《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計-心電圖儀設(shè)計與制作

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 通信工程 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 心電圖儀設(shè)計與制作初始條件：模擬電子技術(shù)根底知識、會使用Multisim進行仿真分析.要求完成的主要任務(wù): 制作一路心電信號放大器，技術(shù)指標(biāo)如下：a電壓放大倍數(shù)：1000，誤差： 5；b3dB低頻截止頻率：0.05Hz可不測試，由電路設(shè)計予以保證；c3dB高頻截止頻率：30Hz，誤差：5Hz；d頻帶內(nèi)響應(yīng)波動：在3dB之內(nèi)；e共模抑制比： 60dB含1.5m長的屏蔽導(dǎo)聯(lián)線，共模輸入電壓范圍：7.5V；f差模輸入電阻： 5M可不測試，由電路設(shè)計予以保證；時間安排：序號安排內(nèi)容內(nèi)容所需時間天1電路方案設(shè)

2、計12電路仿真與分析23撰寫設(shè)計報告14辯論1合計5指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任或責(zé)任教師簽名： 年 月 日目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc252611683 摘 要 PAGEREF _Toc252611683 h 3 HYPERLINK l _Toc252611684 引 言 PAGEREF _Toc252611684 h 4 HYPERLINK l _Toc252611685 1 設(shè)計方案比擬 PAGEREF _Toc252611685 h 5 HYPERLINK l _Toc252611686 1.1 光電效應(yīng)手指脈搏傳感器 PAGEREF _

3、Toc252611686 h 5 HYPERLINK l _Toc252611687 1.2 壓電陶瓷式脈搏傳感器 PAGEREF _Toc252611687 h 6 HYPERLINK l _Toc252611688 1.3 銅片式脈搏傳感器 PAGEREF _Toc252611688 h 6 HYPERLINK l _Toc252611689 2 單元電路設(shè)計 PAGEREF _Toc252611689 h 8 HYPERLINK l _Toc252611690 2.1 前置放大局部 PAGEREF _Toc252611690 h 8 HYPERLINK l _Toc252611691 2

4、.2 帶通濾波電路 PAGEREF _Toc252611691 h 11 HYPERLINK l _Toc252611692 2.3 后級放大電路 PAGEREF _Toc252611692 h 12 HYPERLINK l _Toc252611693 3 仿真結(jié)果及分析 PAGEREF _Toc252611693 h 13 HYPERLINK l _Toc252611694 3.1 前置放大電路局部仿真 PAGEREF _Toc252611694 h 13 HYPERLINK l _Toc252611695 3.2 帶通濾波局部仿真 PAGEREF _Toc252611695 h 13 HY

5、PERLINK l _Toc252611696 3.3 放大局部仿真 PAGEREF _Toc252611696 h 14 HYPERLINK l _Toc252611697 3.4 整體電路仿真 PAGEREF _Toc252611697 h 15 HYPERLINK l _Toc252611698 4 總結(jié) PAGEREF _Toc252611698 h 17 HYPERLINK l _Toc252611699 5 元件清單 PAGEREF _Toc252611699 h 18 HYPERLINK l _Toc252611700 6 參考文獻 PAGEREF _Toc252611700 h

6、 19摘 要本文主要介紹了如何應(yīng)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(shè)計簡易心電圖儀.本文還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(shè)計也做了簡要介紹.AbstactThis paper mainly introduces how to apply the amplifier circuit and suppress common mode signal circuit,low-pass filter circuit and after-class amplifier design simple Electrocardiograph.This artic

7、le also describes the characteristics of ECG and its impact on amplifier requirements.With regard to the specific circuit design unit also made a brief introduction.引 言心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段.心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關(guān)鍵部件. 如下列圖所示,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。而T波不應(yīng)低于R波1/10.

8、其主要頻率范圍為0.0530HZ,幅度約為05mV,信號十分微弱.心電信號圖 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,測量條件比擬復(fù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度、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(shè)計了一種符合上述要求的多路心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).1 設(shè)計方案比擬1.1 光電效應(yīng)手指脈搏傳感器圖1-1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(yīng)的變化，當(dāng)光通過手指尖射到

9、硅光電池時,產(chǎn)生光電效應(yīng),這樣就把人體的脈搏轉(zhuǎn)換為相應(yīng)于脈博的電信號, 方便檢測.一級放大電路局部:采用運放LM324作為放大芯片,把指尖取出的極微弱的0.1uA3 uA的電流放大約20倍.昂二階低通濾波局部: 按人體脈搏在最高跳動次數(shù)240 次/min 計算，據(jù)歸一化法設(shè)計低通放大器，-3dB截止頻率為14HZ.電源局部采用電池供電.其優(yōu)點是,電路結(jié)構(gòu)簡單,易于制作.但缺點是,光電效應(yīng)手指脈搏傳感器價格貴,且入射光強太強時,會使輸出飽和.此外,由于缺少陷波局部的設(shè)計,50HZ的工頻信號會給電路帶來極大干擾,使輸出信號失真.1.2 壓電陶瓷式脈搏傳感器圖1-2選用壓電陶瓷片HTD作為傳感器，把

10、人體的脈搏震動轉(zhuǎn)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.數(shù)據(jù)采集局部,用OP07這種具有一定精度的普通運算放大器來構(gòu)建放大電路.濾波局部選用數(shù)字濾波.數(shù)字濾波的優(yōu)點是參數(shù)可調(diào)節(jié)性好，可以通過更改程序中的參數(shù)對截止頻率進行精確的調(diào)節(jié).由于參數(shù)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(shù)字濾波對處理器的要求比擬高，想要得到更好的濾波效果就要求濾波器取更高的階數(shù)，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處理器達不到要求.電源局部采用7805和7905輸出正負(fù)五伏直流電壓為運算放大器供電.1.3 銅片式脈搏傳感器圖1-3銅片式脈搏傳感器的

11、原理與壓電陶瓷類似,由于銅片的形變產(chǎn)生相應(yīng)的電信號. 其優(yōu)點是價格低廉,但缺點是極易受到干擾.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、適宜的頻帶和動態(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)療儀器前置放大器使用.濾波局部選用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

12、累積誤差過大影響濾波效果.后級放大局部用OP07做放大，電源局部采用正負(fù)12V直流電壓為運算放大器供電.因此,綜合各種原因考慮,決定使用銅片式脈搏傳感器.2 單元電路設(shè)計2.1 前置放大局部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(xiàn)，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(jù)這一要求，查資料比擬之后，我選擇了OP07這一芯片，該芯片的特點是雙電源供電，內(nèi)部噪聲小.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.(1)同相放大電路對于同相放大電路，

13、其根本電路示意圖如圖2-1所示：圖2-1 同相輸入我們知道，理想的運算放大器有一個特點：輸入電阻無窮大.所以根據(jù)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(nèi)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.(2)反相放大電路電路示意圖如圖2-2所示: 圖2-2 反相輸入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，而且這樣也要求反應(yīng)電阻更大，進一步加大熱噪聲，這樣非常不利于微

14、弱信號的放大.根據(jù)以上的比擬，前放電路選擇了同相放大的電路形式.前置放大電路設(shè)計電路如圖2-3所示：圖2-3 前置放大電路這一級的放大倍數(shù)為A=1+R2/R1，選擇這一級放大倍數(shù)為50，由于芯片已經(jīng)保證輸入電阻無窮大，所以R1可不取很大，取R1=10K，那么R2就取490K.2.2 帶通濾波電路如圖2-4所示,帶通濾波由雙運放集成電路OP07構(gòu)成.OP07具有高精度,低偏置,低功耗等特性,片內(nèi)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(nèi),因此,采用OP07的兩個運放分別設(shè)計二階有源高通和低通濾波器組合成帶通濾波.OP07采用正負(fù)12V直

15、流電源供電.濾波局部的放大倍數(shù)為1. 圖2-4 帶通濾波電路其中C3,C4,R1,R4構(gòu)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(shè)計為f=0.05HZ.那么,w=2f=0.31416rad/s. 選取電容C3=C4=22uF,那么參數(shù)K=100/(fc)=90.9.查閱二階高通濾波器設(shè)計表并綜合壓控電壓源性能參數(shù)計算公式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(gòu)成低通濾波器.為了不損失其高頻成分,截止頻率設(shè)計為30HZ. 那么,w=2f=188.496 rad/s. 由計算公式w*w=1/( C1

16、*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.2.3 后級放大電路后級放大電路如圖2-5所示：圖2-5 后級放大電路由于前置放大局部選擇的放大倍數(shù)為50，所以這一級放大倍數(shù)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,那么R2取200K即可.3 仿真結(jié)果及分析本實驗采用Multisim軟件進行仿真，仿真過程及分析如下.3.1 前置放大電路局部仿真仿真波形及幅值如圖3-1：圖3-1輸入電壓峰值為4mV，而輸出電壓峰值為399/2=199.5mV，計算得放大倍數(shù)為199.5/4=49.9，與設(shè)計時所

17、預(yù)想的誤差非常小.3.2 帶通濾波局部仿真帶通濾波20HZ時波形如圖3-2：圖3-2此時輸出峰峰值810mV，而輸入峰峰值為800mV，沒有失真，放大倍數(shù)幾乎為1，符合設(shè)定要求.30HZ時波形如圖3-3：圖3-3可見30HZ時輸出峰峰值將為554mV，符合設(shè)計要求的-3dB時高頻截止幅值頻率30Hz，即800*0.7=560 mV.由于1Hz以下頻率太低，函數(shù)發(fā)生器不穩(wěn)定，無法正常測試，所以不再測試.3.3 放大局部仿真放大局部仿真波形如圖3-4所示：圖3-4 放大局部波形輸入電壓峰值為200mV，輸出電壓峰值為8/2=4V，所以這一級放大倍數(shù)為4/0.2=20，與設(shè)計要求完全符合.3.4 整

18、體電路仿真將前置放大，帶通濾波，后級放大級聯(lián)，如圖3-5：圖3-5 整體電路圖輸入20Hz，峰值4mV(即峰峰值8mV)正弦信號，得到的輸出波形及參數(shù)如圖3-6：圖3-6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：圖3-7可以看到，當(dāng)信號頻率為20Hz時，輸出信號峰峰值為8.11V，計算放大倍數(shù)為8.11*1000/8=1013.75，誤差為1.375%，在5%誤差范圍內(nèi).當(dāng)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(yīng)為8*0.7=5.6V，誤差為0.89%.至此,整套系統(tǒng)的模擬已經(jīng)全部完成.4 總結(jié)心電系統(tǒng)的前向通路對目前面世的許多醫(yī)學(xué)儀器起著不可漠視的重要角色；這相當(dāng)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(dāng)前對心電的研究是至關(guān)重要的.剛要做時，我覺得無法入手，經(jīng)過長時間的對