心电信号放大器设计..

成绩：

2015-2016学年01 学期

“电力电子电气传动与可编程控制技术（1）”BUCK变换器的设计与仿真

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2015 年12 月

一、设计用于检测人体心电信号的放大器，要求如下：

1、输入阻抗≥10MΩ。

2、共模抑制比≥80dB。

3、电压放大倍数1000倍。

4、频带宽度为0.5Hz~100Hz。

5、放大器的等效输入噪声（包括50Hz交流干扰）≤200μV。

二、设计方案分析

1、心电信号的特点及检测

人体的各种生理参数如心电、脑电、肌电等生物电信号都是属于强噪声背景下微弱的低频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，与其他生物电信号相比，该信号也比较容易检测同时具有直观的规律性。一般人体心电信号的幅值约20μV~5mV，频带宽度为0.05Hz~100Hz，由于心电信号取自于活体，所以信号源内阻较高，且存在着较强的背景噪声和干扰。

在检测人体生物电信号时，需要采用所谓的生物电测量电极，又称引导电极来实现的，通过引导电极将生物电信号引入到放大器

的输入端。对于心电信号的检测，临床上为了统一和便于比较所获得心电信号波形，对测定心电信号（ECG）的电极和引线与放大器的联接方式有严格的统一规定，称之为心电图的导联系统。目前国际上均采用标准导联，即将电极捆绑在手腕或脚腕的内侧面，并通过较长的屏蔽导线与心电放大器相连接。标准导联有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。其具体联接方法如图。

LA

Ⅰ导联

Ⅱ

导联Ⅲ导联

图1 标准导联联线方法

2、心电信号放大器设计要求及组成

根据心电信号的特点，对心电信号放大器的要求是高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声、低漂移、合适的通频带宽度和输出较大的动态范围等。典型的心电信号放大器的组成如图所示，主要有前置放大、高通滤波、低通滤波、50Hz陷波器、电压放大等电路。

图2 心电信号放大器组成框图

三、主要单元电路参考设计

1、心电信号输入电极

电极（导联）对心电信号放大器的质量影响很大，采用的电极应该具有贴附力强、透气性好、吸汗、电极导电性能好、极化电压低的优质电极。此外还应该具有对皮肤刺激小、佩戴舒适、拆卸方便等优点。通常采用表面镀有AgCI的可拆卸的一次性的软电极，并在电极上涂有优质的导电膏，目前已有成品可买。对于自制电极可以采用20mm×20mm的薄铜皮作为皮肤接触电极；用带有尼龙拉扣的布带或普通布带将电极捆绑在四肢相应位置；在进行心电图测量前，使用酒精棉球仔细将与电极接触部位的皮肤擦净。

2、心电信号前置级放大电路

由于心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号，所以要求前置

放大器应具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力等特点，选择仪表放大器即可满足要求。考虑到要求高共模抑制比、高输入阻抗和调试方便，不使用采用集成运算放大器构成的仪表放大器，而是直接使用集成仪表放大器，本设计选用低成本集成仪表放大器AD620实现。AD620仪表放大器的管脚排列见图3。AD620作为高精度仪表放大器，只需要用改变1脚和8脚之间的外接电阻，即可实现放大器1~1000变化范围的电压增益。该放大器的差模电压放大倍数表达式为：G=1+49.4kΩ/R g。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

1.0，所以作为前置放

pA

nV

9，输入电流噪声Hz

大器可以很好的工作。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能设置过高，本设计选择电压放大倍数等于10倍。

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如图 。

外接增益电阻

-IN 输入信号负

+IN 输入信号正

-Vs 负电源

参考电压输出端正电源外接增益电阻图3 AD620管脚排列图 图4 心电信号前置放大器

二、滤波器电路

正常心电信号的频率范围为0.05~100Hz ，而90%的心电信号频谱能量集中在0.25~35Hz 之间。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。

1、 高通滤波器

高通滤波器选择典型的压控电压源二阶滤波器，电路结构如图 。该电路的典型参数为：截止频率RC

f π21

0=

，品质因数031

A Q -= ，通带放大倍数1

01R R A f += 。

现要求滤波器的截止频率等于0.05Hz ，Q =0.707，取电容等于47μF ，则电阻k Ω67.805

.0104714.321

6

≈⨯⨯⨯⨯=

-R ，选用电阻68kΩ。通带电压放大倍数A 0=3-1/Q ≈1.586，取R 1=20kΩ，R f =0.586R 1=0.586×20kΩ=11.72 kΩ，取12 kΩ。集成运算放大器选用高精度、低漂移运算放大器OP07。

图5 二阶高通滤波器

2、 低通滤波器

二阶低通滤波器电路如图 。该滤波器的参数指标为：截止频率RC

f π21

0=，品质因 数0

31

A Q -=

，通带放大倍数10=A 。在该电路选择参数情况下，二