路如图2所示。（注：图中开关A、B和C中，只允许闭合一个）。图2 仪用放大器线路图60dB、70dB和80dB三档的仪用放大器仿真结果

5、如下图所示。图3 仪用放大器仿真结果（60dB档）图4 仪用放大器仿真结果（70dB档）图5 仪用放大器仿真结果（80dB档）2. 输出放大器设计输出放大器采用同相比例放大器，增益为10倍。其线路如图6所示。 图6 输出放大器线路图图中，变动变阻器R6可改变输出放大器阻值，可做整体放大倍数微调。输出放大器仿真结果如下图所示。图7 输出放大器仿真结果3.放大器总体仿真结果放大器总体仿真结果如下图所示。图8 放大器总体仿真结果（60dB档）图9 放大器总体仿真结果（70dB档）图10 放大器总体仿真结果（80dB档）二、50Hz陷波器设计心电信号测量过程中，比较容易受50Hz工频干扰，如图11所示

6、。所以在信号通道中，需要插入50Hz陷波器，以抑制干扰的影响。图11 受50Hz工频干扰的心电信号陷波器即带阻滤波器，一般有两种形式，一种是由双T网络和运放组成，另一种是由带通滤波器和相加器组成，我们选择了第二种。电路图如下。图12 50Hz陷波器线路图其仿真结果为：图13 50Hz陷波器仿真结果1图14 50Hz陷波器仿真结果2仿真结果表明此陷波器电路确实可以完成去除50Hz工频干扰的任务，但是实际上从增益上来看，使用一级陷波器的滤波效果并不明显。为解决这一问题，可以进行多级陷波器的级联，对50Hz的工频干扰反复滤除，使得滤波效果更加明显。三、心电信号调理器总电路图图15 心电信号调理器总电

7、路图对总电路仿真得电路对心电信号实现了60dB、70dB和80dB的放大，且满足带宽：0.01HZ 200HZ，并实现了对 50HZ信号的陷波，总体上达到要求。另说明，按照标准导联的规定，将电极分别接在人体的左右臂手腕和左脚腕，其中左右臂电极信号经电缆分别送至仪用放大器输入端，左脚电极电缆直接接地。C1=C2=0.22mF要求严格匹配,不仅要求相同,还要求准确。4. 心率测量、显示及报警电路的设计一、心率测量方案采用测频率法，用一个闸门信号去启动一个计数器对被测信号计数，当闸门信号结束时，同时关闭计数器，最后经译码送至数码管显示，用测频率法测心率的原理框图如图16示。图16 测频率法原理框图二

8、、心率测量及显示电路设计1. 整形电路心电信号经调理器处理后仍是模拟信号，需经整形电路将之变换为矩形脉冲，以便用数字器件完成测量心率、显示和报警等工作。本题采用LM555CM计时器完成整形。线路如下图所示。图17 整形电路图图中，改变变阻器R1的阻值，可调整触发敏感程度。以下是仿真结果。图18 整形电路仿真结果2. 心率测量、显示电路 心率测量、显示电路如图19所示。图19 心率测量和显示电路 图19中，等效心电信号为1Hz（60次/分）的脉冲。为方便仿真，将整个系统进程加快为原来的100倍，故时钟V1频率为100Hz。时钟V2为由V1做四倍频而得的信号，此处，以400Hz代替。三、报警电路设

9、计心率报警电路如图20所示。图20 报警电路图中，输入心率分别经比较器（由74LS85实现）与150次/分钟和40次/分钟比较。若心率高于150次/分，则灯X1亮、蜂鸣器U5发声；若心率低于40次/分，则灯X2亮、蜂鸣器U6发声。此处，输入心率为160次/分，灯X1亮、蜂鸣器U5发声。5. 总结在本次电路设计的实验中，我们通过查阅资料，应用软件进行仿真，基本完成了题设要求，实现了心电信号采集、心率测量与报警，但是仍有许多缺点需要改进，如下：1. 由于未能采集真正的心跳信号，尚不知整体电路是否能运行，本次设计只完成了部分电路的整合，理论上可行；2. 由于multisim软件对于锁相环支持不够，数电部分的倍频电路并未做出；3. 仪用放大器在80dB档时失真较为明显，故应考虑放大器三级或更多级级联解决该问题；4. 仿真结果表明此陷波器电路确实可以完成去除50Hz工频干扰的任务，但是实际上从增益上来看，使用一级陷波器的滤波效果并不明显。为解决这一问题，可以进行多级陷波器的级联，对50Hz的工频干扰反复滤除，使得滤波效果更加明显。6.