心电放大器设计报告概论

生物医学电子学课程设计

设计报告

学校：东北大学

学院：中荷生物医学与信息工程学院

专业班级：生医1202班

姓名：鱼忘七秒

学号： 201252xyz

指导老师：李刚

低功耗心电放大器设计报告

1.概述

心脏是循环系统中重要的器官。由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动。心脏在机械性收缩之前，首先产生电激动。心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电位。如果在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电图机(即精密的电流计)的两端，它会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图。

基本心电图如上所示，包含如下几个波段：

P波――两心房除极时间

P-R间期――心房开始除极至心室开始除极时间

QRS波群――全心室除极的电位变化

ST段――心室除极刚结束尚处以缓慢复极时间

T波――快速心室复极时间

2.设计背景

心电放大器是一种常见的生物电放大仪器，在如今已经得到了广泛的应用，并已经研发出了便携家用的医疗仪器。心电放大器可以实时观测被测者的心电信号，有助于病征的观测，并能辅助诊断。心电放大器作为精密医疗仪器，在现代的应用越来越广泛，低成本是它的一个重要趋势。

心电信号有几个显著的特点。

1)心电信号很微弱，其幅值为10μV（胎儿）-4mV（成人），放大倍数

约为500~1000倍；

2)频率很低，约为0.05Hz-75Hz，能量主要集中在17Hz附近；

3)有很强的随机性，并不稳定。

4)人体作为信号源，本身内阻很大。

5)干扰多。如肌电等人体噪声，以及在心电放大器中不可避免的工频

等设备噪声。

3.设计意义

1)对心律失常和传导障碍具有重要的诊断价值；

2)对心肌梗塞的诊断有很高的准确性，它不仅能确定有无心肌梗塞，

而且还可确定梗塞的病变期部位范围以及演变过程；

3)对房室肌大、心肌炎、心肌病、冠状动脉供血不足和心包炎的诊断

有较大的帮助；

4)能够帮助了解某些药物（如洋地黄、奎尼丁）和电解质紊乱对心肌

的作用。

4.设计要求

1)输入电阻>5M

2)共模抑制比>80dB

3)输出摆幅>2.5V（采用单片机采集时动态范围≧28）

4)频带：0.05～75Hz

5)功耗<5mA

6)直流供电，使用三节1.5V干电池，便于携带

5.总体方案设计

本项目通过模拟电路对信号进行一些列处理，最终实现在示波器上显示波形。经过分析将电路大致分为几个模块，包括信号采集放大模块，信号滤波模块，信号50Hz陷波处理模块，电平提升模块。前置放大采用的是差分放大，滤波采用二阶低通滤波器，50Hz陷波采用双T网络，最后经由电平提升输出到显示屏。

6.各模块功能实现

A.信号采集放大模块（R11表示第一个模块中第一个电阻）

A．总体概述

如下图，采用protues仿真

心电信号非常微弱，为mV 量级，只有对其进行放大到适当范围才能够进行更多的采集和处理，这些都决定了信号放大电路成为整个系统设计成败的关键。如上图所示的同相并联三运放结构，这种结构可以较好地满足高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声的要求。放大器的第I 级主要用来提高整个放大电路的输入阻抗。第II 级采用差动电路用以提高共模抑制比。

B ．信号放大

运放放大电路，采用LM358芯片构成差动放大电路，根据虚短、虚断的概念，不难分析U2:1A 、U2:1B 前置放大电路仅对差模信号有放大作用，差模放大倍数为（R12+2R11）/ R12倍。

AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1—1000的低功耗、高精度仪表放大器。尽管AD620由传统的三运放放大器发展规律而成,但一些主要性能却优于三运算当代器构成的仪表放大器设计,电源范围宽(±2.3V--±18V),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅为1.3mA)因而使用于低电压、低功耗的应用场合。内部增益电阻被精确确定为24.7kΩ,使得运放增益精确地由Rg 确定 部增益为 14.49+Ω=

R K G g

3

2

6

4785

1

U11

AD620

32

1

411

U2:1A

LM324

3

2

1

4

11

U2:1B

LM324

R11

20k

R12

10k

R13

20k

R14

100k

R15

100k

+5V

+5V

+5V

-5V

-5V

-5V

50%

RV11

5k

Vo

Vi+

Vi-

U2:1A(+IP)

A B C D

其中差动放大电路部分放大了5倍，因为其本身受极化电压的影响，放大倍数应为5倍左右。而AD620核心放大器放大倍数可经过滑动变阻器调节，使这个电路的放大倍数达到100倍左右，使信号能够更好的进行滤波等后期处理。 C ．无源高通滤波电路

由于心电信号本身有频带，同时也存在着诸多干扰，因而滤波电路是整个心电放大器成功的关键所在。项目中的频带为0.05Hz —75Hz ，因而设计了截止频率为0.0482Hz 的高通滤波电路。 截止频率为：