心电前置放大器设计说明书

一、生物医学信号的基本特征 (3)
1、频率特性 (3)
2、幅值特性 (3)
3、信号源阻抗高 (3)
4、强噪声和干扰 (3)
二、对生理参数放大器的要求 (3)
1、增益高 (3)
2、输入阻抗高 (3)
3、噪声极低 (3)
4、共膜抑制比高 (3)
5、基线漂移小 (3)
6、频带适当 (3)
7、隔离阻抗大 (3)
三、滤波器的选择与参数设定 (4)
1、考虑是否采用电子元件 (4)
2、考虑截止频率附近的幅频、相频特性 (4)
3、考虑通带和阻带所处范围（幅频特性） (4)
（1）放弃使用带通滤波器 (4)
（2）采用高、低通滤波器叠加滤波 (5)
（3）增加陷波器。

(7)
四、设计流程图 (7)
五、设计电原理图 (8)
六、设计具体说明 (8)
1、同相并联型差动放大器 (8)
（1）电路构成 (8)
（2）高共模抑制比 (9)
（3）差模电压放大倍数 (9)
（4）作用 (9)
2、反相放大器 (9)
（1）放大倍数 (10)
（2）作用 (10)
3、四阶高通滤波器 (10)
4、四阶低通滤波器 (11)
5、陷波器 (11)
6、整体参数选用情况 (12)
（1）具有较高输入阻抗 (12)
（2）放大器差动增益 (13)
（3）具有较高共模抑制比 (13)
（4）等效输入噪声 (14)
（5）频带范围 (14)
7、设计的仿真情况 (14)
七、思考 (15)
八、设计心得 (16)
九、参考文献 (16)
课程设计说明书
一、生物医学信号的基本特征
1、频率特性
绝大多数生物医学信号处在DC至10kHz之间，并具有较宽的频带。

我们认为ECG处在0.5Hz至100Hz。

2、幅值特性
绝大多数生物医学信号非常微弱。

ECG在mV级。

3、信号源阻抗高
生物电信号源自活体，内阻在kΩ、MΩ级。

4、强噪声和干扰
（1）干扰（来自测量系统外部的无用信号）：人体属于电的良导体，
而且“目标”大，难以屏蔽，很容易接受外部电磁波干扰。

普遍存在的工频50Hz干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围之内，完全淹没微弱的生物电信号。

（2）噪声（来自测量系统内部的无用信号）：分人体噪声和仪器内部
噪声（电噪声）。

采集ECG时肌肉颤动和呼吸运动形成噪声。

电噪声由仪器内部载流子的无规则热运动造成，也称热噪声。

二、对生理参数放大器的要求
1、增益高
2、输入阻抗高
对信号源的影响小，拾取的信号强。

3、噪声极低
不淹没极其微弱且信噪比低的生理弱信号。

4、共膜抑制比高
清除工频及电极极化电位的干扰。

5、基线漂移小
使频带下限低放大倍数高的电路不致饱和，便于级连。

6、频带适当
抑制噪声，防采样混叠。

7、隔离阻抗大
切断地线回路，确保人身安全。

三、滤波器的选择与参数设定
1、考虑是否采用电子元件
由于生理信号频率较低，选用有源滤波器。

2、考虑截止频率附近的幅频、相频特性
较适合生理信号特征的滤波器有巴特沃兹滤波器和塞贝尔滤波器。

前者适用于注重频度有较好截止特性的场合，后者适用于注重相位的场合。

由于本设计要求频度有较好的截止特性，所以选用巴特沃兹滤波器。

3、考虑通带和阻带所处范围（幅频特性） （1）放弃使用带通滤波器
设计要求频带范围在0.5Hz 到100Hz ，最直接的选择是带通滤波器（带通滤波器的电原理图如图1）。

根据中心频率
0f =
hp lp f f *≈7.07Hz
确定相关参数：
00121002ωπωR C f K
～R =
==
图1带通滤波器电原理图
然而，二阶带通滤波器的截止陡度不够，虽然可以用多个二阶带通滤波器串联来增加截止陡度（即增大品质因数Q ），但是Q 与通带宽度B 满足如下关系：（0f 为带通滤波器的中心频率 ）
Q
f B 0
=
即：中心频率恒定，级连增大Q 的同时，带宽B 变窄，二、四、六阶带通滤波器的幅频曲线如图2：
图2 带通滤波器的幅频曲线
二、三、四阶分别对应红、蓝、绿线。

比较可见，随着阶数的增加，频带陡度明显增加，但同时频带宽度也明显减小，被测信号通过二阶带通滤波器级连构成的多阶带通滤波器，低于0.5Hz 和高于100Hz被滤除的同时，会出现明显的失真。

图3为通过四阶带通滤波器前后的的波形图。

其中，红线表示混有白噪声的心电信号经过三运放和反相器，进入四阶带通滤波器前的波形，绿线表示四阶带通滤波器的输出波形。

可以看出：输出波形虽然去除了一些“毛刺”，这些“毛刺”的频率应在0.5Hz至100Hz以外，但是心电波形明显失真，拿最明显的QRS波来说，甚至发生了反相，查相关资料获知QRS波的频率约为17Hz，在通带范围内，但由于频带很陡，与频率为7.07Hz（中心频率）的成分，即幅值放大倍数最多的成分相比，放大倍数明显减小，所以失真严重。

图3通过四阶带通滤波器前后的波形
因此，只能放弃选用带通滤波器。

（2）采用高、低通滤波器叠加滤波
用截止频率为0.5Hz的高通滤波器和截止频率为100Hz的低通滤波器串联完成0.5Hz～100Hz的选通。

分别将两个二次高通滤波器和两个二次低通滤波器级连，提高截止频带陡度的同时，又使频带宽度得到保持。

（如图4）
图4高、低通滤波器串联后的幅频特性曲线
这里，以低通滤波器为例，说明级连方法：
图5低通滤波器参数图
高阶滤波器由两个或多个二阶滤波器串联组成，如图6。

尽管每个滤波器的形式相同，截止频率相等，但它们的b值不同，如表1。

图6两个二阶滤波器串联的四阶滤波器
表1巴特沃兹滤波器常数表
（3）增加陷波器。

仅使50Hz成分被滤除，去除工频干扰。

四、设计流程图
图7 设计流程图
五、设计电原理图
图8设计电原理图
六、设计具体说明
1、同相并联型差动放大器
图9同相并联型差动放大器电原理图
影响多级放大器的噪声性能的主要是第一级，为达到低噪声性能，设计时须尽可能地增大第一级的增益，并选用低噪声器件来构成第一级。

但第一级（前置级）的增益也不能无限制增大。

电路的直流稳定性会被过大的增益破坏；还要考虑电极与皮肤接触可以接受的要求。

所以采用如图9同相并联型差动放大器，并使
A取30。

f
（1）电路构成
其第一级是由两个运放A1、A2组成，信号由两个同相输入差分放大器输入，因而有很高的输入阻抗。

第二级是由A3构成的基本差分放大器。

（2）高共模抑制比
共模抑制比的定义
c
d
CMR A A K lg
20= A1与A2的总共模抑制比
2
12
112CMR CMR CMR CMR CMR K K K K K -=
选择1CMR K 、2CMR K 尽可能接近，则∞=12CMR K
31CMR d CMR K A K =
A3是电路具有高共模抑制比的主要环节，只要保证A3的外围电阻具有对称性，就可以使电路具有很高的共模抑制比。

这里dB dB dB k k K CMR 8012060111>=⨯⎪⎭⎫
⎝⎛+=
（3）差模电压放大倍数
d A =⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+12
21R
R ⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛-31R R f
这里3011011211-=⎪⎭⎫
⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+==k k k k A A d f
（4）作用
抑制共模信号，将电压幅值放大30倍。

2、反相放大器
图10反相放大器电原理图
采用反相分压反馈型放大器，也称T 型反馈型放大器。

（1）放大倍数
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛+-=23242122
1R R R R A f f （要求f R 2＞＞24R ） 这里411125012-=⎪⎭
⎫
⎝⎛+-=M
k
k M A f （2）作用
将电压幅值放大4倍，反相信号恢复为同相。

3、四阶高通滤波器
图11 四阶高通滤波器
为将低于0.5Hz 的干扰信号滤除，让放大后的被测信号通过高通滤波器，仅保留被测信号中频率高于0.5Hz 的成分。

为增大滤波器的品质因数Q ，将两个二阶高通滤波器级连，构成四阶高通滤波器。

图12 四阶高通滤波器的幅频特性
红线、蓝线分别表示的是二阶和四阶高通滤波器的幅频特性。

随着阶数的增加，截止陡度趋于理想。

截止频率：Hz f 5.00=
放大倍数：4260.110046.2311005.1513=⎪⎭⎫
⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=k k k k A f
4、四阶低通滤波器
图13四阶低通滤波器
为将高于100Hz 的干扰信号滤除，让放大后的被测信号通过低通滤波器，仅保留被测信号中频率低于100Hz 的成分。

为增大滤波器的品质因数Q ，将两个二阶低通滤波器级连，构成四阶低通滤波器。

图14四阶低通滤波器的幅频特性
红线、蓝线分别表示的是二阶和四阶低通滤波器的幅频特性。

随着阶数的增加，截止陡度趋于理想。

截止频率：Hz f 1000=
放大倍数：576.2253112575.314=⎪⎭⎫
⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=k k k k A f
5、陷波器
图15陷波器
图16二阶（红线）、四阶（蓝线）陷波器的幅频曲线
截止频率：H f 500=
放大倍数：24.3200160120016015=⎪⎭
⎫
⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=k k k k A f
6、整体参数选用情况 （1）具有较高输入阻抗
测量方法(如图17)，将整个系统的输入端接入直流电压源，在一级运放的外
接电阻上并连电压表，用分压法测得输入阻抗大于1M Ω。

图17测量等效输入阻抗 （仅截取了全电路的输入部分）
（2）放大器差动增益
计算值
()()142824.3576.24260.143054321≈⨯⨯⨯-⨯-==f f f f f d A A A A A A 实测值（如图17）
将纯净的心电信号由示波器显示（红线），测出原始心电信号电压幅值
mV V i 1003.2=
将纯净的心电信号以差模形式接入放大滤波系统的输入端，在系统输出端接示波器，显示放大波形（绿线），测出放大后的信号电压幅值
V V o 7744.5=
()142813751003.227744.5≈=⨯=--=
mV
V
V V V A i i o d
图17原始波形与放大波形
（3） 具有较高共模抑制比
计算值
dB dB CMRR 80120>=
测量值
在输入端接入共模信号和差模信号，令共模信号为零，测得差模增益
99.596897.2829611.16===
mV
V V V A i o d （当0=id V ） 令差模信号为零，测得共模增益
510170.17655.22358.3-⨯===
V
nV V V A i o c （当0=ic V ） 计算共模抑制比
dB A A K c d CMR 13410170.199
.59lg 20lg
205
=⨯==-
图18共模抑制比的测试
（4）等效输入噪声
将系统输入端直接接地，在输出端用示波器显示系统噪声幅值。

（如图18）
图18系统噪声波形
任测一点幅值V
.
=
96<<
10
pV
Vμ
1811
（5）频带范围
0.5Hz～100Hz，50Hz工频被滤除
整体滤波效果见图19。

图19整体幅频曲线
7、设计的仿真情况
图19混杂心电信号（绿）与纯净心电信号（红）波形
七、思考
（1）设计的放大器，其共模抑制比主要受哪些元器件的影响？应如何选择这些元件才能保证具有较高的共模抑制比？
答：A3是决定整个系统共模抑制比的关键部分，它自身所选元件的共模抑制比、外接电阻的是否精确匹配、以及A1、A2是否尽可能相同，都影响总设计的共模抑制比。

提高A3的共模抑制比，和其外接电阻及其前置级A1、A2的对称性，可以保证具有较高的共模抑制比。

（2）如何进一步提高其抗干扰，尤其是抗工频干扰（50Hz）的能力。

答：使用截止频率为50Hz的陷波器，为加强陷波效果还可级连成高阶的。

（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：a、屏蔽驱动。

导联线用屏蔽电缆，屏蔽接地时，分布电容变为放大器输入端的寄生电容（如图20）。

为消除此影响，导联线的屏蔽层不予接地，而接到与共模输入信号相等的电位上，取出放大电路的共模电压用以驱动屏蔽层，使两寄生电容的端电压保持不变，即电容对共模电压不产生分流。

图20导联线的分布电容
b、右脚驱动。

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。

c、光电耦合。

使用光电二极管将前置级与后置级隔离。

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。

八、设计心得
这次课程设计最大的心得是，事物相互联系，考虑实际问题时，必须统观全局，综合考虑，不能像在理论学习时只做理想化处理。

仅拿滤波器的选择来说，为将频带定在0.5Hz～100Hz，最直观的选择是带通，但考虑实际滤波效果只能放弃，而改用了高、低通叠加的方法。

九、参考文献
[1] 邓辛凯主编．现代医学仪器设计原理．科学出版社，2004.5．
[2] 蔺利峰．生物医学电子学实验指导书．河南科技大学医学技术与工程学院生物医学工程研究所，2005.1
[3] 童诗白．模拟电子技术基础．第三版．高等教育出版社，2001.3．
[4] 康华光．电子技术基础．第四版．高等教育出版社，2004．
[5] 张唯真．生物医学电子学．清华大学出版社．
[6] 余学飞．医学电子仪器原理与设计．第二版．华南理工大学出版社．
[7] 王保华．生物医学测量与仪器．复旦大学出版社，2003．
[8] 周希贤等．生物医学电子学及实验．兰州大学出版社，2002.5．
[9] 蔡建．生物医学电子学．北京大学出版社，2003.1．。