山东大学生物医学电子学课程设计报告

体表心电放大器的设计
一、系统框图设计
本电路设计主要由五部分组成：前置放大电路，高通滤波电路、50Hz陷波电路、低通滤波电路和主放大输出电路。

系统框图如下图所示：
图1 心电放大器系统框图
从心电电极得到的心电信号先要经过前置放大电路，被处理后的信号具有低噪声、低漂移、低共模抑制比等性能。

这时候的心电信号主要受到工频、肌电等信号的干扰，可通过相关的信号调整电路对其进行处理。

二、各部分电路
1、前置放大电路
前置放大器是硬件电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量，从而影响到仪器的特性。

除了要求精度高稳定之外，根据心电信号的特点，本次实验设计的前置放大电路如下图所示：
图2 前置放大电路
所以设计出的前置级放大倍数为：
AA dd≈1000
2、高通滤波电路
由于心电信号微弱，需要多级放大，而多级直接耦合的直流放大器虽能满足要求，但多级直接耦合的直流放大器容易引起基线飘移。

此外，由于极化电压存在的缘故，动态心电图机的直流放大器更不能采用多级直接耦合。

本装置中，在两级放大器之间采用RC耦合电路，即时间常数电路，在隔离直流信号的同时达到高通滤波的效果。

我们取时间常数约为3.2s，这样可确定电阻、电容值，在两级之间组成高通滤波器。

可得转折频率为：
本设计采用的高通滤波电路为二阶压控电源型高通滤波器拓扑结构，其电路图如下图所示：
图3 高通滤波器电路图
3、50Hz陷波电路
心电信号由于频率低、信号小、因此50Hz的工频干扰特别严重。

工频干扰信号通过周围仪器设备以及人体内的分布电容混淆在心电信号之中，影响测量效果。

为了去除人体或者测量系统中的工频50Hz干扰，需要用带阻滤波器（即陷波器）予以抑制。

由于50Hz工频干扰是心电信号中的主要干扰，并且它的频率正好处在0.05～100Hz的频带范围之内，再加上其它的不稳定因素，剩余的工频干扰信号还比较强，因此，必须设计相应的电路将它们滤除。

所以，为了将心电信号频带范围之内的50Hz工频干扰信号滤除，同时保证其它信号毫无衰减地通过，在本系统中必须设计一个陷波器（即带阻滤波器），它负责完成抑制50Hz工频干扰信号，而让其他频率通过。

经过研究比较，采用的是二阶压控电压源带阻滤波器（巴特沃斯响应），其具体电路如下所示：
图4 50Hz陷波电路
4、主放大电路
由于心电信号的幅度很小，一般只有１mv左右，而系统进行模数转换的芯片的电压输入范围是0～5V，因此，仅仅靠前置放大电路所实现的10倍放大还远远不够，还需要增加一级主放大电路来提高整个心电放大电路的增益。

由于前置放大器已经完成对心电信号的10倍放大，公式为：
因此，该电路还需要一个100放大的主放大电路，最终实现心电信号的1000倍放大，
将1mv信号放大成1V的转换要求。

所设计的主放大电路如下图所示：
图5 主放大电路
5、低通滤波电路
由于电磁干扰越来越严重，所以心电信号在采集过程中不仅有50Hz的工频干扰和低频、直流分量的干扰，还有高于100Hz高频谐波的严重干扰，有必要进行低通滤波电路的设计。

本设计采用的低通滤波电路为二阶压控电源型低通滤波器拓扑结构，其电路图如下图所示：
图6 低通滤波器电路
根据传递函数得该电路的截止频率与品质因数表达式分别为：
三、M ultisim电路仿真结果
1、前置放大电路仿真
输入：幅值为2mv,频率为80Hz的正弦波
图7 前置电路仿真输入输出结果图
从图中我们可以看出放大倍数约为1000倍，仿真结果与理论计算差不多。

2、高通滤波电路仿真
输入：幅值为20mv,频率为80Hz的正弦波
图8a 通滤波电路仿真波特图
图8b 高通滤波电路仿真输入输出图从仿真结果可以看到高通滤波器对80Hz的正弦波无减少3、50Hz陷波电路仿真
输入：幅值为10mv,频率为50Hz的正弦波，波特图如下图所示：
图9a 50Hz陷波电路仿真波特图
图9b 50Hz陷波电路仿真输入输出图
从仿真结果可以看出对50Hz的正弦波信号有较好的抑制作用，符合设计要求。

4、主放大输出电路仿真
输入：幅值为10mv,频率为50Hz的正弦波,输出波形如下图所示：
图10 主放大电路仿真输入输出图
从仿真结果可以知道大概放大了100倍，与理论设计相符合。

5、低通滤波电路仿真
图11 低通滤波电路仿真
6、总体电路仿真
输入80Hz，2mV的正弦波信号，输出波形和波特图如下图所示：
图12a 总体电路波特图
图12b 总电路仿真输入输出图
四、心得体会
课程设计是学生即将完成本课程的一个重要环节，它既是对所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好的开端。

通过这次课程设计，让我对各种电路都有了大概的了解，这次对体表心电放大器的设计与制作，让我了解了设计电路的过程，也让我了解了关于体表心电放大器的原理与设计理念。

实际接线中有着各种各样的条件制约，不可能与理想情况完全一致。

所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法这次课程设计使我明白要设计一个成功的电路，必须要细心，耐心，认真。

在老师的指导下，整个电路稳定工作。

课程设计过程中很多步骤在设计时需要反复实践，其过程很烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中会很急躁,就需要我们静下心，仔细查找原因，然后做出相应的改动。

整个过程花了我不少时间。

在实际的设计过程中，能把理论中所学的知识灵活地运用起来，并在过程中会遇到各种各样的问题，电路的连接提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题，也包括怎样去查找问题。

在整个课程设计完后，总的感觉是：有收获。

以前上课都是上一些最基本的东西，而现在却可以将以前学的东西做出有实际价值的东西。

在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，以下是我实验时这门课程觉得应注意的问题:
(1)多看资料书，再试着设计，由易到难，由小到大。

(2）思路很重要，不能盲目，首先要有—条主线，再以主线为基础分支。

(3）这门课是实践性很强的一门课，要多动手。

(4)独立思考很重要，但同学间的相互帮助比较是很有益的，我平时还是喜欢
和同学讨论，和同学一起不但可以相互查错，还可以相互学习，体验别人的错误，增长自己的经验，扩展自己思路。

五、诚信承诺
本人承诺课程设计是由本人独立完成的，不存在抄袭等学术不端问题。