河南科技大学

1、生物医学电子学课程设计生医 031李佩链20030618生物医学信号前置放大及滤波电路设计一、方案选择及电路设计：1总体电路图此电路由前置放大电路和滤波电路构成，框架图如1-1 。前置放大滤波显示1- 1 总框架图图 1-2 心电信号前置放大及滤波电路图2 前置放大电路 ：1）前置放大电路的要求：由于生物电信号源产生的信号幅度小，频率低，而且生物电信号源内阻高，存在较强的背景噪声和干扰， 而生物电放大器是为了测量生物电位而专门设计的放大器，其最主要的作用就是把微弱的生物电位信号的幅度放大， 以便进一步处理、记录或显示。因此要求生物电放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪声、低温漂、合

2、适的频带宽度和动态范围等特性。 而放大器的输入阻抗、噪声、漂移及共模抑制比等特性的好坏主要由前置放大器所决定。 为了克服测量生物电时伴随的较强的 模干扰，在生物电放大器的前置级通常采用差动放大以1生物医学电子学课程设计生医 031李佩链20030618提高共模抑制比。放大级通常包括初级差分放大和运放构成的主放大级 , 在本次实验中，初级差分放大采用的是三运放前置放大电路，主放大极由一个集成运放和电阻构成2）前置放大电路的构成：本次设计使用三运放前置放大器, 它具有以下优点 :输入阻抗高 , 由运放输入阻抗决定 ;可适当减少 R4和 R1,从而使 CMRR增大 , 而不影响输入阻抗与增益 ;R2

3、 和 R3失配仅影响 CMRR和 Ac;如图 1.3 所示：图 1.3 前置放大电路电路图它的第一级是有两个运放 A1 和 A2 组成，信号由两个同相输入差分放大器，因而有很高的的输入阻抗，可达 1M 以上；第二级是由 A3 构成的基本差分放大器。由于理想运放输入阻抗近似为零， A1 和 A2 输入端的两个电阻 R2 与电位器 R1 相并联，所以可以得到：Ad(12R2) R5 =30R3R42生物医学电子学课程设计生医 031李佩链200306183）电路分析参数设置：R4=500 ,R2=2K ,R1=4K ,R3=2k ， R5=5K 高输入阻抗：由于人体的心电信号是不稳定的高内阻源的微

4、弱信号， 为了减小信号源内阻的影响，必须提高放大器的输入阻抗，输入阻抗是指开环运行时， 从两个输入端看进去的动态阻抗， 它等于两个输入端之间的电压的变化和引起的输入电流的变化的比值。输入阻抗越大越好。由于第一级，第二级采用的时两个运放接成同相并联型运算放大器后接一差动运放。由于是同相输入，所以阻抗大大增加，并决定了运放电路的输入阻抗，一般 10M1M ，高输入阻抗同时也是放大器高共模抑制比的必要条件。3 滤波电路 :（1）滤波器分析 ：滤波器是根据信号 , 干扰和噪声的频率成分进行分离和频率选择 , 使有用信号顺利通过 , 而将干扰信号排除 , 将噪声抑制掉的一种电子电路 , 滤波电路一般由电

5、容和电感组成。滤波器一般分为有源滤波和无源滤波两种， 无源滤波它具有结构简单， 不需要电源，内部噪声低；性能稳定，动态范围大；高频时响应良好，优势突出等特点，但是无源滤波电路在频率较低时， L,C 参值很大，导致体积很大，损耗大。而有源滤波，它具有以下优点：无电感，体积小，重量轻，电磁干扰小；运放可加电压串联负反馈， 所以输入阻抗高， 输出阻抗低， 输入输出之间有良好间隔，高阶很容易实现；滤波的同时可以放大。生物电信号是低频微弱信号 ,所以采用有源滤波器 ,滤波器的阶数越高 ,滤波器滤出的效果越好 ,此次设计中采用的是二阶滤波器 .这次设计中采用的是二阶低通滤波器。二阶低通滤波器的参数设定要根

6、据心电的频率范围和二阶低通滤波器的性质进行设定，二阶低通滤波器的传递函数：AfH (S)R1R2C1C 2S 111Af 1S2R1C1R2C1R2C2R1R2C1C23生物医学电子学课程设计生医 031李佩链20030618滤波器电路图如下：图 1-4 滤波器电路图2）滤波器幅频特性分析：测得该滤波器的幅频特性曲线如下：4生物医学电子学课程设计生医 031李佩链20030618二、实验结果及分析1、实验波形图 1实验波形图2、结果分析：共模增益 A c =Vo= 2*10-5=10-22*10 -32*10-3差模增益 A d=Vo=2-3 1000 ,10-31022则共模抑制比CM R

7、R|=100DB80DB,满足要求。=20lg| AdAc3、高输入阻抗将模拟的万用表接入输入端,并置位至欧坶档 ,可以测出输入电阻为2M1M 。5生物医学电子学课程设计生医 031李佩链200306184、等效输入噪声将放大器两输入端接地 ,可测出输出电压波形A 为：三思考题1. 设计的放大器其共模抑制比主要受哪些元件的影响 ?应如何选择这些元件才能保证电路具有较高的共模抑制比 ?答：放大器的共模抑制比主要受电阻 R2,R3,R4,R5 的影响。让差模增益尽可能大，就可使电路具有较高的共模抑制比。如何提高其抗干扰 , 尤其是抗共频干扰 (50Hz) 的能力 ? 答：可加入 50Hz 的陷波器

8、。3.临床使用的心电图机中，前置放大电路一般包括缓冲放大器，前置放大器，光电耦合器等。思考如何在现有电路的基础上增加功能，如光电耦合，导联缓冲，右腿驱动和屏蔽驱动等 ?答： 脚驱动技术：取出心电放大器的共模信号，经驱动器反相放大后，加在人的右脚（经一限流电阻） ，构成以人体为相加点的电压并联负反馈，增大了共模抑制比。光电耦合：若信号源部分与输出回路采用独立电源分别接不同的地， 即使是远距离信号传输，也可避免受到各种干扰。四实验中存在的问题：本次实验中仍存在问题，最主要的是未能加入50HZ 的陷波器，干扰信号不能被完全滤掉，导致测试结果仍然有失真，其次是电路中的某些参数设置不够恰当，不能准确得出

9、测量结果。五设计感想：这次课程设计，使我对生 物 医学电 子学这门课程有了 更加深刻的认6生物医学电子学课程设计生医 031李佩链20030618识，同时也温习了 EWB 环境的操作。老师布置下作业以后，通过去图书馆、上网查资料，请教其他同学终于将课程设计初步完成。在课程设计的过程中，由于一时的粗心马虎，出现了一些错误，有时连线有错误，有时元件的参数设置不适当，使得电路的实验结果不准确，在老师和同学们的指导和帮助下，终于完成了课程设计。所以，不管做什么事，都不能马虎大意，要认真，专心，一丝不苟的去做，因为我相信，只要有付出，就会有收获。这次课程设计，我收益非浅，同时也发现了自己知识水平的不足，对所学过的知识未能熟练掌握，更不能熟练的运用。这次的课程设计不仅锻炼了实际动手操作能力，对心电信号有了一些认识， 对前置放大电路和滤波器更深的了解，通过多次的操作，演练，对示波器的运行也逐渐熟练。通过这次的课程设计，我又一次认识到理论联系实践的重要，理论要在实践中得到证实，只有在实践中，我们才能更加深刻的领会和掌握理论知识。参考文献1 余学飞主编医学电子仪器原理与设计，华南理工大学出版社王保