心電圖儀的設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易心電圖儀的設(shè)計(jì)

摘要隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)健康的重視程度與日俱爭(zhēng)特別是近年來(lái)老齡化得加劇，而且心血管疾病的發(fā)病率也不斷上升。目前心血管疾病成了威脅人類生命的主要疾病，心臟病已經(jīng)成了世界上死亡率最高的疾病。鑒于這種嚴(yán)峻形勢(shì)，提高預(yù)防和監(jiān)測(cè)該疾病的手段勢(shì)在必行。而心電信號(hào)是發(fā)現(xiàn)心臟病的最直接手段。但目前醫(yī)院用的心電監(jiān)護(hù)價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，患者檢查的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)重，不能做到隨時(shí)地都能檢查。因此設(shè)計(jì)一種便攜式，價(jià)格便宜且實(shí)用的心電監(jiān)護(hù)儀器具有重要意義。人體心電信號(hào)中的各種生理參數(shù)都是由復(fù)雜生命體(人體)所發(fā)出的強(qiáng)噪聲條件下的微弱信號(hào)（除體溫等直接測(cè)量的參數(shù)外），心電信號(hào)的幅值在10uV～4mV之間,頻率的范圍為0.05～100Hz，其中淹沒(méi)在50Hz的工頻干擾中和人體的其他信號(hào)中，檢測(cè)的過(guò)程及其方法比較的復(fù)雜。除去信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中的干擾、噪聲，進(jìn)行心電信號(hào)的分析是由心電圖儀的重要功能之一。本文考慮從人體心電信號(hào)的特點(diǎn)-信號(hào)微弱，低頻，高阻抗，不穩(wěn)定性和隨機(jī)性。采用了心電性信號(hào)的輸入—右腿驅(qū)動(dòng)電路、三級(jí)放大電路-前臵放大，電壓放大，功率放大。并用Multisim軟件進(jìn)行模擬仿真。該由運(yùn)算放大器構(gòu)成的簡(jiǎn)易心電圖儀，具有體積小，攜帶方便，實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)；運(yùn)算放大；心電圖

AbstractWiththesocialdevelopmentandcontinuousimprovementoflivingstandards,peoplewiththeemphasisonhealth,especiallyinrecentyearsatboththeagingofwarhaveincreased,andtheincidenceofcardiovasculardiseasearealsorising.Cardiovasculardiseaseiscurrentlythemainthreattohumanlifehasbecome,heartdiseasehasbecometheworld'shighestmortality.TheECGsignalisfoundinthemostdirectmeansofheartdisease.However,thehospitalECGuseexpensive,highmaintenancecosts,checktheeconomicburdenofpatientsandcannotbecheckedatanytime,anywhere.Thereforethedesignofaportabe,cheapandpracticalECGmonitoringequipmentisofgreatsignificance.Thefrequencychangesfrom0.05Hzto100Hz.Theelectrocardiacsignalisinundatedwith50Hzelectricfrequencysignalandotherperson’ssignal.Theelectrocardiacsignalisoneofthemostimportantcheckingprocedureandmethodarecomplex.WeconsiderboththecharacteristicsofhumanECG-weaksignal,lowfrequency,highimpedance,instabilityandrandomness.Withtheheartelectricalsignalinput-righdrivecircuit,three-levelamplifiercircuit-pre-amplification,voltageamplification,poweramplification..Giventhisgrimsituation,improvethepreventionandmonitoringofthediseasemeansimperative.ConstitutedbytheoperationalamplifierdesignedinthispaperasimpleECG,withasmall,portable,practicaldvantages.Keywords:Weaksingal；OpZoom； ECG 目 錄摘要............................................................................................................IIAbstract......................................................................................................III目 錄......................................................................................................IV第1章緒論.......................................................................................................11.1心電圖儀的發(fā)展史..........................................................................................11.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀................................................................................................11.3心電信號(hào)基本理論..........................................................................................21.4心電信號(hào)的特點(diǎn)............................................................................................3第2章心電圖儀的基本原理.........................................................................................42.1心電圖儀的基本組成框架....................................................................................42.2心電圖儀的輸入部分設(shè)計(jì)................................................................................42.2.1心電信號(hào)的檢測(cè).........................................................................................42.2抑制心電信號(hào)中50Hz共模信號(hào)干擾的有效方法...............................................................52.3心電圖儀中心電放大部分....................................................................................63.1高頻濾波部分........................................................................................72.3.2無(wú)源高通濾波器......................................................................................72.3.3第一級(jí)放大電路......................................................................................92.3.4第二級(jí)放大電路......................................................................................102.3.5有源低通濾波電路....................................................................................113.6第三級(jí)放大電路......................................................................................12第3章用Multisim進(jìn)行模擬仿真...................................................................................133.1multisim軟件介紹............................................................................................133.2放大部分的模擬仿真........................................................................................142.1第一級(jí)放大電路仿真 .................................................................................142.2第二級(jí)放大電路仿真.................................................................................162.3第三級(jí)放大電路仿真.................................................................................173.3濾波電路的仿真............................................................................................183.3.1低通濾波電路的仿真.................................................................................183.3.2高通濾波電路的模擬仿真.............................................................................193.4心電放大電路設(shè)計(jì)總圖......................................................................................20第4章總結(jié).......................................................................................................22致謝.................................................................................................錯(cuò)誤！未定義書簽。參考文獻(xiàn)........................................................................................................23

第1章緒論1.1心電圖儀的發(fā)展史心電圖檢測(cè)是20世紀(jì)建立起來(lái)并廣泛應(yīng)用于臨床診斷和監(jiān)測(cè)的重大技術(shù)成果之一，自1903年心電圖儀問(wèn)世，至今整整108周年?；仡櫺碾妶D的研究，最早始于英國(guó)的Waller（1887），他首次證實(shí)除了鴿子、青蛙的心臟外，人類心臟也存在生物電。繼Waller之后，貢獻(xiàn)最大的學(xué)者是荷蘭萊頓大學(xué)的生理學(xué)家愛(ài)因托芬（WilliamEinthoven，1860-1927）。1885年愛(ài)因托芬來(lái)到荷蘭西部的著名學(xué)府萊頓大學(xué)從事生理學(xué)的教學(xué)和研究工作。1889年，他開始了有關(guān)人類先點(diǎn)圖方面的綜合性研究。首先，他從改良Waller的毛細(xì)管電流計(jì)入手，進(jìn)行了改進(jìn)和校正；并對(duì)記錄曲線的四個(gè)峰點(diǎn)租了進(jìn)一步分析和標(biāo)定，采用P、Q、R、S、T標(biāo)出了心電圖上的波峰和波谷，1904年，在T波之后他又記錄到另一波，命名為U波，他倡導(dǎo)的心電圖波命名法一直沿用至今 [1]。毛細(xì)管電流計(jì)記錄的結(jié)果處理起來(lái)仍非常耗時(shí)，難以達(dá)到實(shí)用的程度。1896年，愛(ài)因托芬對(duì)線圈式電流計(jì)產(chǎn)生興趣，為了提高儀器的靈敏度以適應(yīng)對(duì)微弱的生物電進(jìn)行測(cè)量，他開始減少笨重的線圈的圈數(shù)，直到減少到一圈，最后變成了一根直線。經(jīng)過(guò)數(shù)年的無(wú)數(shù)次試驗(yàn)，終于選中了一種直徑只有0.002毫米的鍍銀石英絲，以取代原來(lái)笨重的線圈和反射鏡。于1903年創(chuàng)制出第一臺(tái)弦線型心電圖描記器。愛(ài)因托芬最初設(shè)計(jì)制造的弦線式電流計(jì)重達(dá)數(shù)噸，裝滿了座落在離萊頓大學(xué)附屬醫(yī)院一英里遠(yuǎn)的研究室中的一整間屋，為了收集醫(yī)院病人的心電圖，他用信號(hào)線將儀器與遠(yuǎn)方的病人連接起來(lái)。從1909年，他又發(fā)表論文詳細(xì)描述了他所改進(jìn)的弦線式電流計(jì)。1911年，依據(jù)他的論文，由英國(guó)電器工程師杜德?tīng)?WilliamduBoisDuddell,1872-1917)設(shè)計(jì)出第一批推向市場(chǎng)的這種儀器。從此，各種不同型號(hào)的弦線式電流計(jì)被紛紛生產(chǎn)出來(lái)，并廣泛應(yīng)用于電生理學(xué)和其他學(xué)科的實(shí)驗(yàn)研究。1912年，愛(ài)因托芬又研究了呼吸時(shí)心臟位臵變動(dòng)對(duì)心電圖的影響，同時(shí)說(shuō)明了三個(gè)導(dǎo)聯(lián)之間的關(guān)系，提出著名的“愛(ài)因托芬三角”的概念，進(jìn)一步為心電圖原理和心電測(cè)量的方法學(xué)奠定了基礎(chǔ)，使心電圖成為20世紀(jì)對(duì)心臟病人進(jìn)行臨床診斷和監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)手段。1924年，諾貝爾基金會(huì)為表彰他在改進(jìn)心電圖儀的設(shè)計(jì)和建立現(xiàn)代心電圖學(xué)方面的貢獻(xiàn)，授予他諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。并被后人推崇為心電圖學(xué)之父。 以后，心電圖儀不斷小型化，多功能化，數(shù)字化，并發(fā)展為十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng) [2]。1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀近些年來(lái)，在心電圖機(jī)的研究和生產(chǎn)中主要以日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家占主要地位，我國(guó)心電圖機(jī)的發(fā)展，特別是在家用的心電圖儀領(lǐng)域中，比較緩慢，水平也很落后。而常規(guī)的心電圖儀有單、多道之分，雖使用起來(lái)很方便，但是價(jià)格較貴，體積巨大，只能適合在醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)療中應(yīng)用，而且對(duì)于許多偶發(fā)的，短暫性的心率失常也是無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。雖然現(xiàn)在也有心電圖儀，可用于24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控，但是其價(jià)格及其昂貴，使用也不方便，尤其是在攜帶方面，并且一般不能實(shí)時(shí)處理，因此并沒(méi)有在很多的領(lǐng)域中推廣使用，在家庭里的使用更是寥寥無(wú)幾。隨著社會(huì)生活節(jié)奏的不斷加快，人們對(duì)健康的意識(shí)不斷的提高，小型便攜式的心電圖機(jī)需求也越來(lái)越大。因此家用心電圖機(jī)逐漸發(fā)展壯大。但是在我國(guó)便攜式心電圖儀并不多見(jiàn) [3]。1.3心電信號(hào)基本理論心臟跳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的電流并能向身體各個(gè)部位傳導(dǎo)，引起人體皮膚表層的點(diǎn)位發(fā)生變化。由于人體的各個(gè)部位不同，與心臟距離也不同，因此，人體皮膚表層不同部位的心電電位的變化也不同。將皮膚表層特定部位之間的電位差以時(shí)間為函數(shù)記錄下來(lái)，這種記錄曲線稱為心電圖（electrocardiogram，簡(jiǎn)稱ECG）。心電圖反映心臟興奮的產(chǎn)生，傳導(dǎo)和恢復(fù)過(guò)程中的生物電變化情況。正常人典型的心電圖如圖1.1所示。 圖1.1正常人典型的心電信號(hào)它是由一個(gè)P波，由一個(gè)QRS波群，一個(gè)T波和一個(gè)U波等組成，這些波形反映了心臟一次激動(dòng)過(guò)程中。皮膚表層某兩點(diǎn)之間的電位的變化情況。P波：心臟的興奮發(fā)源于竇房結(jié)，最先傳至心房，故P波是心電圖中的所有波最先出現(xiàn)的而且也是代表著兩心房產(chǎn)生興奮過(guò)程的波。興奮是在往兩心房傳播的過(guò)程中，其中的心電信號(hào)去除極化，綜合向量首先指向的是左下肢，再逐漸的轉(zhuǎn)向左上肢。將各瞬間心房去極的綜合向量導(dǎo)聯(lián)起來(lái)，便形成了一個(gè)代表心房去極的空間向量環(huán)，稱為P環(huán)。P環(huán)在各導(dǎo)聯(lián)軸上的投影即得出各導(dǎo)聯(lián)上不同的P波。P波的波形小而且圓鈍，隨各導(dǎo)聯(lián)而稍有不同。P波寬度不超過(guò)O.11s，電壓的高度一般不超過(guò)0.25mV。P-R段：即從P波終點(diǎn)至QRS波群起點(diǎn)。正常人該段接近于基線。P一R段是由電的活動(dòng)經(jīng)過(guò)房室交界而傳向心室中所產(chǎn)生,電位變化微弱，在人體的體表很難被記錄出來(lái)。P一R間期:是指從P波的起點(diǎn)至QRS波群的起點(diǎn)之間的時(shí)間間距，代表的是心房從開始興奮至心室開始產(chǎn)生興奮所需要的時(shí)間，這一期間隨著年齡增長(zhǎng)而有延長(zhǎng)的趨勢(shì)，成人一般約為0.12到0.20秒，年齡越小越短，超過(guò)0.21秒的稱為房室傳導(dǎo)的時(shí)間延長(zhǎng)。QRS波群:表示兩個(gè)心室在興奮傳播中過(guò)程變化的電位變化。從竇房結(jié)產(chǎn)生的興奮波經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)系統(tǒng)首先到的是心室間隔左側(cè)面，然后，按特定的路線和與方向，由內(nèi)層往外層依次的傳播。在隨著心室中各部位先后去極化所形成多個(gè)瞬間的綜合心電向量，而額面導(dǎo)聯(lián)軸上的投影，就是心電圖的肢體導(dǎo)聯(lián)部分的QRS復(fù)合波。QRS復(fù)合波一般包括三個(gè)波動(dòng)：在第一個(gè)向下的一個(gè)波稱為Q波，在Q波后面有個(gè)向上的波稱為R波，在R波所相連的另外的一個(gè)向下波稱為S波。這三個(gè)波—Q波、R波、S波緊密相連，而且周期小于0.10秒，所以稱為QRS復(fù)合波。一般心室肌興奮傳播所需時(shí)間是指QRS復(fù)合波所占時(shí)間，一般人的QRS波群的周期在0.06到0.10秒間。S-T段：指的是從QRS復(fù)合波結(jié)束到T波開始的直線，表示心室各部興奮均處在去極化狀態(tài)，沒(méi)有電位差。一般時(shí)相似相同的電位線，向下偏移不應(yīng)超過(guò)0.05毫伏，向上偏移在肢體導(dǎo)聯(lián)不超過(guò)0.1毫伏，在單極心前導(dǎo)程中V1、V2、V3可達(dá)到0.2-0.3毫伏;V4、V5導(dǎo)聯(lián)中一般低于0.1毫伏。在正常心電導(dǎo)聯(lián)中，ST段不低于0.05mV。波:是一個(gè)波寬較長(zhǎng)、波幅較低的電波，反映的是心室產(chǎn)生興奮后到再極化的過(guò)程。心室再極化的順序和去極化過(guò)程剛好相反，它緩慢從外層向內(nèi)層進(jìn)行，在外層已去極化部分的負(fù)電位首先恢復(fù)到靜息時(shí)的正電位，使外層為正，內(nèi)層為負(fù)，因此與去極化時(shí)向量的方向基本相同。連接心室復(fù)極各瞬間向量所形成的軌跡，就是心室再極化心電向量環(huán)，簡(jiǎn)稱T環(huán)。T環(huán)的投影即為T波。再極化過(guò)程同心肌代謝有關(guān)，因而較去極化過(guò)程緩慢，占時(shí)較長(zhǎng)。T波與S-T段同樣具有重要的診斷意義。波：是指在T波后0.02-0.04后s出現(xiàn)的寬而低的波，一般波高在小于0.05mV，波寬約0.20。是由心s 臟舒張時(shí)各部位所產(chǎn)生的負(fù)后電位所形成的 [4]。1.4心電信號(hào)的特點(diǎn)作為生物的心電信號(hào)，其特點(diǎn)如下：①心電信號(hào)是從體表特定位臵提取的生物電信號(hào)，該信號(hào)通常十分微弱，其幅值一般不5mV.超過(guò)②低頻特性：通常心電信號(hào)頻率較低，其頻率范圍一般處于0.05Hz~100Hz之間，頻譜能量主要集中在0.25Hz~35Hz。③高阻抗特性：心電信號(hào)的信號(hào)源（即人體源）阻抗一般較大（幾K~幾十K），會(huì)產(chǎn)生較大的熱噪聲，這將給心電信號(hào)測(cè)量帶來(lái)很大誤差。④不穩(wěn)定性和隨機(jī)性：人體是在內(nèi)、外環(huán)境相適應(yīng)的條件下維持其生命活動(dòng)。為適應(yīng)各種外部環(huán)境變化，人體內(nèi)各系統(tǒng)都是在相互影響中進(jìn)行著變化調(diào)整，以使內(nèi)外環(huán)境保持平衡。同時(shí)人體還受到遺傳因素的影響，這些因素均會(huì)使人體的心電信號(hào)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性和隨機(jī)性特點(diǎn)[5]。第2章心電圖儀的基本原理2.1心電圖儀的基本組成框架 圖2.1心電圖儀的基本組成框架①輸入部分包括從電極到導(dǎo)聯(lián)線，導(dǎo)聯(lián)選擇器等。輸出導(dǎo)聯(lián)線將電極引出的心電信號(hào)送入到心電圖儀的前臵放大器中。導(dǎo)聯(lián)選擇器的作用是不必改變?nèi)梭w電極的接線就可以進(jìn)行各種導(dǎo)聯(lián)的轉(zhuǎn)換。②放大部分包括前臵放大器，中間級(jí)的電壓放大器和功率放大器。其作用是將微弱的心電信號(hào)放大到可以觀察和記錄的水平。③記錄部分包括記錄筆的機(jī)械移動(dòng)裝臵及其控制電路等。它用于在記錄心電信號(hào)的電流變化曲線；也可以將心電信號(hào)在熒光屏上顯示出來(lái) [6]。2.2心電圖儀的輸入部分設(shè)計(jì) 2.2.心電信號(hào)的檢測(cè)1 獲取心電信號(hào)的方法是：依靠與肢體接觸的電極，電極一般為金屬小板（如薄銅片），電極通過(guò)多股絕緣芯線絞成的屏蔽線與心電圖儀相連；在測(cè)定心電波形是，電極安放的位臵以及導(dǎo)線與放大器的連接方式，稱為心電圖的“導(dǎo)聯(lián)”。為了便于比較和判斷，臨床對(duì)常用導(dǎo)聯(lián)作出了嚴(yán)格規(guī)定，通常將電極安放在4肢和胸部引出心電波。在心電上廣泛應(yīng)用的是12導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，包括標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），加壓?jiǎn)螛O肢體導(dǎo)聯(lián)（aVr，aVl，aVf）和胸導(dǎo)聯(lián)（V1，V2,V3,V4，V5，V6）三種類型，這里僅介紹“標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)”。將電極綁困在手腕或腳腕的內(nèi)側(cè)面，并通過(guò)較長(zhǎng)的屏蔽導(dǎo)線與心電圖儀連接的方式稱為“標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)” [7]。習(xí)慣上對(duì)這些電極規(guī)定了表示符號(hào)(見(jiàn)表2.1)。表2.1導(dǎo)聯(lián)標(biāo)記電極的部電極的部位右臂左臂左腿右腿符號(hào)符號(hào)RALALLRL標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)直接把兩個(gè)肢體電極的電位加到心電放大器的輸入端，所描述的波形即為兩點(diǎn)電位差的變化。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的接法如圖1.2所示，具體說(shuō)明如下。標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ導(dǎo)聯(lián)的電極接法：RA接放大器反相輸入端（一）,LA接放大器同相輸入端（+）,RL作為參考電極，接心電放大器參考點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?qū)?lián)的電極接法：RA接放大器反響輸入端（一），LL接放大器同相輸入端（+），RL作為參考電極，接心電放大器參考點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ導(dǎo)聯(lián)的電極接法：LA接放大器反相輸入端（—），LL接放大器同相輸入端（+），RL作為參考電極，接心電放大器參考點(diǎn) [8]。2.2.2抑制心電信號(hào)中50Hz共模信號(hào)干擾的有效方法體或通電導(dǎo)體周圍都存在磁場(chǎng)。由于心電圖儀、病房和手術(shù)的照明燈等都使用50Hz的交流電供電，故人和檢測(cè)儀器均處于電磁場(chǎng)的環(huán)境中，于是人體會(huì)隨時(shí)攜帶50Hz的干擾電壓，會(huì)完全淹沒(méi)心電信號(hào)。消除50Hz工頻干擾方法有以下幾種。①選用輸入阻抗高的放大器，保證差分放大電路阻抗平衡，可以提高電路共模抑制比。②用共模干擾電壓驅(qū)動(dòng)導(dǎo)聯(lián)線的屏蔽層，提高放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。當(dāng)導(dǎo)聯(lián)引線的屏蔽層接地時(shí)，分布電容變?yōu)榉糯笃鬏斎攵藢?duì)地的寄生電容C1、C2。實(shí)際上，兩根導(dǎo)聯(lián)線的分布電容不可能完全相等的，加之電極阻抗Rs1，Rs2不完全相等，使得Rs1C1≠Rs2C2，從而造成共模干擾電壓的不等量衰減，使工模電壓在放大器的輸入端轉(zhuǎn)化為差模電壓。消除工模干擾電壓的一種電路如圖。將導(dǎo)聯(lián)線的屏蔽層不接地，而接到緩沖器A3的輸入正常。其工作原理是：電壓跟隨器A1，A2的輸入電壓分別為v+v/2、v?v/2。用兩個(gè)阻值相同的電阻R接在 IC ID IC IDA1，A2的輸出端，在中間點(diǎn)取出A1、A2輸出電壓的平均值，給為共模電壓V1c，該電壓經(jīng)過(guò)電壓跟隨器A3加到導(dǎo)聯(lián)線的屏蔽層上，于是屏蔽層和信號(hào)線（芯線）具有相同的共模電壓，使得屏蔽層和芯線之間形成的分布電容C1、C2對(duì)共模電壓不會(huì)產(chǎn)生分流作用，消除了由C1，C2引起的共模電壓不均衡衰減從而提高了前臵放大器對(duì)共模干擾信號(hào)的抑制能力。③采用50Hz帶阻濾波器（也稱陷波器）。在采用以上方法仍不能滿意地消除50Hz干擾信號(hào)時(shí)，可以子啊放大電路中加入高Q值50Hz陷波器，采用高Q值陷波器的原因是防止有用信號(hào)中的50Hz附近的成分損失過(guò)多。④采用右腿驅(qū)動(dòng)電路消除人體上的共模電壓。當(dāng)人體的右腿接地的時(shí)候，會(huì)有感應(yīng)電流Id經(jīng)過(guò)人體到地，形成50Hz的共模干擾電壓。為消除該干擾電壓，將右腿不直接接地，而是通過(guò)一個(gè)限流電阻Ro與右腿驅(qū)動(dòng)放大器A3的輸入端相連，形成一個(gè)以人體為相加點(diǎn)的共模電壓并聯(lián)反饋，可以大大降低人體上的共模干擾電壓。實(shí)踐證明，在惡劣條件下，右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以使50Hz共模干擾減小到1%以下 [9]。由于右腿驅(qū)動(dòng)電路的蘿卜效果最好，本設(shè)計(jì)采用的是右腿驅(qū)動(dòng)電路（如圖2.2所示），人體的右臂RA、左臂LA、右腿RL，分別接入該驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，輸出端的兩個(gè)信號(hào)分別輸出道心電放大電路中進(jìn)行下一步的操作。圖2.2右腿驅(qū)動(dòng)電路2.3心電圖儀中心電放大部分圖2.3心電放大器原理圖圖中，3個(gè)運(yùn)算放大器A1、A2、A3儀表放大器，其中第一級(jí)A1、A2采用同相輸入并聯(lián)連接，按圖中的參數(shù)，其輸入阻抗約為10MΩ，運(yùn)算放大器A3構(gòu)成差分放大器作為第二級(jí)，可以消除第一級(jí)輸輸出信號(hào)中的共模干擾信號(hào)，獲得很高的共模抑制比。本設(shè)計(jì)主要采用的是運(yùn)算放大器對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行放大，下面對(duì)運(yùn)算放大器做簡(jiǎn)要的介紹：下圖2.4為一普通運(yùn)算放大器圖2.4運(yùn)算放大器一般的，運(yùn)算放大器具有一個(gè)信號(hào)輸出端口和同相、反相兩個(gè)高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓的放大單元，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及差分放大器 [10]。運(yùn)放的供電方式可分為單電源和雙電源供電兩種。對(duì)于雙電源供電運(yùn)放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)輸出也可臵零。采用單電源供電的運(yùn)放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。運(yùn)放的輸入電位通常要高于負(fù)電源的某一數(shù)值，而低于正電源的某一數(shù)值。經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化，甚至要高于正電源或要低于負(fù)電源也是可以的。這種運(yùn)放稱為軌到軌輸入運(yùn)算放大器 [11]。 2.3.高頻濾波部分1 圖2.3中C3、C4用于濾除高頻干擾和噪聲。濾波器，顧名思義，是對(duì)波進(jìn)行過(guò)濾的器件。“波”是一個(gè)非常廣泛的物理概念，在電子技術(shù)領(lǐng)域，“波”被定義為描述各個(gè)物理量的取值隨著時(shí)間的起伏變化過(guò)程。該過(guò)程經(jīng)過(guò)各類傳感器的作用，被轉(zhuǎn)換為電流和電壓的時(shí)間函數(shù)，稱之為各種物理量的時(shí)間波形，或者稱之為信號(hào)。因?yàn)樽宰兞繒r(shí)間是連續(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時(shí)間信號(hào)，又習(xí)慣地稱之為模擬信號(hào)(AnalogSignal。)隨著數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)(一般簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī))技術(shù)的產(chǎn)生和飛速發(fā)展，為了便于計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生了在抽樣定理指導(dǎo)下將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變換成離散時(shí)間信號(hào)的完整的理論和方法。也就是說(shuō)，可以只用原模擬信號(hào)在一系列離散時(shí)間坐標(biāo)點(diǎn)上的樣本值表達(dá)原始信號(hào)而不丟失任何信息，波、波形、信號(hào)這些概念既然表達(dá)的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現(xiàn)代社會(huì)賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播，靠的就是波形信號(hào)的傳遞。信號(hào)在它的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€(gè)環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，有時(shí)，甚至是在相當(dāng)多的情況下，這種畸變還很嚴(yán)重，以致于信號(hào)及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當(dāng)中了[12]濾波，本質(zhì)上是從被噪聲?；兒臀廴玖说男盘?hào)中提取原始信號(hào)所攜帶的信息的過(guò)程。 濾波主要有兩種：1是電源濾波，2是信號(hào)濾波 [13]。前者利用的是電容的儲(chǔ)能特性，一個(gè)接在電源兩端的電容，當(dāng)電源電壓發(fā)生突變時(shí)（比如突然下降時(shí)），電容上的電壓不會(huì)發(fā)生突變，而是呈現(xiàn)一個(gè)緩慢下降過(guò)程。同樣，電源電壓突然升高時(shí)，電容的端電壓也會(huì)是一個(gè)緩慢的升高過(guò)程（簡(jiǎn)單的說(shuō)，把瞬間變化過(guò)程變成一個(gè)緩慢變化的過(guò)程，這樣有利于減少電源輸出電壓的波動(dòng)，避免在元器件兩端出現(xiàn)劇烈的電源變化，如果要求變化越慢，則并聯(lián)的電容數(shù)就越多。電容容值也越大）后者利用的是電工電子里的復(fù)阻抗計(jì)算公式，電容的容抗Z=j(1/ωc)。從這里可以看出，容抗與信號(hào)的角頻率和容值都有關(guān)系，如果要對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行濾波（ω比較?。瑒t需要讓Z比較小，也就是要C足夠大。這樣當(dāng)電容并聯(lián)在信號(hào)線和地兩端時(shí)，低頻信號(hào)就可以通過(guò)電容流到地（由于電容容值比較大，則容抗比較小，對(duì)于低頻信號(hào)而言，這個(gè)大電容就為信號(hào)提供了一條阻抗很小的接地通路，你可以看做是低頻信號(hào)對(duì)地短路），這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻信號(hào)的濾波。相反，如果選擇的電容容值比較小，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的濾波。本設(shè)計(jì)采用的是C1=C2=510pF，其電容的容值比較小，阻抗比較大。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)高頻干擾信號(hào)的濾波。2.3.無(wú)2源高通濾波器圖2.3中C1、R1和C2、R2組成的無(wú)源高通濾波電路用于保證整機(jī)的下限截止頻率。如圖2.5所示電路為二階無(wú)源RC高通濾波器基本節(jié),圖2.5二階無(wú)源高通濾波器圖中R1=R2=R，C1=C2=C。采用復(fù)頻域分析，可以得其電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)為：S2H(S)=U(S)/U(S)= o i 11 S+2 )+(2 ( ) RCRC （2-1）1根據(jù)二階基本節(jié)高通濾波器電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)的典型表達(dá)式：KS2H(S)=（2-2）ωS2+(P)S+ω2P 1 1 可得增益常熟為K=1，極點(diǎn)頻率ω= ,極偶品質(zhì)因數(shù)Q=. p RC p 3正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓的轉(zhuǎn)移函數(shù)課寫成： |H(ωj)|= K = 1 （2-3）ω2 1ω2 1 3(1?P)+(P)(1?)+()2ω2QωRC22ω2RCω由上式可知：當(dāng)ω=0時(shí)， |H(j0)|=01當(dāng)ω=ω=時(shí)，|H(jω)|=QK= p p PRC13當(dāng)ω=∞時(shí)，|H(j∞)|=K=1可見(jiàn)隨著頻率增加幅值函數(shù)增大，該電路具有使高頻信號(hào)通過(guò)的特性，故稱為高頻濾波器。由上可得，圖2.2中對(duì)應(yīng)的下限截止頻率 f= 1 = 1HZ ≈0.03H L2πR1C2 2π×5.1×106×1×10?6 Z 2.3.第一級(jí)放大電路3 如圖2.6為同相放大電路圖2.6同相放大電路在同相放大電路中，輸出通過(guò)負(fù)反饋的作用。使v自動(dòng)地跟蹤v事v≈v，或n p p nv=v?v≈0。這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。 id p n由于同相和反相兩端輸入端之間出現(xiàn)虛短現(xiàn)象，而運(yùn)算放大器的輸入電阻的阻值又很高，因而經(jīng)過(guò)兩端之間的i=i≈0，這種現(xiàn)象稱為虛斷 [14]。在入端的電壓大小接近相等，相位相同時(shí)它在閉環(huán)工作中的重要特征。①電壓增益根據(jù)虛短和虛斷的概念有：v≈v，i=i=0。由圖2.4可知 p n p n vi=vp≈vn=vf= 2vo （2-4）R1+R2從而可得電壓增益為 v R+R R AV=o=12=1+1（2-5）vR R i 2 2②同相放大器輸入阻抗放大器在正常運(yùn)行的時(shí)候，反饋總是使反向輸入端的電壓等于同相輸入端的電壓。因此，同相輸入端與反向輸入端的電壓差總是等于零，所以，同相輸入端與反向輸入端總是不存在輸入電流的變化，ΔU/ΔI=∝ 。所以，運(yùn)算放大器同相輸入端本身的輸入阻抗無(wú)窮大。如果設(shè)臵同相端對(duì)地電阻Riz，那么同相比例放大器的輸入阻抗就等于Riz。③同相放大器輸出阻抗同相比例運(yùn)算放大器在正常運(yùn)行的時(shí)候；輸出電壓總是滿足使反饋在反向輸入端的電壓等于同相端的電壓(Av=R1/R2+1)。如果在放大器輸出端接上負(fù)載引起輸出電壓下降，那么下降的輸出電壓就會(huì)使反饋在反向輸入端的電壓不等于同相端的電壓，于是又會(huì)引起輸出端的電壓回到Av=R1/R2+1的參數(shù).所以，在運(yùn)算放大器輸出負(fù)載電流能力的范圍之內(nèi)，負(fù)載阻抗的變化不會(huì)對(duì)放大器輸出電壓產(chǎn)生影響，相當(dāng)于放大器的輸出阻抗等于零 [15]。圖3.3中A1和A2采用的是同相輸入并聯(lián)連接的差模放大電路，其輸入阻抗為∞，差模增益為： v?v R+R+R A =O1O2=3 4 5 （2-6）VD1 v11?v12 R3將R3、R4、R5帶入上式得：A=103VD1即，第一級(jí)放大器的增益為103 2.3.第二級(jí)放大電路4 如圖2.7為差分放大電路差放的外信號(hào)輸入分差模和共模兩種基本輸入狀態(tài)。把信號(hào)加到兩輸入端口之間，當(dāng)輸入信號(hào)vo1、vo2大小相等、極性相反時(shí)，稱為差模輸入狀態(tài)。此時(shí)，外輸入信號(hào)稱之為差模輸入信號(hào)，用vid表示。同理，把外信號(hào)加到兩輸入端口與地之間，當(dāng)vo1、vo2大小相等、極性相同時(shí)，稱之為共模輸入狀態(tài)，此時(shí)的外輸入信號(hào)稱為共模輸入信號(hào)，以vIC表示。當(dāng)輸入信號(hào)使vo1、vo2的大小不對(duì)稱時(shí)，輸入信號(hào)可以看成是由差模信號(hào)vId和共模信號(hào)vIc兩部分組成，其中動(dòng)態(tài)時(shí)分差模輸入和共模輸入兩種狀態(tài) [16] 圖2.7差分放大電路(1)當(dāng)差模輸入信號(hào)的放大作用為差模信號(hào)vId輸入(共模信號(hào)vIc=0)時(shí)，差分放大器兩輸入端的信號(hào)大小相等、極性相反時(shí)，即vo1=－vo2=vId/2,因此差動(dòng)對(duì)管電流增量的大小相等、極性相反，導(dǎo)致兩輸出端對(duì)地的電壓增量，即差模輸出電壓vod1、vod2大小相等、極性相反，此時(shí)雙端輸出電壓為：vo=vod1－vod2=2vod1=vod,可見(jiàn)，差放能夠有效地放大差模輸入信號(hào)。注意：差分放大器的公共射極的動(dòng)態(tài)電阻Rem對(duì)差模信號(hào)不起負(fù)反饋?zhàn)饔谩?2)對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制作用:當(dāng)共模信號(hào)vIc輸入(差模信號(hào)vId=0)時(shí)，差放兩輸入端信號(hào)大小相等、極性相同，即vo1=－vo2=vIc,因此差動(dòng)對(duì)管電流增量的大小相等、極性相同，導(dǎo)致兩輸出端對(duì)地的電壓增量，即差模輸出電壓voc1、voc2極性相同，大小相等，此時(shí)雙端輸出電壓為vo=voc1－voc2=0,由此可見(jiàn)，差分放大器對(duì)共模輸入信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力。此外，當(dāng)電路處于對(duì)稱條件時(shí)，差放具有很強(qiáng)的抑制零點(diǎn)漂移及抑制噪聲與干擾的能力。根據(jù)對(duì)第一級(jí)放大電路的分析，vo1≠vo2，其中R8=R9、R6=R7 R R R v=?8v+(1+8)9v（2-7）o3R6o1R6R9+R7o2 vo3 R8 A==? (2-8)VD2vo1?vo2R6帶入數(shù)據(jù)得：A=-10VD2即第二級(jí)放大電路的放大倍數(shù)為10倍，且相位相反。 2.3.有源低通濾波電路5 濾波器是一種能使有用信號(hào)通過(guò)，濾波信號(hào)中的無(wú)用頻率，即抑制無(wú)用信號(hào)的電子裝臵。有源濾波器實(shí)際上是具有特定頻率響應(yīng)的放大器。低通濾波器是一個(gè)通過(guò)低頻信號(hào)而衰減或抑制高頻信號(hào)的部件。理想的濾波電路的頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。但實(shí)際濾波器不能達(dá)到理想要求。為了尋找最佳的近似理想特性，主要考慮幅頻響應(yīng)，而不是考慮相頻響應(yīng)。一般的說(shuō)，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之，濾波器的相頻特性越好，幅頻特性越差。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，單RC網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)越多，原件參數(shù)計(jì)算月繁瑣，電路的調(diào)試越困難。任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器級(jí)聯(lián)而成，對(duì)于n為偶數(shù)的高階濾波器，可由n/2節(jié)二階濾波器級(jí)聯(lián)而成；而n為奇數(shù)的高階濾波器可以由（n-1）/2節(jié)二階濾波器和一節(jié)一階濾波器級(jí)聯(lián)而成，因此一階濾波器和二階濾波器是高階濾波器的基礎(chǔ)[17]。如圖所示 圖2.8低通濾波電路考慮到集成運(yùn)算放大器同相端輸入電壓：結(jié)點(diǎn)9的電壓 V9=Vo4 V(s)結(jié)點(diǎn)8電壓V和結(jié)點(diǎn)9電壓V9關(guān)系為：對(duì)于V9(s)=1+sRC8 8結(jié)點(diǎn)8，由KCL可得：V(s?)V(s) V(s?)V(s)o38=[V(s?)V(s)]sC+89 R 8 O4 R10(2-9)(2-10)聯(lián)立上3式，并帶入數(shù)據(jù)得：該電路的傳遞函數(shù)：其上限截止頻率為： V 1A(s)=o4= ≈1 V (1+sRC)2o31(2-11)f=(2-12)H2π2πR10R11C5C代入數(shù)據(jù)的： 1 f=≈106.4HzH 2π×68×103×22×10?9 2.3.第三級(jí)放大電路6 圖2.9可調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器結(jié)點(diǎn)14的電壓:R V14=R+RP13V 13由虛短虛短的概念可知：結(jié)點(diǎn)13的電壓: V=V 13 14 V13=VO4聯(lián)立上式得：電壓的傳遞函數(shù)： V RP+R A =O5= 13VD4 VO4 R13因?yàn)镽P的電壓調(diào)節(jié)范圍為：0~510KΩ所以O(shè)5(2-13)(2-14)(2-15)該運(yùn)放可調(diào)的增益為11倍。第3章用Multisim進(jìn)行模擬仿真3.1multisim軟件介紹隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在電子電路設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)手段由傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）逐步被EDA（ElectronicDesignAutomation）技術(shù)所取代。EDA技術(shù)主要包括電路設(shè)計(jì)、電路仿真和系統(tǒng)分析 3個(gè)方面的內(nèi)容，其設(shè)計(jì)過(guò)程的大部分工作都是由計(jì)算機(jī)完成的。這種先進(jìn)的方法已經(jīng)成為當(dāng)前學(xué)習(xí)電子技術(shù)的重要手段，更代表著現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)代潮流。EWB仿真軟件是multisim系列仿真軟件的前身，該軟件是加拿大IIT公司在20世紀(jì)80年代后期推出的用于電子電路設(shè)計(jì)與仿真的EDA軟件，EWB工作平臺(tái)上可建立各種電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其元器件庫(kù)可提供萬(wàn)余種常用元器件由用戶任意調(diào)用，具有高度集中、界面直觀操作方便等特點(diǎn)，同時(shí)還具有多種電路分析手段和各類虛擬測(cè)量?jī)x表。2007年3月，美國(guó)NI公司又推出了最新的NICircuitSuit10軟件，NIMultisim10是其中的一個(gè)重要的組成部分，它可以實(shí)現(xiàn)原理圖的捕獲、電路分析、交互式仿真、電路板設(shè)計(jì)、仿真儀器測(cè)試、集成測(cè)試、射頻測(cè)試、單片機(jī)等高級(jí)應(yīng)用。其數(shù)量眾多的元器件數(shù)據(jù)庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)化的仿真儀器、直觀的捕獲界面、更簡(jiǎn)明了的操作、強(qiáng)大的分析測(cè)試功能、可信的測(cè)試結(jié)果，將虛擬儀器的靈活性擴(kuò)展到了電子設(shè)計(jì)者的工作平臺(tái)上，彌補(bǔ)了測(cè)試與設(shè)計(jì)功能之間的缺口，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，強(qiáng)化了電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)。其特點(diǎn)如下：(1)直觀的圖形界面整個(gè)界面就像是一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作平臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的儀器儀表可直接施放到工作區(qū)中，輕點(diǎn)鼠標(biāo)即可完成導(dǎo)線的連接，軟件儀器控制面板、操作方式與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特征曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。(2)豐富的元器件庫(kù)NIMultisim10擴(kuò)充了EWB的元件庫(kù)，其中包括基本元件、半導(dǎo)體元件、TTI，以及CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC、MCU和其他部件，用戶可通過(guò)元件編輯器自行創(chuàng)建和修改所需元件模型，還可通過(guò)公司官方網(wǎng)站和代理商獲得元件模型的更新和擴(kuò)充服務(wù)。(3)豐富的測(cè)試儀器儀表除EWB具備的數(shù)字式萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、示波器、邏輯、邏輯轉(zhuǎn)換儀和字信號(hào)發(fā)生器分析儀外，還增加了瓦特表、、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和失真分析儀，而且所有儀器均可以同時(shí)多臺(tái)調(diào)用。完備的分析手段除EWB提供的直流工作點(diǎn)分析、交流分析、傅里葉分析、瞬態(tài)分析、失真分析、噪聲分析、參數(shù)掃描分析、傳輸函數(shù)分析、極點(diǎn)—零點(diǎn)分析、靈敏度得分析、最壞情況分析好蒙特卡羅分析外，還新增了批處理分析用戶定義分析、直流掃描分析、射頻分析和噪聲圖形分析等，能基本滿足電子電路設(shè)計(jì)和分析的要求。強(qiáng)大的仿真能力NIMultisim既可對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，尤其新增了射頻（PF）電路的仿真功能。仿真失敗的時(shí)會(huì)顯示錯(cuò)誤信息提示可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤原因，仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。完美的兼容能力NIMultisim10軟件可方便地將模擬結(jié)果以原有的文檔格式導(dǎo)入LABVIEW或者SignalExpress中。工程人員可更有效地分享及比較仿真數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，而無(wú)須轉(zhuǎn)換文件格式，在分享數(shù)據(jù)時(shí)減少了失誤，提高了效率 [18]。3.2放大部分的模擬仿真本設(shè)計(jì)采用的是用Multisim模擬軟件進(jìn)行的仿真，首先對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行模擬仿真，然后再用真實(shí)的器材搭建出電路并進(jìn)行仿真。本設(shè)計(jì)可分為以下幾個(gè)部分進(jìn)行：3.2.1第一級(jí)放大電路仿真第一級(jí)放大器為同相輸入差模運(yùn)算放大器，由于基本差動(dòng)放大電路的輸入電壓是從放大器同相端和反相端兩側(cè)同時(shí)加入的，所以其輸入電阻不夠高。如果把差動(dòng)輸入信號(hào)都從同相側(cè)送入，則能大大提高電路的輸入阻抗。采用下圖所示的同相輸入結(jié)構(gòu)，輸入阻抗可高達(dá)10MΩ以上。該放大器第一級(jí)是具有深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋的電路，所以它的輸入電阻很高。若選用相同特性的運(yùn)放，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相等，再通過(guò)組成的差分式電路，共模電壓可以相互抵消，故它有很強(qiáng)的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓，同時(shí)該電路有較高的差模電壓增益。與基本差動(dòng)放大電路的輸出電壓表達(dá)式相比，同相并聯(lián)的第一級(jí)電路并不要求外電路電阻有任何形式的匹配來(lái)保證共模抑制能力，因此也就避免了電阻精確匹配的麻煩。實(shí)質(zhì)上，第一級(jí)的輸出回路里不產(chǎn)生共模電流，加在電阻R3上的差動(dòng)電壓決定了整個(gè)電路的工作電流均如此。所以電路的共模抑制能力與外電路電阻是否匹配完全無(wú)關(guān)。與基本差動(dòng)放大電路相比，這種片聯(lián)結(jié)構(gòu)的電路能方便地實(shí)現(xiàn)增益上的調(diào)節(jié)，這帶來(lái)使用上的很大方便。第一級(jí)電路具有完全對(duì)稱形式，這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)有利于克服失調(diào)，漂移的影響。選擇Al，A2的性能參數(shù)，使之彼此精確匹配，就可以充分發(fā)揮對(duì)稱電路誤差電壓相互抵消的優(yōu)點(diǎn)。利用電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，失調(diào)互補(bǔ)的原理，就能獲得低漂移的基本方法。進(jìn)一步分析可見(jiàn)，A1，A2本身各自對(duì)共模電壓的抑制能力上的差異，將造成第一級(jí)電路的CMRR3的降低。設(shè)A1，A2器件的共模抑制比分別為CMRR3，CMRR4；均為有限值，則共模輸入電壓Uic使A1在它的輸入端存在共模誤差電壓U/CMRR3，使A2在它的輸入端存在共模誤差電壓UiC/CMRR4，因而在第一級(jí)輸出ic端存在共模誤差的輸出電壓。CMRR×CMRR CMRR = 3 4 （3—1） 12CMRR ?CMRR 3 4由此可見(jiàn)，第一級(jí)放大電路的共模抑制能力取決于運(yùn)放器件和本身的共模抑制比的差異，為了使第一級(jí)放大電路獲得高共模抑制比，A1，A2器件本身的CMRR1和CMRR2的數(shù)值是否高并不重要，重要的是它們的對(duì)稱性。舉兩組數(shù)為例，設(shè)CMRR3和CMRR4分別為80dB,90dB，則第一級(jí)放大電路的CMRR12只有83dB，而如果嚴(yán)格挑選A1和A2使其共模抑制比分別為80dB,80.5dB，則第一輯放大電路的CMRR12可高達(dá)160dB。所以實(shí)現(xiàn)第一級(jí)放大電路得高共模抑制比并不困難，通?？蛇_(dá)到l00dB以上。下圖4.1放大器的理論放大倍數(shù)應(yīng)為Avd1=103，（由于心電信號(hào)P-QRS-T波形在Multisim中無(wú)此波形，以下均用30mV，60Hz的微弱交流信號(hào)代替心電信號(hào)）。在Multisim在實(shí)際仿真電路圖:圖3.1同相輸入差模放大電路其仿真結(jié)果圖3.2所示： 圖3.2同相輸入差模放大電路仿真結(jié)果圖由上圖3.2計(jì)算：4.368同相輸入差模放大電路的放大倍數(shù)為A=與理=102.98。VD1 42.416×10?3論值進(jìn)行比較，A實(shí)際≈A理論 3.2.第二級(jí)放大電路仿真2 僅僅用Al,A2構(gòu)成前臵級(jí)是不足的，因?yàn)槿绮豢紤]這一級(jí)共模電壓向差模電壓的轉(zhuǎn)化，Al,A2輸出端就存在與輸入端相同的共模電壓。這樣，共模電壓在輸出端占用了一定的工作范圍，致使差動(dòng)信號(hào)的有效工作范圍變小。為了割斷共模電壓在電路中的傳遞，最簡(jiǎn)單最有效的方法是在 Al,A2并聯(lián)電路的后面接入一級(jí)差動(dòng)放大，構(gòu)成的第二級(jí)放大電路。圖3.3差分放大電路其仿真結(jié)果如下圖3.4所示：圖3.4差分放大電路仿真結(jié)果圖帶入通道A（輸出）和通道B（輸入）數(shù)據(jù)可得：41.862該差分放大器的增益為A==-10VD2聯(lián)立（3—1）可得：第一級(jí)和第二級(jí)放大電路的共模抑制比為： CMRR=AV1CMRR12×CMRR5 ×CMRR+CMRR (3-2) AVD1 5 12 3.2.第三級(jí)放大電路仿真3 由于第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路和濾波電路中在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的誤差，而影響心電圖儀的正常工作放大，因而采用第三級(jí)放大電路—同相比例放大電路，作為輸出緩存級(jí)。其理論增益為：RP A =+1 (3-3)VD4R13 按圖3.5中滑動(dòng)變阻器所在位臵 50%所示，其理論值為A=6。VD4圖3.5同相比例放大電路其實(shí)際仿真結(jié)果如下圖3.6所示：圖3.6同相比例放大電路仿真結(jié)果圖由通道A（輸入）和通道B（輸出）數(shù)據(jù)可知：251.98該電路的增益為： A ==6VD441.998與實(shí)際理論值相符，即可得出結(jié)論，該同相比例放大電路的增益調(diào)節(jié)范圍為0~11。3.3濾波電路的仿真 3.3.低通濾波電路的仿真1 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求：心電信號(hào)頻率范圍為0.05～100Hz，現(xiàn)選用2階有源低通濾波器，其理論上限截止頻率為f=106.4HzH下圖3.7為實(shí)際仿真電路圖： 圖3.7低通濾波電路 其仿真結(jié)果為： 圖3.8低通濾波電路仿真結(jié)果圖 由上圖中的數(shù)據(jù)可知，該有源低通濾波電路的上限截止頻率在102.5Hz左右，符合設(shè)計(jì)的要求。 3.3.高通濾波電路的模擬仿真2 設(shè)