心电信号放大电路

浅谈滤波器在心电信号放大电路中的应用

1 实验目的与意义

心电信号十分微弱，一般在0.05-100Hz之间，幅度小于5mv。在检测心电信号的同时存在着极大的干扰。心电波仪器通过传感系统把心脏跳动信号转化为电压信号波形，一般为微伏到毫伏数量级。这是需经过信号放大才能驱动测量仪表把波形绘制出来。本实验通过应用运算放大器设计心电放大电路，目的是可以实现有效滤除与心电信号无关的高频信号，通过系统，可以得到放大，无干扰的心电信号。

本实验将就心电放大电路中的滤波器部分进行重点研究，采用multisim10.1进行仿真，分析其实现的功能以及所起的作用。心电信号放大电路的其余部分将做简要介绍。

2 心电放大电路工作原理

心电信号放大电路原理流程图

2.1前置放大电路

放大微弱的心电信号。具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力的特点。

2.2高通滤波电路

通过频率大于0.05Hz

的信号，排除低频信号干扰。

2.3低通滤波电路

通过频率低于100Hz的信号，排除高频信号干扰。

2.4带阻滤波电路

有效阻断工频为50Hz的信号干扰。

2.5电压放大电路

对处理过的心电信号进行放大，以便能够观察出微弱的心电信号。

3 技术指标

信号放大倍数：1000倍

输入阻抗：≥10MΩ

共模抑制比：K cmr≥60dB

频率响应：0.05-100Hz

信噪比：≥40dB

4心电放大电路介绍与分析

4.1前置放大电路

可应用AD620来设计放大电路，设计图如下

根据心电信号特点，前置放大电路具有以下特点：

1）高输入阻抗：被提取的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，应提高放大电路的输入阻抗。

2）高共模抑制比：人体所携带的工频干扰以及所测量的参数以外的生理作用的干扰，一般为共模干扰，前置级须采用共模抑制比高的差动放大电路，以减少共模干扰。

3）低噪声，低漂移：使其对信号源影响小，输出稳定。

此放大电路可实现增益1-1000倍的调节。

4.2滤波电路

正常心电信号的频率范围为0.05-100Hz。噪声信号来源主要有工频干扰、电极接触噪声、人为运动肌电干扰、基线漂移等，其中50Hz的工频干扰最为严重。为了消除这些干扰信号，在心电信号放大器电路中，应加入高通滤波器、低通滤波器和50Hz工频信号陷波器。

4.2.1 高通滤波电路

本实验采用二阶有源滤波器，参数设置以及电路图如下。

f min=错误!未找到引用源。=0.05Hz

令C1=C2=100µF

R1=R2≈32kΩ

输入1Vpk，0.05Hz的正弦交流信号

二阶高通滤波器

二阶高通有源滤波的幅频与相频响应

高通滤波器的幅频相频响应如上图所示，可以看出，当向高通滤波器输入频率0.05Hz 的正弦交流信号时，读取电路的截止频率为48.7906mHz，与理论值0.05Hz极为接近，故该电路可以实现高通滤波器的作用。

4.2.2低通滤波电路

本实验中采用二阶有源低通滤波器对信号进行处理，参数设置以及电路图如下。

f max=错误!未找到引用源。=100Hz

令C=105nF

则R≈15kΩ

输入1Vpk，1kHz的正弦交流信号

二阶低通滤波器

二阶低通有源滤波的幅频与相频响应

低通滤波器的幅频相频响应如上图所示，可以看出，当向高通滤波器输入频率1kHz的正弦交流信号时，读取电路的截止频率为97.3930Hz，与理论值100Hz

极为接近，故该电路可以实现低通滤波器的作用。

4.2.3带阻滤波器

工频干扰是心电信号的主要干扰，且频率处于心电信号的频率范围之内。50Hz工频信号陷波器可以采用应用广泛的有源带阻滤波器，原理图如下。

带阻滤波器

带阻滤波器的幅频和相频特性

由下图可以读出，该电路的中心频率为49.661Hz，与工频50Hz基本吻合，可以达到滤除工频干扰的目的。

4.3电压放大电路

根据前面各级电路计算所得放大倍数，此处采用反相放大倍数将信号最终放大到1000倍即可，此处不做详述。

5实验总结

实验通过前置放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、带阻滤波电路以及电压放大电路实现了对心电信号的放大和干扰滤除功能。重点应用multisim软件对滤波器和陷波器的作用进行了仿真。发现通过电路及参数的正确设置可以实现过滤0.05-100Hz心电信号并将其放大1000倍进行输出的功能。