心电放大器要点

生物医学工程学院课程设计报告

题目：心电放大器的设计

指导教师：XXX

年级：XXX

专业：XXX

学号：XXX

学生姓名：XXX

XXX 年 XX 月XX 日

心电放大器的设计

摘要

心电数据采集系统是心电图（即EGC）检查仪的关键部件。ECG 的幅值约为10uV~5mV，频带宽度为0.035Hz~100Hz，信号十分微弱。由于心电信号中通常混杂有其它生物电信号，加上50Hz市电工作频率干扰以及体外环境噪声等干扰，使得微弱的心电波信号难以测量。

我们根据心电信号的特点，设计了能够采集并放大心电信号的电路。本设计由前置放大器、带通滤波器、主放大部分、50Hz陷波部分、电平抬升加法器、方波整形输出电路共七个模块组成，实现了ECG检测。

关键词：ECG 放大滤波

设计原理图：

一、硬件电路设计方案论证

1.前置放大方案论证

方案一：采用通用放大器OP07或OP37将提取出来的心电信号放大合适倍数，心电信号为毫伏级，设定输入信号的峰峰值为5mV，经过前置放大信号的峰峰值变为0.5V，此时的信号已不再是小信号，便于进行后续处理。

方案二：采用仪表放大器AD620，AD620具有精度高、失调电压低、失调漂移低的特性，外部电路简单，且仅需在1和8之间跨接电阻，方便调节。

综合比较，由于前置放大电路是本检测系统的重要模块，它具有高输入阻抗和低输出阻抗特性，为满足阻抗要求，有效放大信号，并具有温漂小、共模抑制比高的特点，故选择方案二。

2.带通滤波方案论证

方案一：采用一片四运算放大器LM324，用简单的压控电压源二阶带通滤波电路虽然也能实现，但是性能比较普通。

方案二：采用巴特沃斯滤波器，是一个二阶滤波器，电路原理简单，计算简单，滤波效果良好。

综合比较，由于干扰比较大，需要比较好一点的滤波器，故选择方案二。

3.R方波整形方案论证

方案一：采用过零比较器。采用过零比较器是一种较为简单的方波设计方法，信号电压在正负间转换时，每通过一次零点，输出的信号就产生一次跳变，从而形成一个方波上升沿或下降沿。过零比较器的设计电路比较简单，对于一般的交流正弦信号都可以测量。

方案二：采用555施密特触发器。利用555定时器设计的施密特触发电路也比较简单，并且施密特的触发电平在一定范围内可线性调节，因此经过电平抬升后的心电信号不过零点也可触发，同时可以很好的防止对干扰信号的触发，并且触发后的方波占空比可通过调节触发电平来改变，方便选择合适的波形进行观察。

综合比较，由于心电信号不是正弦波，ECG 的R 波振幅较大，其它波的振幅很小，用过零比较器会使得输出信号在其它波通过零点时也产生跳变，使所得频率不正确。而施密特触发器的触发电平可调，将其调至R 波以上，则输入信号每产生一个R 波时，输出电平就跳变一次，从而得到准确的频率，故选择方案二。

二、 硬件电路分析与计算

1. 前置放大模块及右腿驱动电路

本设计主要器件选用的是低成本集成仪表放大器AD620。AD620仪表放大器的管脚排

列见图1。AD620作为高精度仪表放大器， 只需要改变1脚和8脚之间的外接电阻值，即可改变电压放大增益，

图1 AD620引脚图

方便调节。经查资料，该放大器的差模电压放大倍数表达式为

G = 49.4kΩ/Rg+ 1 ，

其中Rg为1脚与8脚之间所接电阻值。

AD620的最大失调电压仅为50μV，失调电压温漂0.6μV/℃，输入电压噪声为Hz

pA

1.0，作为前置放大

9，输入电流噪声Hz

nV

器性能良好。为了避免在强干扰信号下，放大器输出产生失真，前置放大器的电压放大倍数不宜设置过高，我们的电路接入电阻为

Rg= 3.9kΩ，

经计算电压放大倍数为 G = 7.3 。

另外为了消除强共模信号通过屏蔽层电容造成放大器输出的影

响，一方面要求电极导联线的

屏蔽层不予接地，另一方面设

计了自举屏蔽驱动电路，采用

缓冲放大器将连接点的共模

电位驱动到屏蔽线，使引线屏

蔽层分布电容的两端电压保

持相等，从而消除了共模电压

由屏蔽层分布电容引起的不均图2 前置放大模块及右腿驱动电路

衡衰减。

为了进一步提高前置放大器的共模抑制比和抗干扰能力，再采用右腿驱动电路，从根本上降低空间电场在人体上产生的干扰。整个前置放大器的电路图如图2。

2.滤波器电路

我们的模拟滤波部分的电路由低通和高通组合而成带通滤波器。 将低通和高通滤波电路串联，设置通带截止频率，就构成所需带通滤波电路。

图3是带通滤波电路图，采用两个运放设计成一阶有源高通和低通滤波电路，组合成带通滤波，高通电路经过NE5532形成电压跟随器，对信号不放大，低通电路通过OP07放大

Auu = R4/R3 + 1 = 20

倍。其中C3和R5构成高通电路，其截止频率为：

3

*521

1C R F π= = 0.062 Hz ,

R1和C2组成低通电路，为了不损失心电信号的高频成分，其截止频率为：

图3 带通滤波电路图

2

*121

2C R F π= = 145.2 Hz 。

3.主放大器电路

该部分电路起调节增益的作用，可使输出信号达到1Ｖ的量级。主放大器电路见图4，主放大器电路放大倍数计算式为：

Auu = 1+ R8/R7 ，

其中R8使用100k Ω电位器，

可通过调节电位器来调节整个 图4 主放大器电路 电路的输出增益。

4. 50Hz 干扰信号陷波器

50Hz 工频信号陷波器可以采用应用广泛的双T 型有源带阻滤波器，图 5 是自举式双T 桥二阶有源带阻滤波器电路。该滤波器的优点是品质因数可调，且与带阻滤波器的中心频率无关。在该电路中，当同相输入端接地

（反馈系数最小）时，滤 图5 50Hz 干扰信号陷波电路