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1、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)課程設(shè)計(jì)東北大學(xué)低成本心電放大器設(shè)計(jì)報(bào)告生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué) 校 : 東北大學(xué) 學(xué) 院 : 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) : 生醫(yī)1202班 姓 名 : 魚忘七秒 學(xué) 號(hào) : 201252xyz 指導(dǎo)老師 : 李 剛 20生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)課程設(shè)計(jì)東北大學(xué)低功耗心電放大器設(shè)計(jì)報(bào)告低功耗心電放大器設(shè)計(jì)報(bào)告1.概述心臟是循環(huán)系統(tǒng)中重要的器官。由于心臟不斷地進(jìn)行有節(jié)奏的收縮和舒張活動(dòng),血液才能在閉鎖的循環(huán)系統(tǒng)中不停地流動(dòng)。心臟在機(jī)械性收縮之前,首先產(chǎn)生電激動(dòng)。心肌激動(dòng)所產(chǎn)生的微小電流可經(jīng)過身體組織傳導(dǎo)到體表,使體表不同部位產(chǎn)生不同的電位。如果在體表放置兩個(gè)電極,分別用
2、導(dǎo)線聯(lián)接到心電圖機(jī)(即精密的電流計(jì))的兩端,它會(huì)按照心臟激動(dòng)的時(shí)間順序,將體表兩點(diǎn)間的電位差記錄下來,形成一條連續(xù)的曲線,這就是心電圖?;拘碾妶D如上所示,包含如下幾個(gè)波段:P波 兩心房除極時(shí)間P-R間期 心房開始除極至心室開始除極時(shí)間QRS波群 全心室除極的電位變化ST段 心室除極剛結(jié)束尚處以緩慢復(fù)極時(shí)間T波 快速心室復(fù)極時(shí)間2.設(shè)計(jì)背景心電放大器是一種常見的生物電放大儀器,在如今已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,并已經(jīng)研發(fā)出了便攜家用的醫(yī)療儀器。心電放大器可以實(shí)時(shí)觀測(cè)被測(cè)者的心電信號(hào),有助于病征的觀測(cè),并能輔助診斷。心電
3、放大器作為精密醫(yī)療儀器,在現(xiàn)代的應(yīng)用越來越廣泛,低成本是它的一個(gè)重要趨勢(shì)。心電信號(hào)有幾個(gè)顯著的特點(diǎn)。1) 心電信號(hào)很微弱,其幅值為10V(胎兒)-4mV(成人),放大倍數(shù)約為5001000倍;2) 頻率很低,約為0.05Hz-75Hz,能量主要集中在17Hz附近;3) 有很強(qiáng)的隨機(jī)性,并不穩(wěn)定。4) 人體作為信號(hào)源,本身內(nèi)阻很大。5) 干擾多。如肌電等人體噪聲,以及在心電放大器中不可避免的工頻等設(shè)備噪聲。3.設(shè)計(jì)意義1) 對(duì)心律失常和傳導(dǎo)障礙具有重要的診斷價(jià)值;2) 對(duì)心肌梗塞的診斷有很高的準(zhǔn)確性,它不僅能確定有無心肌梗塞,而且還可確定梗塞的病變期部位范圍以及演變過程;3) 對(duì)房室肌大、心肌炎
4、、心肌病、冠狀動(dòng)脈供血不足和心包炎的診斷有較大的幫助;4) 能夠幫助了解某些藥物(如洋地黃、奎尼丁)和電解質(zhì)紊亂對(duì)心肌的作用。4.設(shè)計(jì)要求1) 輸入電阻>5M2) 共模抑制比>80dB3) 輸出擺幅>2.5V(采用單片機(jī)采集時(shí)動(dòng)態(tài)范圍28)4) 頻帶:0.0575Hz5) 功耗<5mA6) 直流供電,使用三節(jié)1.5V干電池,便于攜帶5.總體方案設(shè)計(jì)本項(xiàng)目通過模擬電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行一些列處理,最終實(shí)現(xiàn)在示波器上顯示波形。經(jīng)過分析將電路大致分為幾個(gè)模塊,包括信號(hào)采集放大模塊,信號(hào)濾波模塊,信號(hào)50Hz陷波處理模塊,電平提升模塊。前置放大采用的是差分放大,濾波采用二階低通濾波器,
5、50Hz陷波采用雙T網(wǎng)絡(luò),最后經(jīng)由電平提升輸出到顯示屏。6.各模塊功能實(shí)現(xiàn)A. 信號(hào)采集放大模塊(R11表示第一個(gè)模塊中第一個(gè)電阻)A總體概述如下圖,采用protues仿真心電信號(hào)非常微弱,為mV量級(jí),只有對(duì)其進(jìn)行放大到適當(dāng)范圍才能夠進(jìn)行更多的采集和處理,這些都決定了信號(hào)放大電路成為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。如上圖所示的同相并聯(lián)三運(yùn)放結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可以較好地滿足高輸入阻抗,高共模抑制比,低噪聲的要求。放大器的第I級(jí)主要用來提高整個(gè)放大電路的輸入阻抗。第II級(jí)采用差動(dòng)電路用以提高共模抑制比。B信號(hào)放大運(yùn)放放大電路,采用LM358芯片構(gòu)成差動(dòng)放大電路,根據(jù)虛短、虛斷的概念,不難分析U2:1A、U2:
6、1B前置放大電路僅對(duì)差模信號(hào)有放大作用,差模放大倍數(shù)為(R12+2R11)/ R12倍。AD620是一種只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為11000的低功耗、高精度儀表放大器。盡管AD620由傳統(tǒng)的三運(yùn)放放大器發(fā)展規(guī)律而成,但一些主要性能卻優(yōu)于三運(yùn)算當(dāng)代器構(gòu)成的儀表放大器設(shè)計(jì),電源范圍寬(±2.3V-±18V),設(shè)計(jì)體積小,功耗非常低(最大供電電流僅為1.3mA)因而使用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。內(nèi)部增益電阻被精確確定為24.7k,使得運(yùn)放增益精確地由Rg確定 部增益為 其中差動(dòng)放大電路部分放大了5倍,因?yàn)槠浔旧硎軜O化電壓的影響,放大倍數(shù)應(yīng)為5倍左右。而AD620核心放大
7、器放大倍數(shù)可經(jīng)過滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié),使這個(gè)電路的放大倍數(shù)達(dá)到100倍左右,使信號(hào)能夠更好的進(jìn)行濾波等后期處理。C無源高通濾波電路由于心電信號(hào)本身有頻帶,同時(shí)也存在著諸多干擾,因而濾波電路是整個(gè)心電放大器成功的關(guān)鍵所在。項(xiàng)目中的頻帶為0.05Hz75Hz,因而設(shè)計(jì)了截止頻率為0.0482Hz的高通濾波電路。截止頻率為:將高通濾波器配合差模驅(qū)動(dòng)放置在前置放大電路的差動(dòng)放大電路與核心放大電路之間能后有效的抑制極化電壓,減小噪聲,提高電路的共模抑制比。D右腿驅(qū)動(dòng)電路本項(xiàng)目中采用心電點(diǎn)擊采集心電信號(hào),通過采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)反映肢體間的電位差,從而產(chǎn)生心電信號(hào)。因而需用右腿驅(qū)動(dòng)電路,電路圖如下:E實(shí)際焊接圖B. 低
8、通濾波電路模塊由于前面的高通網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)考慮了高通濾波的情況,這里僅考慮低通濾波的情況。而且考慮高通的截止頻率不高,故采用階數(shù)太高的濾波器。本課題濾波器的作用為濾掉大于75Hz的高頻的干擾。采用有源低通濾波器有一些好處,一方面有源濾波器在通帶內(nèi)信號(hào)不僅可以沒有衰減,還可以有一定的增益,而在阻帶內(nèi),其阻抗頻率特性隨頻率而急劇改變,故選頻性能好,另一方面輸入阻抗高,輸出阻抗低,不需要阻抗匹配,輸入、輸出之間有良好的隔離。巴特沃斯濾波電路實(shí)現(xiàn)了通過帶內(nèi)較高的幅值平坦性,符合心電濾波的要求。采用一階無源高通濾波器和二階巴特沃思低通濾波器作為本系統(tǒng)的濾波電路,電路圖如下所示:采用歸一化算法,由R= ,取F=
9、75Hz,C=0.1uF,得R=21.22k,取22k。 信號(hào)源為10Hz時(shí)的濾波 信號(hào)源為50Hz時(shí)的濾波 信號(hào)源為100Hz時(shí)的濾波 信號(hào)源為200Hz時(shí)的濾波 實(shí)際焊接圖片 C. 50Hz陷波電路模塊帶阻濾波器電路是用來抑制或衰減某一頻段的信號(hào),而讓該頻段以外的所有信號(hào)通過。這種濾波電路也叫陷波電路,經(jīng)常用于電子系統(tǒng)抗干擾。在設(shè)計(jì)當(dāng)中尤其要注意帶阻濾波器防止發(fā)生如切頻等情況。該電路的功能就是在=50Hz之外的信號(hào)可以通過,而在陷波處把要濾除的信號(hào)濾除掉。如圖是RC雙T帶阻濾波選頻放大器。 RC雙T帶阻濾波選頻放大器框圖其閉環(huán)增益為: 式中,、均為信號(hào)頻率的函數(shù)。當(dāng)信號(hào)頻率與RC雙T電路的
10、中心頻率相同時(shí),RC雙T電路的傳遞系數(shù) F=0,此時(shí)無反饋?zhàn)饔?,則有=,即反饋放大器增益等于開環(huán)放大器;當(dāng)信號(hào)頻率偏離達(dá)某值時(shí),雙T電路反饋系數(shù)F最大,即F=1,這時(shí)是深度負(fù)反饋。則顯然,RC雙T電路的頻率特性很重要.RC雙T帶阻濾波電路(如圖):濾波器的特性參數(shù)為:取C0.068µF。由,從而得R=46.9k(取47k)k值越大,Q值越高,頻率選擇性越好,但這樣會(huì)導(dǎo)致濾波器性能不穩(wěn)定, 阻帶寬度也加大。通過認(rèn)真篩選元件、調(diào)整電位器RV32通過改變值可使50Hz陷波深度達(dá)到-25dB,帶寬為10Hz(45 55Hz)且濾波器穩(wěn)定,滿足心電檢測(cè)的要求。 信號(hào)源為30Hz 信號(hào)源為40H
11、z 信號(hào)源為50Hz 信號(hào)源為60Hz 實(shí)際焊接電路D. 電平提升模塊該部分電路主要起調(diào)節(jié)增益的作用,使輸出信號(hào)可達(dá)到V的量級(jí),電路圖如下所示因第一個(gè)模塊中放大倍數(shù)接近100倍,這個(gè)模塊只需放大倍數(shù)接近910倍即可。放大倍數(shù)通過滑動(dòng)變阻器RV42來調(diào)節(jié),如上圖示波圖形,放大倍數(shù)接近十倍。在輸入端加入電容組成一階無源濾波電路。其傳遞函數(shù)為:=得出其幅頻特性為: 其中為通帶內(nèi)要求的放大倍數(shù),現(xiàn)在考慮傳遞函數(shù)的后半部分令對(duì)于高通的情況由于w很小,所以當(dāng)截止頻率f=0.05HZ時(shí),有R41C41=2.25S,取R41=22.5K, C41=100µF,由于手上沒有22.5K,所以選擇了24K
12、的。實(shí)際焊接圖片7.最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果a) 模擬信號(hào)輸入與輸出結(jié)果顯示輸入10Hz,1.1mV的正弦波信號(hào),輸出結(jié)果為:b) 心電信號(hào)輸入與輸出結(jié)果顯示8.關(guān)鍵問題或可能問題及其解決方法1) 因?yàn)樵葐栴}導(dǎo)致的共模變差模,降低了電路的共模抑制比以及放大器的性能。2) 陷波電路不能在電路中起到很好的作用,增加50Hz陷波電路的Q值調(diào)制模塊可以解決這一問題。3) 右腿驅(qū)動(dòng)電路在心電信號(hào)采集時(shí)十分關(guān)鍵,要注意右腿采集的位置以及電阻和電容的選取。9.項(xiàng)目的不足之處1) 項(xiàng)目中沒有采用單片機(jī),未能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換,繪出波形;2) 測(cè)試過程沒有脫離示波器;3) 使用了三塊環(huán)氧板,電路也重新焊了多次,浪費(fèi)材料。10.用到的元器件參數(shù)LM324主要參數(shù) 電壓增益 100dB 單位增益帶寬 1MHz 單電源工作范圍 3V-30VDC 每個(gè)運(yùn)放功耗;工作電流為0.7mA輸入失調(diào)電壓 2mV(最大值7mV) 輸入偏置電流 50nA-150 nA 輸入失調(diào)電流 5nA-50 nA 輸入共模電壓范圍 0-V+-1
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