心電放大器（電池供電）設(shè)計(jì)報(bào)告.docx

心電放大器（電池供電）設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)意義心血管疾病是影響人們生活質(zhì)量，造成死亡的重要原因，而反應(yīng)心臟生理情況的重要科學(xué)依據(jù)就是心電信號(hào)。心電信號(hào)的檢測(cè)不同于普通的信號(hào)測(cè)量。其信號(hào)比較微弱，干擾強(qiáng)，個(gè)體差異大，所以希望設(shè)計(jì)一種抗干擾能力強(qiáng)，功耗低的直流心電放大器。而相比于交流放大器，直流心電放大器因?yàn)槠涔男?，所以可以用電池供電，進(jìn)而可以向著小型化，便攜化發(fā)展，有較高的應(yīng)用價(jià)值。二、 心電總述1、 心肌細(xì)胞的跨膜電位心肌細(xì)胞的跨膜電位是指心肌細(xì)胞內(nèi)外兩側(cè)的電位差，包括在靜息狀態(tài)下的靜息電位和興奮時(shí)的動(dòng)作電位。人的心室肌細(xì)胞的靜息電位約為-90mv。當(dāng)心肌細(xì)胞由靜息狀態(tài)進(jìn)入興奮時(shí)，即產(chǎn)生動(dòng)作電位。當(dāng)心室肌興奮時(shí)，膜內(nèi)電位從安靜狀態(tài)的-90mv很快上升到30mv，需時(shí)12ms，電位上升的最高速度達(dá)到800V/s。當(dāng)心肌細(xì)胞除極后，立即開始復(fù)極。下圖為跨膜電位變化曲線。 跨膜電位變化曲線2、 心電的傳播心臟周圍的組織及液體都可以導(dǎo)電，被稱為容積導(dǎo)體，而且是三度空間的導(dǎo)體。心臟又是一個(gè)形態(tài)不規(guī)則的空腔肌肉器官，它的肌纖維行走方向不一致。興奮在心肌內(nèi)向各個(gè)方向傳播的過程中，每一瞬間在心臟內(nèi)形成很多雙極體，且其大小、方向都不一樣。心臟按竇房結(jié)結(jié)間束房室結(jié)左、右束支蒲氏纖維心室肌這一順序進(jìn)行的興奮傳播，是在一個(gè)空間進(jìn)行的。3、 心電波形圖上圖是正常人的心電波形圖圖中：l P波：代表左、右興奮時(shí)所產(chǎn)生的電變化，因心房電向量方向不同而相互抵消了一部分，故其幅度不大。l P-R間期：代表心房興奮到心室開始興奮經(jīng)過的時(shí)間，一般成年人為0.120.20s。l QRS波群：代表心室興奮傳播過程的電位變化，一般在0.060.10s之間。l T波：反映心室復(fù)極過程的電變化。l QT間期：指由QRS波群起點(diǎn)到T波終點(diǎn)，由心室開始除極到完成所需時(shí)間，在心率為75次/s，Q-T間期小于0.4s。l U波：在T波出現(xiàn)后經(jīng)0.020.04s可能出現(xiàn)的波，大都在0.05ms以下。4、 心電信號(hào)基本特征心電信號(hào)是一種較微弱的體表電信號(hào)，成年人的幅值約為10V5mV，屬低幅值小信號(hào)，常見的心電頻率一般在0.05100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近，測(cè)量時(shí)心電電極阻抗較大，一般在幾百千歐以上，極易受到工頻干擾和體表其他干擾。三、 整體設(shè)計(jì)1、 主要干擾l 電極極化電壓引起的基線漂移：由于測(cè)量電極與生物體之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，最大可達(dá)300mv，因此放大器的前級(jí)增益不能過大，而且要有去極化電壓的RC常數(shù)電路。l 工頻干擾：50Hz的工頻干擾主要以共模形式存在，幅度可達(dá)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。l 肌電干擾：一般為幾百赫茲。l 其它儀器的干擾。2、 心電放大器的性能指標(biāo)l 差模電壓增益：成年人心電信號(hào)幅值約為10uv5mv，放大器輸出信號(hào)一般在+5V-5V，因此要求放大器的差模電壓增益大于1000。l 頻率特性：頻帶寬度約為0.05100Hz。l 輸入阻抗：人體內(nèi)阻，檢測(cè)電極與皮膚的接觸電阻通常為幾千歐，故前置部分要有較大的輸入阻抗，以提高信號(hào)索取能力，一般要求放大器的單端輸入阻抗不小于10兆歐。l 抗干擾能力：要求放大器的共模抑制比KCMR60dB。l 輸入回路電流：不大于0.1uA。l 噪聲水平：所有折算到輸入端的噪聲小于35uA。l 陷波：50Hz工頻干擾抑制濾波器20dB。3、 整體電路框圖前置保護(hù)電路前級(jí)放大輸出信號(hào)主放大器陷波電路低通濾波心電信號(hào)電池供電四、 單元電路設(shè)計(jì)與分析1、 前置保護(hù)電路與前級(jí)放大電路該電路功能分析：（1）前置保護(hù)電路心電放大器是人體與儀器直接接觸的儀器，所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到人體安全，故在放大器前加兩個(gè)穩(wěn)壓二極管作為保護(hù)電路，防止外界過強(qiáng)信號(hào)進(jìn)入電路毀壞儀器。（2）差動(dòng)放大電路前級(jí)放大電路中，A1、A2、R1、R2、R3構(gòu)成差動(dòng)放大電路，在運(yùn)算放大器為理想的情況下，輸入阻抗為無窮大，共模抑制比為無窮大?？紤]到前級(jí)存在極化電壓，此級(jí)放大倍數(shù)不宜過大，所以選取R1=R3=20K，R2=10K。其理論增益為（R1+R2+R3）/R2=5。（3）時(shí)間常數(shù)電路測(cè)量電極與生物體之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，最大可達(dá)300mv，所以這部分電路主要用于消除極化電壓以及其余低頻干擾。C1、R6和C2、R7構(gòu)成高通濾波器，設(shè)計(jì)截止頻率為0.05Hz,根據(jù)f=1/(2RC)，選取R6=R7=320K，C1=C2=1uF。（4）共模驅(qū)動(dòng)電路由圖可知，A3的輸入信號(hào)取自A1和A2輸出端串聯(lián)電阻的中點(diǎn)電壓，即只有當(dāng)A1、A2輸出相等時(shí)，中點(diǎn)電壓為0，即A3輸出電壓也為0，相當(dāng)于接地。而當(dāng)共模信號(hào)和差模信號(hào)一起輸入時(shí)，A3的輸出只包含輸入信號(hào)的共模部分，從而使得共模信號(hào)不經(jīng)過時(shí)間常數(shù)電路的分壓直接加在集成運(yùn)放的輸入端，避免了由于時(shí)間常數(shù)電路的不匹配而降低整體電路的共模抑止?？紤]到前級(jí)放大的驅(qū)動(dòng)能力，選取R4=R5=100K。（5）右腿驅(qū)動(dòng)電路右腿驅(qū)動(dòng)電路的作用是減小位移電流的干擾并增加共模抑制比，在右腿接入一反相放大器，并與儀表放大相連，可將共模信號(hào)抑制1+K倍，K為反向放大倍數(shù)，C3的作用是使右腿驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定。選取R9=10M,R8=10K，C3=4700pF。（6）儀器放大器構(gòu)成的后級(jí)放大電路此處設(shè)計(jì)3種可供選擇方案方案A選擇INA128/INA129作為主放大器，它具有以下特性：電源范圍2.2518V，共模抑制比最小為120dB，最大失調(diào)電壓50uV，最大失調(diào)電流10nA，最大偏置電流5nA，增益可調(diào)11000。G=1+50K/Rg（INA128）；G=1+49.4K/Rg(INA129)方案B選擇AD620作為主放大器，電源范圍2.318V，共模抑制比最小為100dB，最大失調(diào)電壓50uV，最大失調(diào)電流0.5nA，最大偏置電流1nA。G=1+49.6K/Rg方案C選擇MAX4194作為主放大器，電壓范圍2.77.5V，軌至軌特性，共模抑制比最小為115dB，最大失調(diào)電壓50uv，最大失調(diào)電流3nA，貼片式。方案D選擇INA118作為主放大器，電壓范圍1.3518V，低功耗，共模抑制比最小為120dB，最大失調(diào)電壓50uV，軌至軌特性。G=1+50K/Rgl 前級(jí)放大電路中其余放大器的選擇方案ALM3244組獨(dú)立的高增益的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償、輸入偏置電流是溫度補(bǔ)償?shù)?、單位增益帶寬是溫度補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，既可以單電源使用，又可以雙電源使用，其最低供電電壓為2.5v單電源或1.25v雙電源，共模抑制比大于65dB，成本很低。方案BOPA4251單電源微功耗運(yùn)算放大器，軌至軌輸出，供電范圍2.736v，輸入失調(diào)電壓0.25mv，最大輸入偏置電流為20000pA，最小共模抑制比為100dB，成本相對(duì)較低。注：軌至軌特性軌至軌(rail-to-rail)性能軌至軌輸出提供了最大的輸出電壓擺幅，實(shí)現(xiàn)了最寬的動(dòng)態(tài)范圍。在信號(hào)擺幅受到限制的低工作電壓場(chǎng)合，軌至軌性能尤為重要。軌至軌輸入性能通常用于緩沖(G=1)的單電源應(yīng)用中，以達(dá)到最大的信號(hào)擺幅。同時(shí)還可以用于其它的應(yīng)用，具體取決于放大器增益及偏置電壓方面的考慮 。一般的運(yùn)放輸出的電壓幅度是達(dá)不到電源電壓的，會(huì)有1V左右的壓差，而軌至軌（rail to rail）的運(yùn)放 不一樣，電源是多少，輸出的最大幅度就能達(dá)到多少，還有是它的差分輸入電壓也能達(dá)到電源電壓。 2、 低通濾波方案A采用MAX291八階巴特沃斯濾波器，它具有以下特性：?jiǎn)坞娫?V雙電源5V，轉(zhuǎn)折頻率：振蕩頻率=1:100，內(nèi)部或外部時(shí)鐘，外圍電路簡(jiǎn)單，僅需一個(gè)電容，容值決定振蕩頻率。f(KHz)=105/3C(pF),fo=100Hz,C=3300pF方案B采用LTC1062集成濾波芯片，它具有以下特性：低通帶噪聲，單電源5V，雙電源8V，五階濾波器，內(nèi)部或外部時(shí)鐘，快速衰減3、50Hz陷波電路由于室內(nèi)照明和動(dòng)力設(shè)備帶來的干擾，頻率處于生理信號(hào)的頻帶范圍內(nèi)，所以要用50Hz陷波器將其濾掉。消除工頻干擾的方法是使用帶阻濾波器，它使在規(guī)定范圍內(nèi)信號(hào)不能通過，而其他頻率信號(hào)正常通過。利用雙T網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源雙T陷波器。Rw為可變電阻，根據(jù)Q=1/4(1-)（為可變電阻中間滑頭與接地之間的電阻與可變電阻總阻值的比值），調(diào)節(jié)Rw改變Q值，由fo=1/2RC可得R=1/2foC，其中fo=50Hz，考慮到實(shí)驗(yàn)室的電阻和電容的標(biāo)稱值，選取R1=R2=30K，C1=C2=0.11F，C3=C4=0.22F。放大器選擇OPA1013特性：1 SINGLE POWER SUPPLY OPERATION 2 INPUT VOLTAGE RANGE TO GROUND 3 OUTPUT SWINGS NEAR GROUND 4 LOW QUIESCENT CURRENT:550A max 5 LOW Vos:300V max4、 主放大電路C1為隔直電容，減小極化電壓的影響。C2為防止電路發(fā)生自激震蕩，使電路工作穩(wěn)定。加R3為的是使電路對(duì)稱。前級(jí)已經(jīng)放大了大約100倍，所