《模擬電子技術基礎》課程設計-心電圖儀設計與制作

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　學生姓名： 專業(yè)班級： </p><p>　　指導教師： 工作單位： 信息工程學院 </p><p>　　題 目: 心電圖儀設計與制作</p>&

2、lt;p>　　初始條件：模擬電子技術基礎知識、會使用Multisim進行仿真分析.</p><p>　　要求完成的主要任務: </p><p>　　制作一路心電信號放大器，技術指標如下：</p><p>　　a．電壓放大倍數：1000，誤差： 5％；</p><p>　　b．－3dB低頻截止頻率：0.05Hz（可不測試，由電路設計予以保

3、證）；</p><p>　　c．－3dB高頻截止頻率：30Hz，誤差：5Hz；</p><p>　　d．頻帶內響應波動：在3dB之內；</p><p>　　e．共模抑制比： 60dB（含1.5m長的屏蔽導聯線，共模輸入電壓范圍：7.5V）；</p><p>　　f．差模輸入電阻： 5MΩ（可不測試，由電路設計予以保證）；</p>

4、<p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　指導教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p>

5、<p><b>　　摘 要3</b></p><p><b>　　Abstact4</b></p><p><b>　　引 言5</b></p><p>　　1 設計方案比較6</p><p>　　1.1 光電效應手指脈搏傳感器6</p>

6、<p>　　1.2 壓電陶瓷式脈搏傳感器7</p><p>　　1.3 銅片式脈搏傳感器7</p><p>　　2 單元電路設計9</p><p>　　2.1 前置放大部分9</p><p>　　2.2 帶通濾波電路12</p><p>　　2.3 后級放大電路13</p><

7、;p>　　3 仿真結果及分析14</p><p>　　3.1 前置放大電路部分仿真14</p><p>　　3.2 帶通濾波部分仿真14</p><p>　　3.3 放大部分仿真15</p><p>　　3.4 整體電路仿真16</p><p><b>　　4 總結18</b>&

8、lt;/p><p><b>　　5 元件清單19</b></p><p><b>　　6 參考文獻20</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文主要介紹了如何應用放大電路，抑制共模信號電路，低通濾波電路及后級放大電路設計簡易心電圖儀.本文還

9、介紹了心電信號的特點及其對放大電路的要求.對于具體的單元電路設計也做了簡要介紹.</p><p><b>　　Abstact</b></p><p>　　This paper mainly introduces how to apply the amplifier circuit and suppress common mode signal circuit,low-

10、pass filter circuit and after-class amplifier design simple Electrocardiograph.This article also describes the characteristics of ECG and its impact on amplifier requirements.With regard to the specific circuit design un

11、it also made a brief introduction.</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段.心電數據采集系統是心電圖檢查儀的關鍵部件. 如下圖所示,心電信號主要由P波、QRS波群、T波組成.正常P波的寬度不超過0.11s，最高幅度不超過2.5mm.正常人的QRS波群最高不超過0.10s。

12、而T波不應低于R波1/10.其主要頻率范圍為0.05~30HZ,幅度約為0~5mV,信號十分微弱.</p><p><b>　　心電信號圖</b></p><p>　　由于心電信號中通?；祀s有其它生物電信號,加之體外以50Hz工頻干擾為主的電磁場的干擾,使得心電噪聲背景較強,測量條件比較復雜.為了不失真地檢出有臨床價值的干凈心電信號,往往要求心電數據采集系統具有高精度

13、、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強抗干擾能力等性能.本文利用OP07芯片設計了一種符合上述要求的多路心電數據采集系統.</p><p><b>　　1 設計方案比較</b></p><p>　　1.1 光電效應手指脈搏傳感器</p><p><b>　　圖1-1</b></p><p>

14、;　　利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光電池.由于心臟的跳動,引起手指尖的微血管的體積發(fā)生相應的變化，當光通過手指尖射到硅光電池時,產生光電效應,這樣就把人體的脈搏轉換為相應于脈博的電信號, 方便檢測.</p><p>　　一級放大電路部分:采用運放LM324作為放大芯片,把指尖取出的極微弱的0.1uA～3 uA的電流放大約20倍.</p><p>　　昂二階低通濾波部

15、分: 按人體脈搏在最高跳動次數240 次/min 計算，據歸一化法設計低通放大器，-3dB截止頻率為14HZ.</p><p>　　電源部分采用電池供電.</p><p>　　其優(yōu)點是,電路結構簡單,易于制作.</p><p>　　但缺點是,光電效應手指脈搏傳感器價格貴,且入射光強太強時,會使輸出飽和.</p><p>　　此外,由于缺少陷波

16、部分的設計,50HZ的工頻信號會給電路帶來極大干擾,使輸出信號失真.</p><p>　　1.2 壓電陶瓷式脈搏傳感器</p><p><b>　　圖1-2</b></p><p>　　選用壓電陶瓷片HTD作為傳感器，把人體的脈搏震動轉換成為電信號輸入到放大整形電路的輸入端口. 其優(yōu)點是制作方便,但價格相對較貴.</p><

17、p>　　數據采集部分,用OP07這種具有一定精度的普通運算放大器來構建放大電路.</p><p>　　濾波部分選用數字濾波.數字濾波的優(yōu)點是參數可調節(jié)性好，可以通過更改程序中的參數對截止頻率進行精確的調節(jié).由于參數不會隨溫度等環(huán)境因素改變從而精確度得到保證，但是數字濾波對處理器的要求比較高，想要得到更好的濾波效果就要求濾波器取更高的階數，處理器時鐘周期盡可能小，乘法的計算速度盡可能大，一般非DSP處理器達不

18、到要求.</p><p>　　電源部分采用7805和7905輸出正負五伏直流電壓為運算放大器供電.</p><p>　　1.3 銅片式脈搏傳感器</p><p><b>　　圖1-3</b></p><p>　　銅片式脈搏傳感器的原理與壓電陶瓷類似,由于銅片的形變產生相應的電信號. 其優(yōu)點是價格低廉,但缺點是極易受到干擾

19、.</p><p>　　前置放大電路選用儀用放大器OP07作為前置放大器. 由于人體心電信號十分微弱,噪聲背景強且信號源阻抗較大,加之電極引入的極化電壓差值較大(比心電差值幅度大幾百倍),因此,通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能, OP07具有高輸入阻抗、低噪音、高精度、較高建立時間、低功耗等特性,而理論上其共模抑制比為無窮大,非常適合作為醫(yī)療儀

20、器前置放大器使用.</p><p>　　濾波部分選用OP07組成的二階帶通濾波器.其濾波效果比一階濾波明顯,又不像高階濾波會因為電阻電容累積誤差過大影響濾波效果.</p><p>　　后級放大部分用OP07做放大，電源部分采用正負12V直流電壓為運算放大器供電.</p><p>　　因此,綜合各種原因考慮,決定使用銅片式脈搏傳感器.</p><p

21、><b>　　2 單元電路設計</b></p><p>　　2.1 前置放大部分</p><p>　　因為接受的信號非常微弱，對于后級的信號處理和測量較難實現，所以在進行信號處理之前必須先對信號進行前置放大.對前置放大電路的要求是超低的噪聲，捕獲信號的能力較強（因為信號是非常微弱的），所以這就需要前放電路有很大的輸入電阻.那么根據這一要求，查資料比較之后，我選擇

22、了OP07這一芯片，該芯片的特點是雙電源供電，內部噪聲小.</p><p>　　對于前放有兩種接法，同相放大和反相放大兩種.下面分別討論.</p><p><b>　　(1)同相放大電路</b></p><p>　　對于同相放大電路，其基本電路示意圖如圖2-1所示：</p><p><b>　　圖2-1 同相輸

23、入</b></p><p>　　我們知道，理想的運算放大器有一個特點：輸入電阻無窮大.所以根據其示意圖可以看出，對于同相電路的接法，其輸入電阻即為運放的內阻，可是為無窮大，這樣電路捕獲信號的能力很強，適合作為前置放大.同時這樣做也就保證了輸入電阻>5M歐.</p><p><b>　　(2)反相放大電路</b></p><p>

24、;　　電路示意圖如圖2-2所示:</p><p><b>　　圖2-2 反相輸入</b></p><p>　　從該電路的特點我們可以看出，該電路的輸入阻抗可近似看成R1的阻抗，因為我們需要捕獲信號的能力很強，盡管可以增加R1來提高捕獲微弱信號的能力，但是要保證輸入電阻>5M歐的話，這樣大的電阻會帶來很大的熱噪聲，而且這樣也要求反饋電阻更大，進一步加大熱噪聲，這樣

25、非常不利于微弱信號的放大.</p><p>　　根據以上的比較，前放電路選擇了同相放大的電路形式.</p><p>　　前置放大電路設計電路如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 前置放大電路</p><p>　　這一級的放大倍數為A=1+R2/R1，選擇這一級放大倍數為50，由于芯片已經保證輸入電阻無窮大，所以R1可不取很大，取R

26、1=10K，那么R2就取490K.</p><p>　　2.2 帶通濾波電路</p><p>　　如圖2-4所示,帶通濾波由雙運放集成電路OP07構成.OP07具有高精度,低偏置,低功耗等特性,片內集成了兩個運放,可靈活組成各類放大和濾波電路.由于心電信號主要集中在0.05HZ到30HZ的頻帶范圍內,因此,采用OP07的兩個運放分別設計二階有源高通和低通濾波器組合成帶通濾波.OP07采用正

27、負12V直流電源供電.濾波部分的放大倍數為1. </p><p>　　圖2-4 帶通濾波電路</p><p>　　其中C3,C4,R1,R4構成二階高通濾波器,為了不損失心電信號的低頻成分,其截止頻率設計為f=0.05HZ.那么,w=2πf=0.31416rad/s. 選取電容C3=C4=22uF,則參數K=100/(fc)=90.9.查閱二階高通濾波器設計表并綜合壓控電壓源性能參數計

28、算公式w*w=1/( C3*C4*R1*R4)可得,選取,R1=100K,R4=200K即可.同樣,選取C1,C5,R2,R3構成低通濾波器.為了不損失其高頻成分,截止頻率設計為30HZ. 那么,w=2πf=188.496 rad/s. 由計算公式w*w=1/( C1*C5*R2*R3)可得,選取,C1=3.3 uF,C5=1uF,R2=2.6K,R3=4.7K即可滿足條件.</p><p>　　2.3 后級放大

29、電路</p><p>　　后級放大電路如圖2-5所示：</p><p>　　圖2-5 后級放大電路</p><p>　　由于前置放大部分選擇的放大倍數為50，所以這一級放大倍數選擇為20，后級放大使用反相放大電路，其電壓增益為A=R2/R1，取R1=10K,則R2取200K即可.</p><p><b>　　3 仿真結果及分析&l

30、t;/b></p><p>　　本實驗采用Multisim軟件進行仿真，仿真過程及分析如下.</p><p>　　3.1 前置放大電路部分仿真</p><p>　　仿真波形及幅值如圖3-1：</p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>　　輸入電壓峰值為4mV，而輸出電壓峰

31、值為399/2=199.5mV，計算得放大倍數為199.5/4=49.9，與設計時所預想的誤差非常小.</p><p>　　3.2 帶通濾波部分仿真</p><p>　　帶通濾波20HZ時波形如圖3-2：</p><p><b>　　圖3-2</b></p><p>　　此時輸出峰峰值810mV，而輸入峰峰值為800mV

32、，沒有失真，放大倍數幾乎為1，符合設定要求.</p><p>　　30HZ時波形如圖3-3：</p><p><b>　　圖3-3</b></p><p>　　可見30HZ時輸出峰峰值將為554mV，符合設計要求的-3dB時高頻截止幅值頻率30Hz，即800*0.7=560 mV.</p><p>　　由于1Hz以下頻率

33、太低，函數發(fā)生器不穩(wěn)定，無法正常測試，所以不再測試.</p><p>　　3.3 放大部分仿真</p><p>　　放大部分仿真波形如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 放大部分波形</p><p>　　輸入電壓峰值為200mV，輸出電壓峰值為8/2=4V，所以這一級放大倍數為4/0.2=20，與設計要求完全符合.</p>

34、;<p>　　3.4 整體電路仿真</p><p>　　將前置放大，帶通濾波，后級放大級聯，如圖3-5：</p><p>　　圖3-5 整體電路圖</p><p>　　輸入20Hz，峰值4mV(即峰峰值8mV)正弦信號，得到的輸出波形及參數如圖3-6：</p><p><b>　　圖3-6</b><

35、/p><p>　　輸入峰值為4mV(即峰峰值8mV)，而頻率為30Hz正弦波信號時，輸出波形及幅值如圖3-7：</p><p><b>　　圖3-7</b></p><p>　　可以看到，當信號頻率為20Hz時，輸出信號峰峰值為8.11V，計算放大倍數為8.11*1000/8=1013.75，誤差為1.375%，在5%誤差范圍內.</p>

36、;<p>　　當輸入30Hz信號時，輸出信號峰峰值為5.55V，-3dB截止頻率30Hz時峰峰值應為8*0.7=5.6V，誤差為0.89%.</p><p>　　至此,整套系統的模擬已經全部完成.</p><p><b>　　4 總結</b></p><p>　　心電系統的前向通路對目前面世的許多醫(yī)學儀器起著不可漠視的重要角色；這

37、相當于一個基石，沒有了它，很多心血管病人不能得到正確的診斷，所以當前對心電的研究是至關重要的.剛要做時，我覺得無法入手，經過長時間的對相關資料的了解，明白自己首要做的事情就是要了解心電信號的特點，因為心電信號輸出時的幅度不上5mV，那么選擇一個適合的放大器對設計是第一個要點，在課題的一步步設計下去，碰到的問題不少，如放大電路中芯片的選擇，在對比心電放大的各種要求才確定一個最方便、最實用的辦法.根據心電信號的特點，設計了一個二階帶通濾波器

38、來對信號進行濾波，也使我明白了多階濾波器的設計.</p><p><b>　　5 元件清單</b></p><p>　　函數發(fā)生器 一臺</p><p>　　示波器 一臺&l

39、t;/p><p>　　電阻 200K 2個</p><p>　　1K 10K 20K 490K 100K 2.6K 4.7K 各一個</p><p>　　電容 22uF 2個&l

40、t;/p><p>　　3.3uF 1uF 各一個</p><p>　　OP07AJ 4個</p><p>　　12V工作電源 8個&l

41、t;/p><p><b>　　6 參考文獻 </b></p><p>　　1．《模擬電子技術基礎》，吳有宇主編，伍時和、凌玲副主編，清華大學出版社</p><p>　　2．《電子技術基礎課程設計》，孫梅生等編著，高等教育出版社</p><p>　　3．《電工學》（第六版），姚金生 、鄭小利等編著，高等教育出版社</p&

42、gt;<p>　　4．《元器件》（修訂版），秦曾煌編著，電子工業(yè)出版社</p><p>　　5．《新型集成電路的應用--電子技術基礎課程設計》，梁宗善主編，華中科技大學出版社</p><p>　　本科生課程設計成績評定表</p><p>　　指導教師簽字： </p><p>　　2010年