心电信号采集模块的设计

医学仪器与设备课程设计题目：心电信号采集模块的设计

院系：电气工程学院

专业：生物医学工程

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时间：2008年12月29日——2009年1月6日

心电信号采集电路的设计

一、系统概述

心电信号采集模块组成：心电电极；导联线；缓冲放大器；威尔逊电阻网络；差动放大；低通滤波器；高通滤波器；50Hz陷波器；光电隔离器；增益可调电路；调零电路

(1)心电电极

生物电引导电极实际完成人体和测量系统之间的界面作用。为了把生物电信号引入信号处理模块中，引导电极必须具备电流的传导能力。在人体内，电流靠离子导电，而在测试系统内是电子导电。通过引导电极，把离子电流变为电子电流，所以电极实际上起了一个换能器的作用。提取心电信号，采用的是皮肤表面电极（体表电极）。

(2)导联线

此设计中心电采集模块由4个电极组成导联线，包括三个肢体电极和一个右腿接地（右腿驱动）电极。电极获取的心电信号仅为毫伏级，所以导联线均用屏蔽线。

导联线的芯线和屏蔽线之间有分布电容存在（约100pF/m），为了减少电磁感应引起的干扰，屏蔽线可直接接地，但这样会降低输入阻抗。也可以采用屏蔽驱动，这样可减少共模误差和不降低输入阻抗。

(3)缓冲放大器

缓冲放大器保证心电放大器的高输入阻抗要求，起到阻抗变换作用。生物信号源本身是高内阻的微弱信号源，通过电极提取又呈现出不稳定的高内阻源性质。不稳定性将使放大器电压增益不稳定。放大器的输入阻抗应至少大于1MΩ。

(4)威尔逊电阻网络

威尔逊电阻网络是按照标准十二导联心电图定义组成的电阻网络。

(5)差动放大

差动放大是心电前置放大的主要部分，和缓冲放大器一起组成心电图前置放大。差动放大的作用是将幅度仅为毫伏级的微弱心电信号进行放大。同时必须有高抗干扰能力，即具有高共模抑制比。

(6)低通滤波器

心电信号的高频响应界限为100Hz，由100Hz低通滤波器完成。

(7)高通滤波器

心电信号的低频响应界限为0.05Hz，由0.05Hz高通滤波器完成。

(8)50Hz陷波器

50Hz陷波器用于加强滤除50Hz干扰。有的心电图机还设有40Hz低通滤波器用于滤除肌电干扰。

(9)光电隔离器

生物电放大器必须采用隔离技术，也就是与生物体接触的前置放大级采用浮地（或者浮置）放大器，这样一方面可提高放大器抑制干扰能力，更重要的可保证测量安全。信号从浮地部分传递到普通接地部分，两部分之间没有电路直接联系。

(10)增益可调放大和调零电路

光电隔离以后还需要增益调节和调零，使最后输出的心电信号频率范围为0.05~100Hz，此设计中标准增益为800。

(11) 导联屏蔽线驱动和右腿驱动电路

人体本身通过各种渠道从环境中拾取工频50Hz的交流电压，在心电放大中形成交流共模干扰，这种交流共模干扰常在几伏以上，远大于心电信号。为了消除这一交流共模干扰，一般采用导联屏蔽线驱动和右腿驱动电路。

二、系统设计框图：

三、系统原理与电路图

(1)缓冲放大级：

缓冲级

输入缓冲放大器由4个运算放大器所组成。信号输入端设计有限幅保护电路。

用双向并联二极管（D1和D2），进而使缓冲放大器两输入端之间的电压不超过±15.7V（电源电压为±15V，二极管导通电压0.7V），起低压保护作用。

22kΩ电阻同时具有限电流保护作用，限制流入人体的电流最大为缓冲放大器的阻抗变换作用既满足生物信号源对放大器的高输入阻抗的要求，又使其后的威尔逊电阻网络的电阻值可以适当取小些，为后级放大设计带来方便。缓冲级作为前置放大的第一级电路，除了应具有高输入阻抗外，还要求有低噪声性能；并且应使各个缓冲放大器具有相同的CMRR值，以使整个缓冲级获得高共模抑制比。

(2)威尔逊电阻网络：

RA右上肢

威尔逊电阻网络

威尔逊电阻网络用于实现符合标准十二导联心电图要求的电阻连接，包括标准双极性肢体导

联和单极性增广肢体导联。

A)标准双极性肢体导联（I 、II 、III ）：

心脏活动时传导到右手、左手和左脚的心电电位分别是UR ，UL 和UF ，那么第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联的组合原理可由下式表达： I=UL-UR II=UF-UR III=UF-UL

B)单极性增广肢体导联（a VR ，a VL 和a VF ）：

戈德伯杰（Goldberger ）对电阻网络进行了改进，在测定爱氏三角形某一顶点的心电信号时，去掉这一顶点到威尔森中心点的连接电阻，其他条件不变。 用这种网络所获取的心电图叫做单极肢体导联心电图，即通常所说的增压肢体导联，分别叫做aVR ，aVL 和aVF 。单极肢体导联的组合原理可用下式表达：

(3)差动放大级

U1

AD620AN

3

2

6

7

1

8

54

R15kΩXSC1

A

B

Ext Trig

+

+_

_

+_

XFG1

15V

VEE -15V

仪用放大AD620

心电信号送入差动放大级进行放大。差动放大担负去掉共模干扰电压和放大心电信号的任务。为了提高信噪比，保证信号质量，它应具有足够高的增益和较高的共模抑制比CMRR ，后级电路应不破坏低噪声性能。

此级电压增益为A1=1+49.5k Ω/5k Ω=11。

()()()⎪

⎩⎪⎨⎧+-=+-=+-=222R L F F F R L L F L R R U U U aV U U U aV U U U aV