畢業(yè)設(shè)計---基于atmega16的家用心電監(jiān)測儀的研究設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本課題主要設(shè)計一個基于Atmega16的家用心電監(jiān)測儀的研究設(shè)計。根據(jù)人體心電信號的特征，設(shè)計心電信號采集系統(tǒng)，完成實時心電監(jiān)測的功能。</p><p>　　本系統(tǒng)通過硬件電路實現(xiàn)了對心電信號實時的采集和處理，并將模擬的心電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入主控單元，從而實現(xiàn)了心電信息的實時顯示、存儲、打印、報

2、警等功能。</p><p>　　本設(shè)計選用具有低功耗的16位單片機Atmega16作為中央處理系統(tǒng)，通過心電傳感器，從人體連續(xù)取得心電信號，經(jīng)過專門的信號處理電路進行處理后送入中央處理系統(tǒng)，中央處理系統(tǒng)通過分析、處理，檢測出病人的心電信號，并與正常的心電信號比較，對采集的心電信號進行實時分析、檢測及記錄，并選取大容量Flash存儲器對采集處理后的心電信號進行存儲。同時，監(jiān)測儀帶有液晶顯示器，能實時顯示所檢測的心電

3、信號。當病人出現(xiàn)緊急的心電癥狀時，其特有的報警功能可以及時的發(fā)出報警，便于及時的對病人進行救治。該系統(tǒng)還可以打印出心電波形供醫(yī)務人員分析病情時參考，及時準確的采取治療措施，制定治療方案。</p><p>　　該監(jiān)測儀能長期、連續(xù)、可靠、穩(wěn)定的工作，同時還具有體積小、存儲容量大、功耗低、實時顯示等特點，便于隨身攜帶，使用方便，操作簡單。</p><p>　　關(guān)鍵詞 心電監(jiān)測 心電監(jiān)測儀

4、 心電傳感器 信號處理電路</p><p>　　Title: The design of household ECG monitor</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The topics mainly based Atmega16 household ECG monitor research and

5、design. According to the characteristics of the human ECG, design ECG acquisition system,in real-time ECG monitoring function.</p><p>　　This system has realized through the hardware circuit to heart signal r

6、eal-time gathering and processing, and will simulate the heart signal transforms the digital signal to send in the master control unit, thus has realized the function of heart information's real time display, memory,

7、 printing, alarming, etc.</p><p>　　This design uses a low-power 16-bit microcontroller Atmega16 as the central processing system, through ECG sensor, from the human body to obtain a continuous ECG signal, by

8、 a dedicated signal processing circuit after being fed into the central processing system, the central system analysis, processing to detect the patient's ECG signal, by comparison with a normal ECG, to achieve real-

9、time detection, analysis, selected records, select a high-capacity Flash memory to store the acquisition of the </p><p>　　The monitor can long-term, continuous, reliable, stable job, and has a small size, la

10、rge storage capacity, low power consumption, real-time display and other features, easy to carry, easy to use, easy to operate.</p><p>　　Keywords ECG monitoring ECG monitor ECG sensor Signal processing c

11、ircuit</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 本課題提出的意

12、義和目的1</p><p>　　1.1.1本課題提出的意義1</p><p>　　1.1.2本課題提出的目的2</p><p>　　1.2 心電監(jiān)測儀的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3 人體心電信號的特點5</p><p>　　1.4 本課題的設(shè)計要求及研究內(nèi)容5</p><

13、p>　　1.4.1 本課題的設(shè)計要求5</p><p>　　1.4.2 本課題的研究內(nèi)容6</p><p>　　第二章 整體方案設(shè)計7</p><p>　　2.1系統(tǒng)整體方案的確定7</p><p>　　2.2各模塊方案的確定7</p><p>　　第三章 硬件電路的設(shè)計10</p>&

14、lt;p>　　3.1中央處理系統(tǒng)的設(shè)計10</p><p>　　3.2信號采集電路的設(shè)計12</p><p>　　3.2.1心電傳感器的設(shè)計12</p><p>　　3.2.2右腿驅(qū)動電路的設(shè)計13</p><p>　　3.3前置放大電路的設(shè)計14</p><p>　　3.3.1前置放大電路的要求14

15、</p><p>　　3.3.2前置放大器的設(shè)計15</p><p>　　3.4高通濾波電路的設(shè)計17</p><p>　　3.5低通濾波電路的設(shè)計18</p><p>　　3.6 50Hz陷波電路的設(shè)計19</p><p>　　3.7后置放大電路的設(shè)計21</p><p>　　3.8

16、 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計22</p><p>　　3.9打印電路的設(shè)計25</p><p>　　3.10存儲器的設(shè)計27</p><p>　　3.11顯示電路的設(shè)計28</p><p>　　3.12鍵盤電路的設(shè)計29</p><p>　　3.12.1按鍵開關(guān)的抖動問題30</p><p&g

17、t;　　3.12.2鍵盤與單片機的連接30</p><p>　　3.13報警電路的設(shè)計32</p><p>　　3.14穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計32</p><p>　　3.14.1穩(wěn)壓電源的組成32</p><p>　　3.14.2電源電路的設(shè)計33</p><p>　　第四章 軟件設(shè)計35</p>

18、<p>　　4.1軟件設(shè)計的要點35</p><p>　　4.1.1相鄰兩個心電波間隔時間的取得35</p><p>　　4.1.2瞬時心率值的存儲方式35</p><p>　　4.1.3心率值的顯示方式35</p><p>　　4.1.4報警的處理方法35</p><p>　　4.1.5打印的

19、波形和數(shù)據(jù)36</p><p>　　4.2系統(tǒng)部分程序設(shè)計36</p><p>　　4.2.1主程序的設(shè)計36</p><p>　　4.2.2數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計37</p><p>　　4.2.3數(shù)據(jù)顯示子程序的設(shè)計38</p><p>　　4.2.4打印子程序的設(shè)計39</p><p

20、>　　4.2.5存儲子程序的設(shè)計40</p><p><b>　　結(jié) 論42</b></p><p><b>　　致 謝43</b></p><p><b>　　參考文獻44</b></p><p><b>　　第一章 緒論 </b>

21、;</p><p>　　本課題提出的意義和目</p><p>　　1.1.1本課題提出的意義</p><p>　　生物電現(xiàn)象是生命活動的基本屬性，它幾乎在機體的一切生命過程中都伴隨生物電的產(chǎn)生。人體的各種生物電的研記錄已經(jīng)成為了解人體各器官的功能、臨床診斷、治療的可靠依據(jù)。</p><p>　　心臟本身的生物電變化通過心臟周圍的導電組織和體液

22、，反映到身體表面上來，使身體各部位在每一心動周期中也都發(fā)生有規(guī)律的電變化活動。將測量電極放置在人體表面的一定部位記錄出來的心電變化曲線，就是目前臨床上常規(guī)記錄的心電圖(用ECG表示)。也就是說，心電圖是從體表記錄的心臟電位隨時間變化而變化的曲線,它可以反映出心臟興奮的產(chǎn)生、傳導和恢復過程中的生物電位變化[28]。</p><p>　　心血管疾病是一種較為普遍的疾病，隨著生活節(jié)奏的加快，生活水平和健康意識的提高，人

23、們需要隨時對心臟進行健康監(jiān)護并且能在比較危急的情況下進行及時的診治；同時，如果長期住在醫(yī)院里進行監(jiān)護和治療，那樣花費高而且也給醫(yī)院帶來了不小的門診壓力。心電監(jiān)測儀是診斷心臟病的重要儀器之一，目前市場上有多種心電監(jiān)測儀，但是這些心電監(jiān)測儀都不太適合在家庭中使用。為此，一種能夠在家庭中應用、操作簡單、價格便宜的家用心電監(jiān)測儀的設(shè)計方案應運而生。</p><p>　　心電監(jiān)測分為心律（節(jié)律）監(jiān)測和心率（速率）監(jiān)測。所謂

24、心律，是指心跳的規(guī)律性，即每一次心跳與下一次心跳的周期間隔是否相等；所謂心率，是指心臟每分鐘跳動的次數(shù)，心律和心率是兩個完全不同的概念。危重病人ECG監(jiān)測，是對心臟節(jié)律監(jiān)測最有效的手段。通過監(jiān)測，可發(fā)現(xiàn)心臟節(jié)律異常，各種心律紊亂，如房性、室性早搏，心肌供血情況、電解質(zhì)紊亂等[2]。</p><p>　　目前，國內(nèi)外的心電檢測產(chǎn)品，大多是應用于大型醫(yī)院的、價格昂貴的大型檢測設(shè)備。而Holter雖然體積小，但價格不菲

25、，并且必須到指定醫(yī)院才能看到心電圖形。甚至一些衛(wèi)生站也無法負擔這些復雜昂貴的醫(yī)療設(shè)備。出于人們對醫(yī)療保健的需求日益提高，心臟保健也越來越體現(xiàn)出其重要性。由于心電信號的分析有其經(jīng)驗性的本質(zhì)特點，一般人群無法對心電信號進行分析，必須要有有經(jīng)驗的醫(yī)生來診斷。因此，心電監(jiān)護在臨床診斷和治療上不可或缺，而家用心電監(jiān)護儀的研究不僅解決了以上的問題，也使心電監(jiān)護更方便快捷準確，便于普及，降低突發(fā)性心臟病帶來的危險，也使心臟病人更放心健康的生活。<

26、;/p><p>　　本課題所研究的儀器具有便于攜帶、低功耗等特點，可以長時間工作，非常適合家庭醫(yī)療保健。醫(yī)生可以讀取，并在PC上顯示心電波形，進一步對患者的病情進行診斷，使得醫(yī)院之外監(jiān)護成為可能，解決了大型心電監(jiān)護儀在家庭醫(yī)療保健中存在的價格、缺少實時性分析等問題，緩解了醫(yī)院監(jiān)護的壓力。</p><p>　　總之，該便攜式、低功耗心電信號處理儀可為我國的家庭醫(yī)療保健做出重要貢獻。</p&

27、gt;<p>　　1.1.2本課題提出的目的</p><p>　　臨床心電監(jiān)測的直接目的是及時發(fā)現(xiàn)、識別和確診各種心律失常，最終的目的是對各種致命性心律失常進行及時有效的處理，減低心律失常猝死率。具體說來，臨床心電監(jiān)測具有以下目的：</p><p>　　1、及時發(fā)現(xiàn)和診斷致命性心律失常</p><p>　　這是設(shè)立心電監(jiān)測的主要目的，也正是因為開始了心

28、電監(jiān)測時代，才使得近年來急性心肌梗死和其他危重心臟病人的心律失常猝死率明顯下降。</p><p>　　2、及時發(fā)現(xiàn)和指示致命性心律失常的先兆</p><p>　　通過動態(tài)觀察心律失常的發(fā)展趨勢和規(guī)律，可預示致命性心律失常的發(fā)生。例如，當急性器質(zhì)性心臟病人出現(xiàn)進行性增加的高危險性室性早搏時，應警惕和預防隨后可能出現(xiàn)的致命性惡性心律失常。</p><p>　　3、指導臨

29、床抗心律失常治療</p><p>　　通過心電監(jiān)測可確定心律失常的類型和程度，有助于選擇抗心律失常治療的方法和時機，同時，還能有效評價這些治療措施的療效和副作用。</p><p>　　4、指導其他可能影響心電活動的治療</p><p>　　當其它非心律失常治療措施有可能影響到病人的心電活動時，可采用心電監(jiān)測方法加以指導。</p><p>　　

30、5、協(xié)助涉及臨床心電活動的研究工作</p><p>　　包括評價各種心血管疾病和治療對病人心電活動的影響等。</p><p>　　心電監(jiān)測儀的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　經(jīng)過近50年的發(fā)展，動態(tài)心電圖儀已經(jīng)成為臨床上一種不可缺少的醫(yī)用電子儀器，它的主要價值是用以發(fā)現(xiàn)并記錄在通常短暫心電檢查是不易發(fā)現(xiàn)的、日常活動時發(fā)生的心電圖異常，為臨床診斷提供依據(jù)。具有可以

31、隨身攜帶，不受檢測距離影響，不受體位變化及活動的限制的特點。目前，國內(nèi)外臨床應用的主要是3導聯(lián)和12導聯(lián)心電圖儀。近年來，第5-6代3導聯(lián)心電儀和第2-3代12導聯(lián)心電儀，不僅硬件先進，軟件設(shè)計合理，而且自動分析功能越來越強大、全面。除具有心率變異性、Q-T間期、Q-T離散度心室晚電位分析外，還具有T波分析、動態(tài)血壓同步檢測、心電監(jiān)護和起搏分析等功能。如Mortar公司的12導聯(lián)心電圖儀，ST段分析精確達到μV級，獨有的ST與HRV相關(guān)

32、分析與動態(tài)血壓同步測定等，美國DMS公司的第二代高性能12聯(lián)心電圖儀，除具有各種心律失常軟件外，獨有P波分析功能，12導聯(lián)ST段維彩色超視圖，率先在Q-T間期離散度分析上提出具有實用性很高的色譜理論、高性能起搏分析功能，將心率變異性的時域、頻率分析用于阻塞性睡呼吸暫停綜合征的篩選和診斷；美國Preideal Instrument公司生產(chǎn)的3通心電圖儀，能準確地對起搏信</p><p>　　近年來,心臟病的發(fā)病率和

33、致死率都有不斷增高的趨勢。由于其具有突發(fā)性、短暫性和危險性的特點,要防治心臟病就必須對患者的心電進行長時間實時檢測,而遠程醫(yī)療、社區(qū)護理正是解決這一問題的有效辦法。</p><p>　　最早出現(xiàn)的是基于PSTN (公共電話交換網(wǎng))的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng),利用modem進行“點對點”方式的心電數(shù)據(jù)傳輸。這種方式雖然可靠性較高,但是對每一個患者需要提供一條電話線,在患者較多時就可能無法及時進行監(jiān)護,存在著一定的安全隱患。

34、為解決這一問題,后來又出現(xiàn)了基于以太網(wǎng)接口,利用Internet進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，由于采用了TCP/IP協(xié)議,實現(xiàn)了監(jiān)護中心對多個患者數(shù)據(jù)的同時接收和監(jiān)護。但是,由于固定電話終端和互聯(lián)網(wǎng)接口都并非隨處可見,為了保證監(jiān)護的效果,就必須限制患者的活動范圍,給患者的生活帶來很多不便。</p><p>　　隨著移動通訊產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,各種無線遠程監(jiān)護系統(tǒng)相繼出現(xiàn),終于使患者可以不再受時間、地域的限制,隨時隨地得到監(jiān)護。

35、早期出現(xiàn)了利用衛(wèi)星電話傳輸心電信息的系統(tǒng),但是價格過于昂貴。2000年前后,又出現(xiàn)了使用GSM modem或帶紅外接口的手機作為通訊載體的監(jiān)護系統(tǒng)。但由于GSM方式的最大數(shù)據(jù)傳輸速度只有9600bps,這些系統(tǒng)大都采用壓縮或者選擇性發(fā)送的方式來傳輸心電數(shù)據(jù),功能受到一定的限制,而且同樣存在著監(jiān)護中心不能同時接收多個患者數(shù)據(jù)的問題。同時,由于患者可以隨意移動,就要求在危急情況下能夠馬上確定患者的位置,而現(xiàn)有的無線監(jiān)護系統(tǒng)都沒有定位功能。&

36、lt;/p><p>　　此外,大多數(shù)現(xiàn)有的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)還有一個共同的不足,就是沒有獨立的自動判病和報警的功能,需要患者在感覺不適時手動記錄或者發(fā)送心電數(shù)據(jù),再由醫(yī)生診斷后做出處置。但是,有些心律失常并不伴隨明顯的身體不適,患者可能因疏忽而貽誤救治的時機。患者最需要的就是在發(fā)生心律失常時能立刻得到提醒,根據(jù)病情采取相應的措施,及時控制病情的發(fā)展，因此具有實時報警功能的家用心電監(jiān)測儀的研制將解決現(xiàn)有系統(tǒng)的不足。<

37、;/p><p>　　近年來國內(nèi)醫(yī)療儀器公司也紛紛轉(zhuǎn)向12導聯(lián)動態(tài)心電圖儀分為以下幾種類型：</p><p>　　1、國產(chǎn)化(自主研制開發(fā))12導聯(lián)AECG儀：西安藍港公司研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第一代3導聯(lián)心電圖以后，有心電圖儀，記錄器具有顯示屏，可以觀察心率失常及ST-T改變等情況。</p><p>　　2、與著名國外廠家共同研制：美高儀公司和美國DMS導聯(lián)心電圖儀，

38、具有透明視窗裝置，以液晶屏顯示動態(tài)心電警和錄取功能，即把動態(tài)心電圖與監(jiān)護心電圖有機的結(jié)合成顯示12個導聯(lián)的心電圖?？煞謩e顯示3個導聯(lián)的動態(tài)心電圖。</p><p>　　3、經(jīng)銷國外名牌產(chǎn)品：這些產(chǎn)品都結(jié)合我國的國情，改和漢化處理，開發(fā)出中英文雙界面，為基層醫(yī)院提供了方便。</p><p>　　4、進口器件改進儀器：長春時代數(shù)碼有限公司，首家推出SDD系列心電圖儀，使用windows2003

39、，分析用1.5V中央處理器、最新電子U盤記錄盒、USB2.0三大最新技術(shù)，僅用一節(jié)五號電池就能記錄48乃至72h心電圖[29]。</p><p>　　此外，一些研發(fā)能力雄厚的公司，已經(jīng)研制出功能齊全的第二代12導聯(lián)心電圖儀并應用與臨床，成為診斷冠心病、分析心率失常最為實用的無創(chuàng)性檢測方法?；谇度胧较涤昧水斀竦木W(wǎng)絡(luò)、電話線、GPRS、藍牙等通信技術(shù),使醫(yī)院之外的心電監(jiān)護變得更加方便和快捷。</p>

40、<p>　　總之，隨著電子技術(shù)、軟件技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，心電圖儀的研發(fā)必定會結(jié)合最新技術(shù)，不斷更新功能和提高自動分析能力，朝著長時間、大容量、高精度、多功能(HRV、RDV、心電監(jiān)護、動態(tài)血壓同步檢測等)、小型化和低成本的方向發(fā)展。</p><p><b>　　人體心電信號的特點</b></p><p>　　心電信號屬生物醫(yī)學信號，具有如下特點：<

41、;/p><p>　　(1)信號具有近場檢測的特點，離開體表微小的距離，就基本上檢測不到信號。</p><p>　　(2)心電信號通常比較微弱，一般只有5mV。</p><p>　　(3)屬低頻信號，頻譜范圍為0.05～100Hz，且能量主要集中在0.5～20Hz。</p><p>　　(4)干擾特別強。干擾既來自生物體內(nèi)，如肌電干擾、呼吸干擾等；

42、也來自生物體外，如工頻干擾、信號拾取時因不良接地等引入的其他外來干擾等[5]。</p><p>　　(5)干擾信號與心電信號本身頻帶重疊(如工頻干擾等)。</p><p>　　(6)不穩(wěn)定性，人體與外界有密切的聯(lián)系，且內(nèi)部各器官間存在相互影響，所以，無論來自外部或內(nèi)部的刺激，都會使人體心電信號發(fā)生相應的變化。</p><p>　　(7)隨機性，人體心電信號是反映人體

43、機能的信號，它是整個人體系統(tǒng)信息的一部分。由于人體的不均勻性以及可接收多通道輸入，信號易隨外界干擾而變化，從而使心電信號表現(xiàn)出隨機性 [6]。</p><p>　　本課題的設(shè)計要求及研究內(nèi)容</p><p><b>　　本課題的設(shè)計要求</b></p><p>　　為了實現(xiàn)心臟的健康監(jiān)護和家庭門診，家用心電監(jiān)測儀應實現(xiàn)以下基本功能：</p

44、><p>　　抗干擾能力強，由于人體的心電信號具有隨機性、不穩(wěn)定性等特點，又有來自各方面的干擾，因此，心電監(jiān)測儀要具有很強的抗干擾能力，能正確的采集到心電信號，完成后續(xù)的處理；</p><p>　　操作簡單，體積小，重量輕，攜帶方便；</p><p>　　利用外部存儲器將需要存儲的心電信息保存，便于患者在就醫(yī)時回顧病情，作為診斷的參考；</p><p

45、>　　利用液晶顯示系統(tǒng)實時顯示心電波形；</p><p>　　利用打印機將心電圖打印存檔，心電監(jiān)測儀不僅可以利用外部存儲器對心電信息進行存儲，也可以在數(shù)據(jù)回顧時打印患者的心電波形，便于直觀的了解心電信息； </p><p>　　重病報警，當病人發(fā)生心律失常或其他危重病情時，監(jiān)測儀會自動發(fā)出報警，便于及時的對病人采取搶救措施。</p><p><b>

46、　　本課題的研究內(nèi)容</b></p><p>　　信號采集電路的設(shè)計，選取心電傳感器提取人體的心電信號；</p><p>　　信號處理電路的設(shè)計，對采集的心電信號進行放大和濾波等操作；</p><p>　　模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，將模擬的心電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入主控單元；</p><p>　　存儲電路的設(shè)計，完成對心電信息的存儲及

47、數(shù)據(jù)回顧；</p><p>　　打印機的選擇及其驅(qū)動電路的設(shè)計，實現(xiàn)對心電波形和信息的打印功能；</p><p>　　主控芯片的選擇和設(shè)計，主控芯片要對采集的心電信息進行處理和判斷，從而完成實時顯示、存儲、打印和報警等功能；</p><p>　　電源驅(qū)動電路的設(shè)計，設(shè)計穩(wěn)壓電源，提供±15V、±12V和5V電源；</p><p

48、>　　重病報警電路的設(shè)計，當病人發(fā)生心律失常時能立刻得到提醒。</p><p>　　第二章 整體方案設(shè)計</p><p>　　2.1系統(tǒng)整體方案的確定</p><p>　　家用心電監(jiān)測系統(tǒng)總體上說是一個智能化的信號采集處理系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)上主要由完成人體心電信號采集、濾波放大的前端硬件電路部分和完成數(shù)據(jù)分析和診斷的中央處理系統(tǒng)構(gòu)成，這兩部分協(xié)調(diào)配合工作完成整個系統(tǒng)

49、功能。系統(tǒng)的整體框圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖</p><p>　　由圖可知，該系統(tǒng)的前端硬件電路由信號采集電路、信號處理電路，以及系統(tǒng)電源部分組成。信號采集電路通過心電傳感器采集心電信號；信號處理電路包括前置放大電路、高通濾波電路、低通濾波電路、50Hz陷波電路和后置放大電路，主要完成心電信號的放大和濾除干擾等功能；系統(tǒng)電源部分為系統(tǒng)提供±

50、15V、±12V和5V直流電源。同時，完成數(shù)據(jù)分析和診斷分析的中央處理系統(tǒng)由單片機實現(xiàn)，單片機對采集到的數(shù)字信號進行壓縮以及顯示、存儲、打印等處理，使整個系統(tǒng)具有智能化的特點，并且，當病人心律發(fā)生異常時具有報警功能。 </p><p>　　2.2各模塊方案的確定</p><p><b>　　1.信號采集電路</b></p><p>　

51、　信號采集電路主要由心電傳感器組成，本設(shè)計通過電極片和導聯(lián)線提取人體心電信號，即生物電引導電極。生物電引導電極是完成人體和測量系統(tǒng)之間的界面作用。用電極引導生物電接地,與電極直接接觸的是電解質(zhì)溶液,如導電膏,人體汗液或組織液。因而形成一個金屬-電解質(zhì)溶液界面,產(chǎn)生一定的電位差。通過取得的電位差提取人體的心電信號。</p><p><b>　　2.信號處理電路</b></p>&

52、lt;p>　　由于人體心電信號十分微弱，常見的心電頻率一般在0.05～100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近，幅度小于5mV。同時，在檢測心電信號的同時存在強大的干擾，主要有電極極化電壓引起的基線漂移，電源工頻干擾(50Hz)，肌電干擾(幾百赫茲以上)。電源工頻干擾主要是以共模形式存在，幅值可達幾伏甚至幾十伏，所以心電放大器必須具有很高的共模抑制比。電極極化電壓引起基線漂移是由于測量電極與生物體之間構(gòu)成化學半電池而產(chǎn)生的直流電

53、壓，最大可達300mV，因此心電放大器的前級增益不能過大，而且要有去極化電壓的RC常數(shù)電路。由于信號源內(nèi)阻可達幾十千歐、乃至幾百千歐，所以，心電放大器的輸入阻抗必須在幾兆歐以上，而且 CMRR也要在60dB以上。 由此可知，心電前置放大電路應具有高共模抑制比、高輸入阻抗、高輸出阻抗等特點。大部分心電信號都要輸入單片機進行處理，一般要求幅值約為5V，即放大器的放大倍數(shù)約為1000倍。因此信號處理電路由前置放大器、高通濾波電路、低通

54、濾波電路、50Hz陷波器和后置放大電路組成，實現(xiàn)對心電信號的放大和濾波。</p><p>　　3.模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路 </p><p>　　本系統(tǒng)中,需要將心電信號進行存儲,然而微處理器無法對模擬信號進行處理,必須把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,然后再送到微處理器進行數(shù)據(jù)處理。能夠變模擬量為數(shù)字量的器件稱作模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡稱A/D轉(zhuǎn)換器)。</p><p>　　ADC芯片型號很

55、多，在精度、速度和價格方面千差萬別，較為常見的主要是逐次逼近型和雙積分型，還有電壓-頻率變換型（V/F變換器）。</p><p>　　雙積分型ADC的介紹。雙積分型ADC，一般精度高，對周期變化的干擾信號積分為零，因而具有抗干擾性好、價格便宜等優(yōu)點，但轉(zhuǎn)換速度慢，速度在幾十毫秒到十幾毫秒之間。</p><p>　　逐次逼近型ADC的介紹。逐次逼近型ADC，轉(zhuǎn)換速度高，精度較高，價格較高[1

56、5]。</p><p>　　心電信號的提取過程中最大的干擾就是50Hz的工頻信號，雙積分型ADC對周期變化的干擾信號有很好的抑制作用，所以雙積分型ADC是一個很好的選擇，但是心電信號的頻率范圍在0.05Hz到100Hz之間，根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少在250Hz以上才能保證信號的不失真，即采樣的時間間隔不得大于5ms，然而雙積分型ADC的采樣間隔最短也只能在十幾毫秒的數(shù)量級，所以無法滿足要求。逐次逼近型ADC的轉(zhuǎn)

57、換速度最高能達到幾十微妙的數(shù)量級，所以完全能夠滿足要求。因此本設(shè)計采用了逐次逼近型ADC。</p><p><b>　　4.存儲電路 </b></p><p>　　存儲器種類比較多，比如：靜態(tài)RAM 6264。6264的存儲容量為8K字節(jié)，與微處理器的接口形式是并行的，有13根地址線、8根數(shù)據(jù)線，封裝為DIP28。</p><p>　　存儲器A

58、T24C64。AT24C64為EEPROM，存儲容量達8K字節(jié)，采用I2C總線結(jié)構(gòu)，與微處理器連接需要兩個I/O口，封裝為DIP8[11]。</p><p>　　兩者比較一下，靜態(tài)RAM 6264，由于采用了并行接口的形式，使得它的體積與采用I2C總線結(jié)構(gòu)的AT24C64相比要大很多，出于這方面考慮，選擇了體積更小的AT24C64 EEPROM。然而AT24C64還具有其它的優(yōu)點,在兩個I/O口上，可同時接8個I

59、2C總線結(jié)構(gòu)的EEPROM，可方便的提高系統(tǒng)的存儲容量，最高可到512K字節(jié)。AD轉(zhuǎn)換每4ms轉(zhuǎn)換一次，在進行下一次轉(zhuǎn)換前必須將數(shù)據(jù)存儲起來，這就要求存儲器的寫時間不能超過4ms，而AT24C64的CLOCK最高頻率可達400kHz，進行一次一個字節(jié)寫操作需要90ns，進行一次一個字節(jié)讀操作需要110ns，這完全可以滿足系統(tǒng)的要求。因此本設(shè)計采用了AT24C64存儲器對心電信號進行存儲。</p><p>　　第三

60、章 硬件電路的設(shè)計</p><p>　　3.1中央處理系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　家用心電監(jiān)測儀要求智能化、小型化，要實現(xiàn)的功能對控制器提出很高的要求。</p><p><b>　　1．速度要快</b></p><p>　　由于心電信號的頻率在0.05～100Hz的范圍內(nèi)，在采樣間隔的時間內(nèi)，單片機要進行大量的工作，

61、如：采樣數(shù)據(jù)的預處理，數(shù)據(jù)壓縮的實現(xiàn)，各種中斷的響應處理，各種監(jiān)控的實現(xiàn)等。要在很短的時間內(nèi)完成如此大量的工作，且要讓單片機有相當多的時間進入低功耗狀態(tài)，所以對單片機的速度要求比較高。</p><p><b>　　2．I/0接口</b></p><p>　　設(shè)置按鍵，進行人機交互以及對外執(zhí)行控制功能等都要通過普通I/0口與單片機通訊，所以I/0口數(shù)目要多。</p

62、><p><b>　　3．中斷口及其他</b></p><p>　　心電監(jiān)測儀可響應重病報警、按鍵兩種外部硬件中斷，所以單片機的中斷口至少需要2個。</p><p>　　因為心電監(jiān)測儀要進行心電數(shù)據(jù)的實時預處理和自動分析，算法復雜，所以待選單片機要有較強的指令功能和數(shù)據(jù)處理能力。龐大的心電數(shù)據(jù)需要大容量的數(shù)據(jù)存儲器，所以要求待選單片機的數(shù)據(jù)區(qū)要大，

63、且容易擴展，還需有2個以上的定時/計數(shù)器。</p><p>　　基于上述的要求，本設(shè)計選用Atmega16作為中央處理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和診斷等功能。</p><p>　　Atmega16單片機是8位AVR系列微處理器，它是ATMEL公司新推出的90系列單片機，內(nèi)含高速閃存FLASH,是基于增強精簡指令RISC結(jié)構(gòu)的單片機，該系列單片機在吸收PIC及8051單片機的優(yōu)點的基礎(chǔ)上，做出了重

64、大的改進。</p><p>　　Atmega16單片機具有如下的特點：</p><p><b>　　1.速度快</b></p><p>　　Atmega16單片機在單一時鐘周期內(nèi)執(zhí)行功能強大的指令。 </p><p>　　Atmega16單片機采用了大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令。其快速存取RISC寄存器文件由3

65、2個通用工作寄存器組成。Atmega16單片機用32個通用寄存器代替累加器，避免了傳統(tǒng)的累加器與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送，可在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令來訪問兩個獨立的寄存器，代碼效率比常規(guī)CISC微控制器快十倍。Atmega16單片機是用一個時鐘周期執(zhí)行一條指令的，即在執(zhí)行前一條指令時就取出下一條指令，然后以一個周期執(zhí)行指令(與DSP類似),是8位單片機中第一種真正的RISC單片機。</p><p><b&g

66、t;　　2.性能價格比高</b></p><p>　　Atmega16單片機中既有引腳少的器件(8腳),也有存儲容量較大、引腳較多的器件，給用戶以充分的選擇余地。</p><p>　　3.工作電壓范圍寬(2.7～6V)，抗干擾能力強。</p><p>　　Atmega16單片機的引腳如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1

67、Atmega16單片機管腳圖</p><p><b>　　一、電源引腳</b></p><p>　　電源引腳接入單片機的工作電源。</p><p>　　(1) Vcc（10引腳）：接+5V電源。</p><p>　　(2) GND（11引腳和31引腳）：接地。</p><p>　　(3) AVCC

68、(30引腳) ：AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時，該引腳應直接與Vcc連接。使用ADC時應通過一個低通濾波器與Vcc連接。</p><p><b>　　二、時鐘引腳</b></p><p>　　2個時鐘引腳XTAL1、XTAL2外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了1個振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。2個時鐘引腳也可外接獨立的晶體振蕩器。</

69、p><p>　　(1)XTAL1（12引腳）：反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。</p><p>　　(2)XTAL2（13引腳）：反向振蕩放大器的輸出端。</p><p><b>　　三、控制引腳</b></p><p>　　(1)RESET 復位輸入引腳（9引腳）：持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。

70、持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復位。</p><p>　　(2)AREF（32引腳）：A/D轉(zhuǎn)換的模擬基準輸入引腳。</p><p><b>　　四、I/O口引腳</b></p><p>　　(1)端口A(PA7..PA0)：端口A 為A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱

71、的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。</p><p>　　(2)端口B(PB7..PB0)：端口B 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系

72、統(tǒng)時鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。</p><p>　　(3)端口C(PC7..PC0)：端口C 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC

73、2(TCK)的上拉電阻被激活。 </p><p>　　(4)端口D(PD7..PD0)：端口D 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D 處于高阻狀態(tài)[7]。</p><p>　　Atmega16單片機在一個芯片內(nèi)將

74、增強性能的RISC 8位CPU與可下載的FLASH相結(jié)合使其成為適合許多要求，具有高度靈活性和低成本的嵌入式高效微控制器。</p><p>　　Atmega16單片機強大的功能使其廣泛應用于空調(diào)控制板、打印機控制板、智能電表、智能手電、LED控制屏、醫(yī)療設(shè)備、GPS等領(lǐng)域。</p><p>　　3.2信號采集電路的設(shè)計</p><p>　　3.2.1心電傳感器的設(shè)計

75、</p><p>　　心臟在每一次搏動之前，心肌首先發(fā)生激動，同時產(chǎn)生弱電流，這些電流從心臟向身體各個部分傳導，引起人體皮膚表層的電位變化，這就形成了心電信號。</p><p>　　生物電引導電極是完成人體和測量系統(tǒng)之間的界面作用。用電極引導生物電信號時，與電極直接接觸的是電解質(zhì)溶液，如導電膏、人體汗液或組織液（針電極插入皮下時）。因而形成一個金屬-電解質(zhì)溶液界面。由電化學知識可知，金屬與

76、水溶液之間形成電荷分布——雙電層，產(chǎn)生一定的電位差。若金屬片不是浸在水溶液中，而是浸在它的鹽溶液中，也會發(fā)生這種現(xiàn)象。電極的極化是指電極與電解質(zhì)溶液界面形成雙電層以及在有電流通過時，電極-電解質(zhì)溶液界面電位發(fā)生的變化。有些電極是高度極化的，而有一類電極，如Ag-AgCL電極只有低微的極化，稱之為不極化電極[5][12]。本次設(shè)計中選用的是不極化電極：Ag-AgCL電極。 &l

77、t;/p><p>　　本設(shè)計心電傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 心電傳感器的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　心電電極是從人體體表提取心電信號的特殊導電電極，在使用時要對人體的皮膚進行處理，并在電極和皮膚間涂上導電膏，此時的心電信號非常微弱，易受到各方面因素的干擾，甚至檢測不出心電信號。因此，電極的特性對心電信號的提取質(zhì)量有很大影響。選擇電極主

78、要考慮的因素有：靈敏度、噪聲、極化電壓、穩(wěn)定性等。本設(shè)計使用的電極為銀-氯化銀電極，它由銀粉和氯化銀粉壓制而成，具有靈敏度高、噪聲低、極化電壓小、穩(wěn)定性好的特點，是一種較為理想的體表心電信號檢測電極。</p><p>　　導聯(lián)線是將電極提取的心電信號傳輸?shù)胶罄m(xù)電路的導線，由于心電信號在傳輸過程中會受到多種因素的干擾。因此，選擇性能好的導聯(lián)線具有非常重要的意義。在導聯(lián)線的使用過程中，導聯(lián)線的抖動、牽扯都會使傳輸?shù)男?/p>

79、電信號受到干擾，造成心電波形雜亂，導致心電數(shù)據(jù)錯誤。所以，在使用導聯(lián)線時，還要注意保持導聯(lián)線的穩(wěn)定。</p><p>　　本次設(shè)計中選用三個心電傳感器，分別接到左手、右手和右腿上。左手和右手電極是整個電路的心電信號輸入端，采集心電信號，其中右手電極接到前置放大器的IN-上，左手電極接到前置放大器的IN+上，具體電路如圖3.4所示。右腿電極是右腿驅(qū)動電路的輸入端。</p><p>　　3.2

80、.2右腿驅(qū)動電路的設(shè)計</p><p>　　在生物電前置級設(shè)置一種電路，用于將人體的共模信號反饋給人體以抵消共模干擾的影響，稱此電路為共模驅(qū)動，或右腿驅(qū)動電路。</p><p>　　共模驅(qū)動電路是在放大器前置緩沖級用一組等值電阻取出共模電壓，然后經(jīng)過一個高增益反相放大器將倒相的共模信號反饋給人體來抵消共模干擾的影響，這是一種有效的共模反饋抵消法[6][8]。 </p><

81、;p>　　本設(shè)計中，選用右腿驅(qū)動電路去除人體攜帶的交流共模干擾、減少位移電流、保護人體安全。電路如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 右腿驅(qū)動電路</p><p>　　由圖可知，右腿驅(qū)動電路實際上可以看成是以人體為相加點的共模電壓并聯(lián)負反饋電路。其輸入為前置放大器的輸入端，輸出接右腿電極，限流電阻,取值較大，限制電流為毫安級的水平，增加了安全保護性能，防止病人受到可能的傷害

82、。</p><p>　　3.3前置放大電路的設(shè)計</p><p>　　心電信號是反映人體生理狀態(tài)的一種重要信息，是人體電子測量中的主要信息源，心電信號是一種低頻微弱信號，對干擾很敏感，對體表電極測量而言，信號幅度在10μV到4mV之間，典型值為1mV，頻率范圍在0.05Hz到100Hz。由于心電信號檢測的信號源是人體本身，而人體又處在各種紛繁復雜的電磁環(huán)境中，所以心電信號中不可避免地會混有

83、各種高強度的干擾。要監(jiān)測心電信號首先必須正確獲取心電信號，才能對心電信號進行分析和處理，因此，信號處理電路成為設(shè)計關(guān)鍵，尤其是心電信號的放大。</p><p>　　3.3.1前置放大電路的要求</p><p>　　根據(jù)心電信號的特點，對心電信號前置放大器提出的要求包括高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移和設(shè)置保護電路等。</p><p><b>　?、?/p>

84、高輸入阻抗</b></p><p>　　心電信號源本身是高內(nèi)阻的微弱信號源，通過電極提取的心電信號又呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的高內(nèi)阻特性。信號源的信號、阻抗大小不僅因人而異、因生理狀態(tài)而異，而且在測量時，與傳感器的安放位置、安放的力度、電極本身的物理狀態(tài)以及人當時的生理狀態(tài)都有密切關(guān)系。以上這些變化對微弱的心電信號將產(chǎn)生極大的干擾。消除高輸入阻抗影響的最好辦法就是采用更高輸入阻抗的放大器。</p>

85、<p>　?、诟吖材Ｒ种票龋–MRR）</p><p>　　為了抑制人體所攜帶的工頻干擾以及所測量參數(shù)外的其它生理作用的干擾，需采用差動放大形式，所以共模抑制比（CMRR）是放大器的主要指標。生物電放大器的CMRR值一般要求達到60dB到80dB，對腦電、心電等特別微弱的信號，要求CMRR值達到120dB。</p><p><b>　?、鄣驮肼?、低漂移</b>

86、;</p><p>　　相對于幅度僅在微伏、毫伏級的低頻生物電信號而言，放大器前置級的這一項要求也是很重要的。高阻抗源本身就帶來相當可觀的熱噪聲，輸入信號的質(zhì)量很差。所以，為了獲得一定信噪比的輸出信號，對放大器的低噪聲性能有嚴格的要求。理想的生物電放大器，能夠抑制外界干擾使其減弱到與放大器的固有噪聲為同一數(shù)量級。這樣，放大器的內(nèi)部噪聲實際上使放大器能夠放大的信號電平有一個下限，也就是說放大器的噪聲電平成為放大器設(shè)

87、計的限制性條件。</p><p>　　除了肌電和神經(jīng)動作電位外，絕大多數(shù)的生物電信號都有很低的頻率成分，如心電、自發(fā)腦電、胃電、眼電、細胞內(nèi)、外電位等都具有1Hz以下的頻率分量。但通常采用的直流放大器的零點漂移現(xiàn)象限制了直流放大器的輸入范圍，使得微弱的緩變信號無法被放大，尤其在進行較長時間的記錄、觀察、監(jiān)護時，基線漂移對測量帶來嚴重的影響，常常使測量不能正常進行。因此應當采取措施抑制放大器的零點漂移[8][12]

88、。</p><p>　　3.3.2前置放大器的設(shè)計</p><p>　　AD620儀表放大器能直接實現(xiàn)同相并聯(lián)差動放大電路的功能，使用方便，因此，本設(shè)計選用它作為前置放大器，其結(jié)構(gòu)原理如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 AD620集成芯片結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　AD620是高性能單片集成的儀表放大器，它在同相并聯(lián)差動放大的

89、基礎(chǔ)上，采用激光晶片校準技術(shù)，使用戶僅用一個外接電阻就能對增益進行準確的確定，無需調(diào)節(jié)，易于使用。使用時只需在1腳和8腳接入一電阻以設(shè)置所需要的增益G。</p><p>　　由圖3.3可知，集成的儀表放大器的電壓增益為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　當電阻 取不同值時，可以得到1～1000倍的電壓增益。&

90、lt;/p><p>　　AD620的突出優(yōu)點是低頻噪聲小，從0.1～10Hz的噪聲電壓p-p（峰-峰）值為0.28µV，失調(diào)電壓、溫漂都很小，共模抑制比為110dB,寬帶120kHz（G=100）。使用時應注意，引線端REF通常接地，確保其良好接地是保持高共模抑制比所必需的。電阻的穩(wěn)定性、溫漂將影響放大器增益的穩(wěn)定，在外接電阻很小時（即高增益設(shè)置時）應選用精密繞組電阻。電源端通常外接0.1µF電容

91、，是為了去除電源的耦合干擾，應用時電容要就近接地[8]。</p><p>　　AD620的高輸入阻抗、高共模抑制比以及其他優(yōu)越的性能，使其可以用于ECG測量電路中。AD620作為前置放大器，其增益為10左右，加上后級放大，總增益可以達到1000倍，滿足ECG信號放大的要求。本設(shè)計的前置放大電路如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 前置放大電路</p><p&g

92、t;　　由圖可知，前置放大器加入了右腿驅(qū)動電路，以減少共模干擾的影響。</p><p>　　前置放大器的增益為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　共模驅(qū)動電路由對稱電阻和取出人體共模電壓，經(jīng)運算放大器組成反向驅(qū)動放大器施加給人體的右腿，抵消共模干擾。</p><p>　　3.4高通濾波

93、電路的設(shè)計</p><p>　　前置放大器輸出的信號并不是純粹的心電信號，其中除了夾雜著不少的工頻干擾外，還有可觀的低頻分量。這些干擾來自心電傳感器和皮膚的摩擦音、呼吸的噪音、人體的干擾信號和記錄儀所產(chǎn)生的干擾等，還可能來自于電極極化電壓的不平衡、前置放大器的失調(diào)漂移以及人體的活動等因素。這不僅會導致心電信號被淹沒，也不利于后續(xù)電路的處理。</p><p>　　有源濾波器一般由集成運放與R

94、C網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，同時，由于集成運放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大與緩沖作用。 利用有源濾波器可以突出有用頻率的信號，衰減無用頻率的信號，抑制干擾和噪聲，以達到提高信噪比或選頻的目的， 所以本設(shè)計采用了一個巴特沃斯二階高通濾波電路來濾除這些直流和低頻分量，電路如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 二階有源高通濾波電路</p>

95、<p>　　高通濾波電路實際上是阻容耦合電路，它的作用是隔去前置放大器的直流電壓和直流極化電壓，耦合心電信號，從而保證心電信號低端頻率界限為0.05Hz。</p><p>　　其中，巴特沃斯二階有源高通濾波電路的截止頻率為：</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p><b>　　(3.4)</b&

96、gt;</p><p><b>　　電壓增益為：</b></p><p><b>　　(3.5)</b></p><p>　　滿足心電檢測的低頻響應0.05Hz的要求。應該注意到是和位于信號通道上，它們本身的噪聲性能是至關(guān)重要的，選用獨石電容或鉭電容，不要選擇電解電容。</p><p>　　3.5低

97、通濾波電路的設(shè)計</p><p>　　由于近年來電源的諧波污染越來越嚴重，所以濾除了低頻干擾外，還有較多的高頻諧波分量，這些頻率分量存留于心電信號中。另一方面，心電信號中還混有較高頻率的傳感器和皮膚摩擦所產(chǎn)生的干擾以及開關(guān)電容濾波帶來的開關(guān)噪聲。所以在高通濾波之后設(shè)置一級低通濾波器是必要的。前面已經(jīng)介紹了有源濾波器的優(yōu)點，因此，為達到較好的濾波效果而又不使電路過于復雜，設(shè)計了一個巴特沃斯二階低通濾波器，電路結(jié)構(gòu)如

98、圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 二階有源低通濾波電路</p><p>　　該濾波器的優(yōu)點在于所用的網(wǎng)絡(luò)元件少，特性容易調(diào)整，輸出阻抗低，元件值分布范圍小，能夠獲得較高的增益。心電信號的高頻界限為100Hz，所以低通濾波器的截止頻率應在100Hz。</p><p>　　該電路的截止頻率為：</p><p><b>　?。?/p>

99、3.6）</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　電路的電壓增益為：</b></p><p><b>　　（3.8）</b></p><p>　　3.6 50Hz陷波電路的設(shè)計</p><p>　　

100、盡管前置放大電路具有較高的共模干擾抑制能力，但是有些工頻干擾是以差模形式進入放大器的；還由于包含電極在內(nèi)的輸入回路的不穩(wěn)定等因素，所以前置放大電路輸出的心電信號中仍然不可避免地混有較強的工頻干擾，解決的方法是用50Hz陷波器將工頻干擾濾掉。</p><p>　　帶阻濾波器用于濾除通帶中的某一頻段的頻率成分，與帶通濾波器的作用恰恰相反。在心電信號提取過程中，為了去除人體或測試系統(tǒng)中產(chǎn)生的50Hz工頻干擾，常用帶阻

101、濾波器予以抑制。帶阻濾波器又稱為陷波器，當50Hz干擾嚴重而無法工作時，用50Hz為中心頻率的陷波器把50Hz成分濾除。</p><p>　　本設(shè)計中采用有源雙T帶阻濾波電路，雙T網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用，可以作為某一固定頻率的陷波電路，但是無源雙T網(wǎng)絡(luò)帶阻區(qū)寬度大，品質(zhì)因數(shù)較低，特性曲線不夠尖銳，輸出帶負載能力很低，這樣在抑制干擾的同時會將有用的相鄰頻率的信號濾除掉。選用有源雙T濾波網(wǎng)絡(luò)具有正反饋，品質(zhì)因數(shù)大為提高，特

102、性曲線變窄，選擇性顯著提高。由于雙T網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗較高，采用高輸入阻抗的運放作為輸入級，不會影響雙T網(wǎng)絡(luò)的Q值。電路如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 50Hz陷波電路（有源雙T帶阻濾波電路）</p><p>　　雙T網(wǎng)絡(luò)由兩個T型電路并聯(lián)組成，其中一個T型電路由兩個電阻、和一個電容構(gòu)成；而另一個由兩個電容、和一個電阻構(gòu)成。信號經(jīng)過這樣兩條支路送到輸出端。當信號頻率很高時，電容

103、接近短路，信號通過兩個電容傳遞到輸出端，此時輸出幅度與輸入幅度相當；當信號頻率很低時，電容接近開路，信號通過兩個電阻傳送，輸出幅度與輸入幅度仍然相當。所以，如果適當?shù)剡x取R，C元件的參數(shù)，便可以使得在中間的某個頻率處通過，，支路和，，支路傳送到輸出端的信號大小相等，相位相反，從而相互抵消，總的輸出為零（在時）。稱為雙T網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率。</p><p>　　由圖可知，采用運放組成有源雙T網(wǎng)絡(luò)，同時引入負反饋改變選頻

104、作用，由運放和兩個反饋電阻, 組成，其中系數(shù)k決定阻帶寬度。k值取得越大，阻帶寬度越窄，品質(zhì)因數(shù)Q值則越高，陷波特性越好，但同時會使得穩(wěn)定性變差。反之則k值取得越小，阻帶寬度越寬，品質(zhì)因數(shù)Q值則越低，陷波特性差但同時穩(wěn)定性好。</p><p>　　陷波電路的特性參數(shù)為：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b

105、>　　電壓增益為：</b></p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　式中，為中心頻率。對于50Hz的陷波電路，若要求Q值為2.5，則首先選擇電容, ,計算得到，，再選擇，滿足小于的條件。由Q值要求得到。</p><p>　　3.7后置放大電路的設(shè)計</p><p>　　50

106、Hz陷波電路之后，是模擬信號處理電路重要的一級——后置放大電路。心電信號的幅度一般小于5mV，而A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為+5V，所以整個模擬信號處理電路應有幾千倍的增益。前置放大級的增益G約為11，高通濾波器和低通濾波器的增益和均為2，50Hz陷波器的增益為1.1，總共為,大約為50倍，本設(shè)計中將心電放大器總的電壓增益設(shè)為1000倍，這樣就可以使毫伏級的心電信號被放大到伏量級，故還需幾十倍的電壓增益。所以，這里的后置放大電路的放大倍數(shù)設(shè)

107、為20倍。電路如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 后置放大電路</p><p>　　由圖可知，后置放大電路的增益為：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　這樣系統(tǒng)的放大倍數(shù)A為：</p><p><b>　?。?.12）</b>&

108、lt;/p><p>　　從而完成了對心電信號的放大，實現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計要求。</p><p>　　3.8 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計中，需要完成對心電信號的存儲、顯示和打印等功能，然而微處理器無法對模擬信號進行處理，必須把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后再送到微處理器進行數(shù)據(jù)處理。能夠變模擬量為數(shù)字量的器件稱作模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D轉(zhuǎn)換器）。本設(shè)計采用了逐

109、次逼近型ADC轉(zhuǎn)換器ADC0809。</p><p>　　ADC0809帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)，以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件。8位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近法。在A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個帶有模擬開關(guān)數(shù)組的256電阻分壓器，以及一個逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個通道中任意訪問一個單邊的模擬信號。</p>

110、<p>　　ADC0809的技術(shù)指標如下：</p><p>　　單一電源，+5V供電，模擬輸入范圍為0～5V。</p><p><b>　　分辨率為8位。</b></p><p>　　最大不可調(diào)誤差：ADC0809<±1LSB。</p><p><b>　　功耗為15mW。</

111、b></p><p>　　轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時鐘頻率。</p><p>　　時鐘頻率范圍：10～1280kHz,當CLOCK等于500kHz時，轉(zhuǎn)換速度為128us。</p><p>　　可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容。</p><p>　　無需進行零位及滿量程調(diào)整。</p><p>　　溫度范圍為-40℃～