模电——低功耗心电放大器设计报告

模拟电子电路设计

——低功耗心电放大器设计报告

学院：电气工程学院

班级：

姓名：

学号：1412021061

日期：2016 .7.1

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24.7k Ω,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：

RC

f π21

=

Hz f 0482.0=

将高通滤波器配合差模驱动放置在前置放大电路的差动放大电路与核心放大电路之间能后有效的抑制极化电压，减小噪声，提高电路的共模抑制比。

R16

330k

C11

10uF

C11(1)

A B C D

R16(1)