心電信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)200501

1、醫(yī)學(xué)儀器與設(shè)備課程設(shè)計(jì)題目：心電信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)院系：電氣工程學(xué)院專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：戴啟軍時(shí)間：2008年12月29日2009年1月6日心電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)概述心電信號(hào)采集模塊組成：心電電極；導(dǎo)聯(lián)線；緩沖放大器；威爾遜電阻網(wǎng)絡(luò)；差動(dòng)放大；低通濾波器；高通濾波器；50Hz陷波器；光電隔離器；增益可調(diào)電路；調(diào)零電路(1)心電電極生物電引導(dǎo)電極實(shí)際完成人體和測(cè)量系統(tǒng)之間的界面作用。為了把生物電信號(hào)引入信號(hào)處理模塊中，引導(dǎo)電極必須具備電流的傳導(dǎo)能力。在人體內(nèi)，電流靠離子導(dǎo)電，而在測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)是電子導(dǎo)電。通過(guò)引導(dǎo)電極，把離子電流變?yōu)殡娮与娏?，所以電極實(shí)際上起了一個(gè)換能器的

2、作用。提取心電信號(hào)，采用的是皮膚表面電極（體表電極）。(2)導(dǎo)聯(lián)線此設(shè)計(jì)中心電采集模塊由4個(gè)電極組成導(dǎo)聯(lián)線，包括三個(gè)肢體電極和一個(gè)右腿接地（右腿驅(qū)動(dòng)）電極。電極獲取的心電信號(hào)僅為毫伏級(jí)，所以導(dǎo)聯(lián)線均用屏蔽線。導(dǎo)聯(lián)線的芯線和屏蔽線之間有分布電容存在（約100pF/m），為了減少電磁感應(yīng)引起的干擾，屏蔽線可直接接地，但這樣會(huì)降低輸入阻抗。也可以采用屏蔽驅(qū)動(dòng)，這樣可減少共模誤差和不降低輸入阻抗。(3)緩沖放大器緩沖放大器保證心電放大器的高輸入阻抗要求，起到阻抗變換作用。生物信號(hào)源本身是高內(nèi)阻的微弱信號(hào)源，通過(guò)電極提取又呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源性質(zhì)。不穩(wěn)定性將使放大器電壓增益不穩(wěn)定。放大器的輸入阻抗應(yīng)至

3、少大于1M。(4)威爾遜電阻網(wǎng)絡(luò)威爾遜電阻網(wǎng)絡(luò)是按照標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)心電圖定義組成的電阻網(wǎng)絡(luò)。(5)差動(dòng)放大差動(dòng)放大是心電前置放大的主要部分，和緩沖放大器一起組成心電圖前置放大。差動(dòng)放大的作用是將幅度僅為毫伏級(jí)的微弱心電信號(hào)進(jìn)行放大。同時(shí)必須有高抗干擾能力，即具有高共模抑制比。(6)低通濾波器心電信號(hào)的高頻響應(yīng)界限為100Hz，由100Hz低通濾波器完成。(7)高通濾波器心電信號(hào)的低頻響應(yīng)界限為0.05Hz，由0.05Hz高通濾波器完成。(8)50Hz陷波器50Hz陷波器用于加強(qiáng)濾除50Hz干擾。有的心電圖機(jī)還設(shè)有40Hz低通濾波器用于濾除肌電干擾。(9)光電隔離器生物電放大器必須采用隔離技術(shù)，也

4、就是與生物體接觸的前置放大級(jí)采用浮地（或者浮置）放大器，這樣一方面可提高放大器抑制干擾能力，更重要的可保證測(cè)量安全。信號(hào)從浮地部分傳遞到普通接地部分，兩部分之間沒有電路直接聯(lián)系。(10)增益可調(diào)放大和調(diào)零電路光電隔離以后還需要增益調(diào)節(jié)和調(diào)零，使最后輸出的心電信號(hào)頻率范圍為0.05100Hz，此設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)增益為800。(11) 導(dǎo)聯(lián)屏蔽線驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)電路人體本身通過(guò)各種渠道從環(huán)境中拾取工頻50Hz的交流電壓，在心電放大中形成交流共模干擾，這種交流共模干擾常在幾伏以上，遠(yuǎn)大于心電信號(hào)。為了消除這一交流共模干擾，一般采用導(dǎo)聯(lián)屏蔽線驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)電路。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖：導(dǎo)聯(lián)輸入緩沖級(jí)威爾遜電阻網(wǎng)絡(luò)儀

5、用放大器AD620100Hz低通濾波50Hz陷波0.05Hz高通濾波光電隔離電路放大電路增益可調(diào)電路調(diào)零電路信號(hào)輸出右腿驅(qū)動(dòng)和屏蔽驅(qū)動(dòng)三、系統(tǒng)原理與電路圖(1)緩沖放大級(jí)：輸入緩沖放大器由4個(gè)運(yùn)算放大器所組成。信號(hào)輸入端設(shè)計(jì)有限幅保護(hù)電路。用雙向并聯(lián)二極管（D1和D2），進(jìn)而使緩沖放大器兩輸入端之間的電壓不超過(guò)±15.7V（電源電壓為±15V，二極管導(dǎo)通電壓0.7V），起低壓保護(hù)作用。22k電阻同時(shí)具有限電流保護(hù)作用，限制流入人體的電流最大為緩沖放大器的阻抗變換作用既滿足生物信號(hào)源對(duì)放大器的高輸入阻抗的要求，又使其后的威爾遜電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻值可以適當(dāng)取小些，為后級(jí)放大設(shè)計(jì)帶來(lái)

6、方便。緩沖級(jí)作為前置放大的第一級(jí)電路，除了應(yīng)具有高輸入阻抗外，還要求有低噪聲性能；并且應(yīng)使各個(gè)緩沖放大器具有相同的CMRR值，以使整個(gè)緩沖級(jí)獲得高共模抑制比。(2)威爾遜電阻網(wǎng)絡(luò)：威爾遜電阻網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)心電圖要求的電阻連接，包括標(biāo)準(zhǔn)雙極性肢體導(dǎo)聯(lián)和單極性增廣肢體導(dǎo)聯(lián)。A)標(biāo)準(zhǔn)雙極性肢體導(dǎo)聯(lián)（I、II、III）：心臟活動(dòng)時(shí)傳導(dǎo)到右手、左手和左腳的心電電位分別是UR，UL和UF，那么第、導(dǎo)聯(lián)的組合原理可由下式表達(dá)：I=UL-URII=UF-URIII=UF-ULB)單極性增廣肢體導(dǎo)聯(lián)（aVR，aVL和aVF）：戈德伯杰（Goldberger）對(duì)電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn)，在測(cè)定愛氏三角形某

7、一頂點(diǎn)的心電信號(hào)時(shí)，去掉這一頂點(diǎn)到威爾森中心點(diǎn)的連接電阻，其他條件不變。用這種網(wǎng)絡(luò)所獲取的心電圖叫做單極肢體導(dǎo)聯(lián)心電圖，即通常所說(shuō)的增壓肢體導(dǎo)聯(lián)，分別叫做aVR，aVL和aVF。單極肢體導(dǎo)聯(lián)的組合原理可用下式表達(dá)：(3)差動(dòng)放大級(jí)心電信號(hào)送入差動(dòng)放大級(jí)進(jìn)行放大。差動(dòng)放大擔(dān)負(fù)去掉共模干擾電壓和放大心電信號(hào)的任務(wù)。為了提高信噪比，保證信號(hào)質(zhì)量，它應(yīng)具有足夠高的增益和較高的共模抑制比CMRR，后級(jí)電路應(yīng)不破壞低噪聲性能。此級(jí)電壓增益為A1=1+49.5k/5k=11。(4)低通濾波(5)高通濾波(6)50Hz陷波電路A)50H對(duì)稱雙T陷波電路在設(shè)計(jì)中采用了不對(duì)稱RC帶阻電路，其參數(shù)根據(jù)需要和經(jīng)驗(yàn)確定

8、，在文獻(xiàn)雙T網(wǎng)絡(luò)有源濾波器性能分析（汪克仁編）有具體介紹。B)50H不對(duì)稱雙T陷波電路在心電圖測(cè)量時(shí)，常會(huì)受到周圍50Hz工頻干擾，或者由于電極和皮膚接觸不良導(dǎo)致嚴(yán)重的50Hz工頻干擾使得無(wú)法記錄心電圖。50Hz陷波器濾波電路加入可以大大改善心電圖測(cè)量效果。50Hz陷波器濾波電路則由放大器和雙T陷波器組成。濾除50Hz干擾的雙T帶阻濾波器由三個(gè)電阻R6=R7=R=67.3k，R1=R/2和三個(gè)電容C1=C2=C=47nF，C4=2C組成。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，這里雙T陷波器中心頻率f0=50Hz。無(wú)源雙T網(wǎng)絡(luò)帶阻區(qū)寬度大，品質(zhì)因數(shù)Q值小，輸出帶負(fù)載能力很低，因此

9、采用運(yùn)放A5組成有源雙T網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)引入負(fù)反饋改善選頻作用，用運(yùn)放A5和兩個(gè)反饋電阻RF1=(1-k)R2，RF2=kR2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，陷波特性好，但同時(shí)會(huì)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(shí)穩(wěn)定性好。50Hz陷波器濾波電路加入可以大大改善心電圖測(cè)量效果，但是也會(huì)引起心電圖發(fā)生變形，造成測(cè)量精度下降的問(wèn)題。正常情況應(yīng)該不要50Hz陷波器濾波電路，在需要時(shí)，此濾波電路可以通過(guò)模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)取舍選擇。(7)光電隔離電路ISO130集成光電隔離放大器本身為線性隔離放大器。輸入端的心電信號(hào)先放

10、大到不超過(guò)200mV的電平，通?？蔀?0mV，ISO130的輸出端6、7為雙端差分信號(hào)，通過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器TL084組成的差動(dòng)放大器，將雙端信號(hào)變?yōu)閱味诵盘?hào)OUT，同時(shí)差動(dòng)放大器提供一定增益。差動(dòng)放大器增益為20k/2k=10，實(shí)現(xiàn)隔離放大功能。此級(jí)放大倍數(shù)A2=8*10=80。為了改善線性和減小非線性溫度漂移，ISO130的引腳端3應(yīng)接前級(jí)浮地，輸入端2腳的輸入電壓的變化范圍不應(yīng)超過(guò)200mV。此外，電源電壓的波動(dòng)會(huì)影響ISO130的性能，要使用穩(wěn)壓性能良好的隔離電源裝置。(8)增益可調(diào)放大及調(diào)零電路增益可調(diào)電路用于靈敏度調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)儀用放大器后的心電信號(hào)已放大11倍，再經(jīng)耦合放大級(jí)后的心電信

11、號(hào)放大80倍，這樣毫伏級(jí)的心電信號(hào)就被放大到伏量級(jí)。為適合臨床測(cè)量要求，可再經(jīng)過(guò)增益可調(diào)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。由U1A組成增益可調(diào)放大器，改變放大器負(fù)反饋電阻實(shí)現(xiàn)放大器的增益選擇。此級(jí)放大倍數(shù)為A3=1+(R5上)/R2。(9)導(dǎo)聯(lián)屏蔽線驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)電路A)導(dǎo)聯(lián)屏蔽線驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)聯(lián)屏蔽線驅(qū)動(dòng)由U8B通過(guò)威爾遜電阻網(wǎng)絡(luò)提取威爾遜中心電端電位，作為人體共模電壓的平衡電位。S為導(dǎo)聯(lián)線的屏蔽層，導(dǎo)聯(lián)屏蔽線驅(qū)動(dòng)可以去除導(dǎo)聯(lián)線屏蔽層由于分布電容的不等量衰減造成對(duì)放大器總共模抑制比CMRR的減少。B)右腿驅(qū)動(dòng)電路人體本身通過(guò)各種渠道從環(huán)境中拾取工頻50Hz的交流電壓，在心電放大中形成交流共模干擾，這種交流共模干擾常

12、在幾伏以上，遠(yuǎn)大于心電信號(hào)。為了消除這一交流共模干擾，一般采用右腿電極經(jīng)過(guò)電阻與放大器浮置地端相連，以降低人體的共模電壓。右腿驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上可以看成以人體為相加點(diǎn)的共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。人體可以看做反相放大器的反相輸入端，等效的反饋電阻即為限流電阻Rz（圖中為R26）。采用右腿驅(qū)動(dòng)電路，能夠使工頻50Hz的交流共模干擾電壓降低到1%以下。對(duì)于50Hz交流共模干擾的抑制并不以損失心電圖的頻率成分為代價(jià)（如果用濾波和陷波等選頻電路，由于頻率成分接近則會(huì)去掉心電信號(hào)中50Hz及其附近的有用分量）。但是由于右腿驅(qū)動(dòng)電路存在交流共模干擾電壓的反饋環(huán)路，而可能有交流電流流經(jīng)人體，成為不安全因素。必須采用

13、限流電阻Rz，且限流電阻不能很小，通常取100k1M。四、擴(kuò)展部分肌電干擾濾波：在心電圖測(cè)量時(shí)，常伴隨著肌肉緊張而出現(xiàn)的肌電干擾，當(dāng)干擾明顯存在而影響心電信號(hào)的記錄時(shí)，應(yīng)予以肌電濾除。肌電干擾濾波電路加入可以大大改善心電圖測(cè)量效果，但是也會(huì)引起心電圖發(fā)生變形，造成測(cè)量精度下降的問(wèn)題。正常情況應(yīng)該不要肌電干擾濾波電路，在需要時(shí)，此濾波電路可以通過(guò)模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)取舍選擇。五、總結(jié)心電信號(hào)的采集電路對(duì)目前面世的許多醫(yī)學(xué)儀器起著舉足輕重的角色；這相當(dāng)于一個(gè)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(dāng)前對(duì)心電信號(hào)的采集工作是至關(guān)重要的。我們首要做的事情就是要了解心電信號(hào)的特點(diǎn)，因?yàn)樾碾娦盘?hào)輸出

14、時(shí)的幅度不上5mV，頻率分布在0.05-100Hz，那么選擇一個(gè)適合的放大器和濾波器是我們工作的重點(diǎn)，另外在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，特別是在用multisim仿真的過(guò)程當(dāng)中碰到了的不少問(wèn)題，各種芯片的使用，如AD620和光電隔離ISO130的使用；各種電源的使用，如VCC、VDD、VEE和VSS的區(qū)別和使用；還有DC和AC的區(qū)別和使用；放大及濾波電路中元件參數(shù)的選擇，如何選擇參數(shù)使得濾波效果更好；級(jí)間的影響和耦合問(wèn)題等等。在對(duì)比心電信號(hào)采集的各種要求后確定一個(gè)最方便、最實(shí)用的辦法。根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，分別采用了一個(gè)高通濾波器、一個(gè)低通濾波器和一個(gè)50Hz陷波器來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中我也明白