心电信号检测放大器实验报告

心电信号检测放大器实验报告
直流供电
天津大学精密仪器与光电子工程学院
2004级生物医学工程1班
贾乾
3004202314
第一章前言
心脏是人体血液循环系统中的重要器官，依靠它的节律性搏动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动，使生命得以维持。

它的活动正常与否直接关系到人的生命安全。

人们不能凭着直观判断心脏健康与否，而是需要精确的仪器加以测量，通过对测得的心电波进行分析比较，最后做出诊断。

心电图典型波形如下图所示：
心脏的生理功能与心电图存在着密切的有机联系，心脏生理功能失常许多可以从心电图中反映出来，这就是心电图为什么能得到广泛应用的原因，主要应用有：
1．分析与鉴别各种心率失常。

2．一部分冠状循环功能障碍或急性所引起的心肌病变。

3．判断心脏药物治疗或其他疾病的药物治疗对心脏功能的影响。

4．指示心脏房室肥大情况，从而协助各种心脏疾病的诊断。

等等。

在国内外，关于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间，目前对于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间，目前对于心电图机的研制已经达到了一个相当高的水平。

尽管这样，在心电信号处理的方法和自动分析手段都存在着很多缺点，心电特征波形分析定位结果并不尽如人意，从理论上还有创新的余地。

第二章总体设计
一．心电信号的基本特征：
心电信号是一种较微弱的体表电信号，成年人的幅值约为0.5～4mV，频率
在0.01~250Hz范围内，属于低频率，低幅值信号。

为了获得清晰而良好的心电波信号，中华人民共和国医药行业标准YY1139―2000对心电图机提出各种技术要求，主要有：
1．输入阻抗
单端输入阻抗不小于2.5MΩ。

2．输入回路电流
各输入回路电流不大于0.1μA。

3．定标电压
有1mV±5%的标准电压，用于对心电图机增益进行校准。

4．噪声水平
所有折算到输入端的噪声应小于35μV。

5．频率特性
幅度频率特性：以10Hz为基准，1Hz~75Hz（-3.0dB~+4.0dB）;
6．抗干扰能力
共模抑制比：KCMR>60dB以上。

8．50Hz干扰抑制滤波器：≥20dB
9．其他
医学仪器除了与其他仪器一样能满足环境实验的要求外，还要严格的安全性要求，这些由国际GB10793专门规定。

二．心电检测中的主要干扰
（1）50Hz交流干扰
它是由室内的照明及动力设备所引起的干扰。

这是量大面广的干扰源。

因其频率也处于绝大多数生理变量的频带范围内，提高对50Hz的抗干扰能力是医学测量和医学仪器设计中面临的一个基本而关键的难题。

（2）电极噪声
无论是板状金属还是针形电极，由于和电解质或体液接触，在金属界面上总会产生极化电压。

其大小与电极材料、界面状况及所加的电极糊剂时间有关，它叠加在信号上形成干扰。

一般为数十mV，有的达数百mV甚至V级。

这电压是一定值，但会随环境条件而改变，如电极糊干燥引起极化电压的缓慢变化。

另外
还与使用的频率有关。

这些变化的原因是基于电化学的变化，实际使用中电极与人体的接触状况的影响极大。

（3）心电信号以外的人体电现象所引起的噪声
在人体上有种种电现象混杂在一起。

当测量某一生理量（如心电）时，其他的电现象就成为干扰。

所以某一生理量在一些场合是信号，而在另一场合成为噪声。

（4）无线电波及高频设备和干扰
人体大体上可作为导体来考虑。

接上电极导线就会起到收信天线和作用，它接收无线电波以及高频设备来的电磁波。

由于电极—人体界面和放大器特性的非线性，它可把高频检波并构成了对心电信号的干扰。

（5）电子器件噪声
在某些生理量测量中，被测信号往往非常微弱，如体表希氏束电图和体表后电位的幅值在0~5μV，所以电子器件的噪声也成为测量的大障碍。

这些噪声有电阻器件的热噪声，有源电子器件中的散粒噪声，晶体管器件的低频噪声（1/f噪声）及两种不同材料接触时所产生的接触噪声等。

这些噪声大都和放大器工作的带宽有关。

由于噪声是一随机信号，除了采用平均技术减少其影响外，重要的还是选择好低噪声器件，合理设计前置放大器电路。

（6）其他医疗仪器的噪声
许多治疗仪器和测量、监护仪器一起工作时，就会构成干扰影响测量。

如心脏起搏器的起搏脉冲将影响心电和心率的测量。

基于心电信号本身的特征和存在的干扰，电路总体设计框图如下：
电路的主要参数指标要求： 输入阻抗/M Ω
输入短路噪声 (ｐ－ｐ)/µV
共模抑制比 /dB
频带/Hz
>10
≤10 ≥60
0.05--100
第三章 主要电路单元设计
一．前置放大器的设计 电路图如下：
该电路重要功能如下：
1. 由R1、R2、R3组成差分输入，同相输入可以提高输入阻抗，提高共模抑制比。

2. 由C1、C2、R6、R7组成无源高通网络，该电路起到了隔直的作用。

3. 集成运放LM324用于共模驱动和右腿驱动，工作在±3V 。

4. 采用对称的前置电路，可以抑制共模干扰，同时采用共模驱动和右腿驱动电路，都抑制了工频干扰进入后续电路。

5. 前置放大器的核心器件采用AD620,放大倍数为500倍，计算公式为
g
R K A Ω
+
=4.491 AD620的内部结果图为：
前置放大器各元件取值：
R1 R2 R3 R4 R5 R6
20k 20k 10k 50k 50k 100k
R7 R8 R9 R10 C1、C2 C3
100k 1k 1k 10k 4.7µ 2000p
二．滤波电路
采用一阶无源高通滤波器和三阶巴特沃思低通滤波器作为本系统的滤波电路，电路图如下所示：
一阶无源高通滤波器的截至频率为0.05Hz,三阶巴特沃思滤波器的截至频率为100Hz，放大倍数为1倍。

各元器件参数为：
R11 R12 R13
10K 10K 10K
C10 C11 C12
0.56µ 0.22µ 0.013µ
三．50Hz陷波电路
采用双Ｔ网络作为去除50Hz工频干扰的电路。

电路图如下：
滤波器的特性参数为：
ω＝1/R14C13
Q=0.25(1-k)
k值越大，Q值越高，频率选择性越好，但这样会导致滤波器性能不稳定，阻带宽度也加大。

通过认真筛选元件、调整电位器R18通过改变Ｋ值可使50Ｈz陷波深度达到一25dB，带宽为10Hz(45～ 55Hz)且滤波器稳定，满足心电检测的要求。

该部分电路各元器件取值为：
R14 R15 R16 R17 C13
47K 47K 47K 47K 0.068µ
C14 C15 C16 R18
0.068µ 0.068µ 0.068µ 5K
四．主放大器电路
该部分电路主要起调节增益的作用，使输出信号可达到Ｖ的量级，电路图如下所示：
电容加入可以组成一阶无源滤波电路。

各器件参数如下：
R1 R2 C1 C2
100K 430K 4.7µ 2200p
五．其他
1.电源输入处理：
增加电容，可以提高电源输入阻抗，提高电源电压。

2.电源：
通过四节干电池提供±3V电源，驱动运放工作。

3.LM324:
电路中除前置放大器核心器件采用AD620，均采用LM324, ±3V双电源供电。

第四章测试报告
测试目的：检测电路性能，是否达到设计要求指标
一．电路总体测试结果
1．差模增益：
右腿驱动和一端输入接地，另一端接10mV 电压，输出为10.4V. 1004==
Vid
Vod
Ad 2．共模增益：
右腿驱动接地，正负输入端共同接2V/20Hz 正弦信号，输出47mV 0235.0==
Vic
Voc
Ac 3. 静态工作点：
各级静态工作点均低于7mV 4．输入短路噪声：
将两输入端对地短路，测出输出电压
mV Vo 7=
V k
Vo
Vin μ697.0==
5．共模抑制比：
dB Ac
Ad
KCMRR 6.92lg
20== 6. 零点漂移：V1=2V,V2=1.9976V mV Kh
V V 014.02
1=-零点漂移＝ 6．输入阻抗：
将输出端接地，用万用表测两输入端间的电阻 双端：Ω=M Rin 74 单端：Ω=M Rin 33 7．输出阻抗：
将输入端对地短路，输出端接一个小电阻，利用分压法测出输出阻抗
Ω=.45Ro
8. 频带宽度：
低通截止频率测试结果为96.5Hz
高通用实验室信号发生器无法观察，通过输入方波和直流信号检测，起到隔直作用
二．各电路单元测试结果：
1. 前置放大：
(1).差模增益：输入10mV 电压，输入2.45V
245
01
.045
.2==
Ad (2).共模增益：输入2V 电压，输出21mV
0105.0=Ac
(3).共模抑制比:dB KCMRR 4.87= (4).静态工作点：各级小于1.5mV (5).输入短路噪声：
V mV
Vin μ12.6245
5.1==
2.三阶低通滤波电路： 截至频率：Hz f 2.104=
3.50Hz 陷波器：
V Vin 1=
（1）中心频率：Hz f 88.49= V Vo 044.0=
V Hz Vo 056
.0)50(= （2）陷波深度:04.25lg
20-=Vin
Vo
（3）频带宽度：46.8Hz ～53.2Hz
10
4.主放大：
（1）增益：173.4150626==mV
mV A （2）低通截止频率：Hz f 13.100=
三．测试总结：
本次电路比较好的部分有50Hz 陷波器，通过使用电阻的并联和电容的并联，达到较好的匹配，中心频率和品质因素都比较好。

不太好的部分是低通滤波的部分，因为使用三阶巴特沃思滤波器，引入比较多的100Hz 以上的干扰，但是通过加上最后的主放大中的低通滤波，整体效果有改善，但是仍然干扰引入较多。

另外就是前置中的无源滤波器，如果使用按照截止频率0.05Hz 选择的电容，存在零点漂移很严重，实验室老师说形成了电容充放电的现象，改变电容，消除了该现象，但是高通截止频率偏高。

第五章 结束语
本放大电路只是达到心电放大的基本要求，作为现代一个完整的心电图机，还需要记录，存储，以及分析部分等。

所以上述设计还不完善，但是过程中通过理论与实践的结合，进一步加深了对电路参数指标的理解。

随着后续课程的学习，我们也将可以对生物电检测电路进行更为完善的开发和设计。