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心電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)報(bào)告和測(cè)試報(bào)告一、設(shè)計(jì)報(bào)告(一)、設(shè)計(jì)目的及其意義心肌是由無(wú)數(shù)個(gè)心肌細(xì)胞組成,由竇房結(jié)發(fā)出的興奮,按一定的途徑和時(shí)程,依次向心房和心室擴(kuò)布,引起整個(gè)心臟的循環(huán)興奮。心臟各部分興奮過(guò)程中出現(xiàn)的電位變化的方向、途徑、次序、和時(shí)間均有一定的規(guī)律。由于人體為一個(gè)容積導(dǎo)體,這種電變化也必須擴(kuò)布到身體表面。鑒于心臟在同一時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的電信號(hào),因此,可以通過(guò)安放在身體表面的胸電極或四肢電極,將心臟產(chǎn)生的電位變化以時(shí)間為函數(shù)記錄下來(lái),這種記錄曲線稱為心電圖,如下圖所示。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。心肌細(xì)胞的生物電變化時(shí)心電圖的來(lái)源,但是心電圖曲線與單個(gè)心肌細(xì)胞的膜電位曲線有明顯的區(qū)別。ECG波形是由不同的英文字母統(tǒng)一命名的。正常心電圖由一個(gè)P波、一個(gè)QRS波群和一個(gè)T波等組成。P波起因于心房收縮之前的心房極時(shí)的電位變化;QRS波群起因于心室收縮之前的心室除極時(shí)的收位變化;T波為心室復(fù)極時(shí)的電位變化,其幅度不應(yīng)低于同一導(dǎo)聯(lián)R波的1/10,T波異常表示心肌缺血或損傷。ECG的持續(xù)時(shí)間由:P-R間期(或P-Q間期)為P波開始至QRS波群開始的持續(xù)時(shí)間,也就是心房除極開始至心室除極開始的間隔時(shí)間,正常值為0.12~0.20s,若P-R期延長(zhǎng),則表示房室傳導(dǎo)阻滯;Q-T間期為QRS波群的開始至T波的末尾的持續(xù)時(shí)間,意為心室除極和心室復(fù)極的持續(xù)時(shí)間,正常值為0.32~0.44s;S-T段為從QRS波群終末導(dǎo)T波開始之間的線段,此時(shí)心室全部處于除極狀態(tài),無(wú)電位差存在,所以正常時(shí)與基線平齊,稱為等電位線,若S-T段偏離等電位線一定范圍,則提示心肌損傷或缺血等病變;QRS波群持續(xù)時(shí)間正常值約為0.06~0.11s。因此,實(shí)時(shí)的檢測(cè)心電信號(hào),可以從所得出的心電圖上觀察心臟的變化,醫(yī)生就可以從所測(cè)的心電圖上判斷心臟各個(gè)部位的功能是否正常,所以心電圖是醫(yī)生治療心臟方面的疾病所不可或缺的依據(jù)。因此心電檢測(cè)就有了實(shí)際應(yīng)用的意義。本實(shí)驗(yàn)的目的即利用設(shè)計(jì)的儀器從人體采集心電信號(hào),并進(jìn)行放大濾波最終呈現(xiàn)在示波器上進(jìn)行觀察。(二)、總體設(shè)計(jì)根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)設(shè)定電路的要求。心電的幅值為幾個(gè)毫伏;心電的頻率為0.05~100Hz。這就要求:電路的增益800~1200倍;共模抑制比大于80dB;差模輸入阻抗為10MΩ,電路的帶寬為0.05~100Hz。供電情況:光電隔離電路的前級(jí)用轉(zhuǎn)換電源供電,光電隔離后級(jí)電路則用學(xué)生電源供電。以保證光電隔離電路前后級(jí)無(wú)任何電的聯(lián)系。下面是電路的總體框圖:(三)、單元電路設(shè)計(jì)前置放大器(方案一-未采用)這里選用低噪聲的集成儀器放大器MAX4194作為放大器的核心元件。最低2.7V的工作電源電壓滿足電源要求。MAX4194具有軌-軌(輸出幅度可接近電源電壓)的特性,放大器輸入端設(shè)計(jì)有高通濾波器,可以抑制極化電壓,MAX4194的失調(diào)電壓不到0.1mV,因此取其電壓增益100,根據(jù)MAX4194的增益計(jì)算公式可得RG=500MAX4194在增益為1000時(shí)的3dB帶寬為147Hz,大于設(shè)計(jì)要求。查MAX4194的其他記表也滿足心電信號(hào)檢測(cè)的要求。下面是MAX4194的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(方案二-實(shí)際使用)采用AD620作為主放大器,其主要參數(shù)如下:V供電±2.3~±18V
最低100dB的CMRR(G=10)
高輸入阻抗1000MΩ
0.6mV/℃電壓漂移
120kHz帶寬(G=100)AD620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與MAX4194都一樣。下圖是前置放大器實(shí)際電路圖,實(shí)際中采用了共模驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)電路,以提高前置放大器的共模抑制比,但其中由于放大電路采用的是差分放大電路,因此由于匹配精度達(dá)不到要求,降低了共模抑制比,且?guī)?lái)較大的噪聲,所以將前置放大器中的低通去掉了。前置放大器的整體電路圖如下圖所示:電路的前端使用的是二極管保護(hù)電路,設(shè)計(jì)要求保護(hù)電路在輸入出席5000V高壓時(shí)不會(huì)損毀電路,,二極管D1~D4選用低漏電的微型二極管1N4148,其最大允許通過(guò)的瞬時(shí)電流為0.1A,因此,限流保護(hù)電阻R1和R2為50k。這樣的保護(hù)電路會(huì)防止臨床上的除顫電壓等高電壓損壞電路。電路采用了右腿驅(qū)動(dòng)和共模驅(qū)動(dòng)電路,取R5=10KΩ,Rf=10MΩ,CF=4700pF(Cf的作用是使右腿驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定)。R0=100KΩ??梢院芎玫奶岣吖材R种票?,濾除共模干擾。光電耦合電路前級(jí)電路把輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的電流信號(hào),經(jīng)光電耦合器耦合到后級(jí),光電耦合器中的硅光敏三極管輸出的電流信號(hào),運(yùn)放A2把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。圖中使用三極管T補(bǔ)償光電耦合器件的非線性。其增益為R3/R1.如果要得到1倍的放大,只需R1=R3即可,但實(shí)際實(shí)驗(yàn)中使用了將上面的三極管去掉了的電路,可能的原因是噪聲比較大,或者是三極管的非線性并非很好的補(bǔ)償了光電三極管的非線性(主要是不知道光電三極管的參數(shù),無(wú)法做到兩個(gè)三極管一致性),所以其增益不一定是1倍,如果R1=R3,即使這樣,可以在后級(jí)放大電路中通過(guò)增益調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的合理分配。.低通濾波器利用歸一化的方法設(shè)計(jì)低通濾波器。這里用四階巴特沃斯低通濾波器,其優(yōu)點(diǎn)是在通帶內(nèi)幅頻特性曲線比較平坦,而且四階也可以達(dá)到較陡的衰減的特性:其截止頻率為100Hz時(shí),到頻率為200Hz時(shí)其衰減幅度為9%。它的作用是濾除頻率為100Hz以上的信號(hào)分量。根據(jù)歸一化公式:設(shè)截至頻率為100Hz,設(shè)R=10KΩ,可算得C1=0.173μF,C2=0.216μF,C3=0.416μF,C4=0.061μF。根據(jù)電容的標(biāo)準(zhǔn)值,各電容實(shí)際取值為C1=0.15μF,C2=0.22Μf,C3=0.47μF,C4=0.68μF。陷波器由于是在實(shí)驗(yàn)室里面進(jìn)行測(cè)試,因此工頻干擾就比較大,成為主要干擾來(lái)源,所以設(shè)計(jì)50Hz陷波器來(lái)濾除工頻干擾。實(shí)驗(yàn)中的50HZ陷波器電路采用RC雙T網(wǎng)絡(luò)二階帶阻濾波器,它可以比較好的濾除工頻的干擾電路圖如下所示:R1=R2=30K,R3=15K,C1=C2=0.11μF,C3=0.22μF。該電路中的Q值隨著β(反饋系數(shù))的變化而變化,即Q=1/4(1-β),因此可以利用改變電路的β來(lái)實(shí)現(xiàn)Q值可調(diào)。但是,隨著β的增高,電路將會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至自激,因此一般選擇Q的范圍為十至幾十較為合理。實(shí)驗(yàn)中的Q=10截止頻率的計(jì)算公式為:其中f為截止頻率。末級(jí)放大器末級(jí)放大器采用的是一般的反相放大器,其增益為:K=-(R2+Rp)/R1Rp為電位器接入部分阻值。電路的放大倍數(shù)為10倍(前置放大器增益為100倍),可取R1=10kΩ,R2=90KΩ,Rp最大阻值為20kΩ。(為了降低電位器的熱噪聲)前面加了個(gè)高通濾波器,目的是為了濾掉極化電壓。Rp是作為調(diào)節(jié)增益的器件。電源轉(zhuǎn)換電路由于使用的是交流供電,因此在給放大器供直流電源時(shí)要進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換,這里采用二極管橋進(jìn)行整流,再采用DC-DC芯片進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)下面的電路就可以得到正負(fù)5V的電源電壓,可以給光電隔離電路的前級(jí)電路供電,其后級(jí)電路用學(xué)生電源12V供電。在選擇電容的時(shí)候注意選擇耐壓值高的,否則容易被擊穿,發(fā)生危險(xiǎn)。電路中,除了主放大使用AD620之外,其他需要使用運(yùn)算放大器的地方均使用LM324。LM324是四運(yùn)放放大器是內(nèi)含四個(gè)特性近似相同的高增益、內(nèi)補(bǔ)償放大器的單電源(也可以是雙電源)運(yùn)算放大器。電路可以在+5V或+15V下工作,功耗低,每個(gè)運(yùn)放靜態(tài)功耗約0.8,但驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)。
其主要參數(shù)如下: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(V+=5V時(shí))1mV/op.Amp
輸入失調(diào)電壓2mV(最大值7mV)
輸入偏置電流50nA----150輸入失調(diào)電流5nA----50
輸入共模電壓范圍(單電源)(雙電源)
輸出電壓幅度0----V+-1.5VDC(單電源時(shí))
輸出電流40mA
放大器間隔離度-120dB(f0:1kHz----20kHz)(四)小結(jié)實(shí)驗(yàn)中注意,在單獨(dú)測(cè)試某個(gè)電路的時(shí)候,最好要將其前后級(jí)的電路斷開,這樣會(huì)省去其他電路對(duì)其影響。整個(gè)電路做完之后,由于測(cè)試的時(shí)候是用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)(一般比較大),而如果要實(shí)際測(cè)量心電信號(hào),則要注意輸入阻抗和電壓增益是否足夠。如果做的好的話,應(yīng)該能清晰的看出心電的波形,所以在實(shí)驗(yàn)中可以以此來(lái)作為電路的好壞標(biāo)準(zhǔn)。如果能較為清晰看到心電波形,則電路的設(shè)計(jì)較為成功。二、測(cè)試報(bào)告靜態(tài)工作點(diǎn):將放大器的兩輸入端對(duì)地短路,觀察各級(jí)輸出波形并記錄幅值(即放大器靜態(tài)噪聲),若每級(jí)的輸出端電壓幅值均小于0.5V即為合格。前置放大電路的輸出靜態(tài)工作點(diǎn):8mV低通濾波器的輸出靜態(tài)工作點(diǎn):12mV50Hz陷波的輸出靜態(tài)工作點(diǎn):7mV后級(jí)放大的輸出靜態(tài)工作點(diǎn):22mV輸入噪聲:將放大器的兩輸入端對(duì)地短路,測(cè)出,計(jì)算輸入噪聲:Vin=Vo/K實(shí)際測(cè)得Vo=27mV,即得Vin=27μV,心電圖機(jī)要求輸入噪聲應(yīng)<35μV,因此電路的輸入噪聲滿足要求。差模增益:將20Hz,幅值為20mV(信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的最小幅值信號(hào))的正弦信號(hào)輸入放大器的一個(gè)輸入端,另一個(gè)接地。用示波器分別觀察前級(jí)輸出波形和后級(jí)放大電路之后的輸出的幅值,用示波器讀出輸入和輸出的電壓值,計(jì)算前置放大電路差模電壓增益:Ad1=/ViAd2=/Vi實(shí)際測(cè)得=2.12V,因此得出Ad1=2.12V/20mV=106,放大倍數(shù)基本符合設(shè)計(jì)要求。由于后級(jí)用的是12V供電,因此后級(jí)電路輸出超出電源電壓,無(wú)法測(cè)量。因此改從前級(jí)放大器的輸出端輸入Vi,測(cè)后級(jí)放大電路的輸出實(shí)際測(cè)得=204mV,因此后級(jí)的差模增益為Ad2=204/20=10.2因此整個(gè)電路的放大倍數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。共模增益:在放大器的兩輸入端,輸入頻率為20Hz,幅值為2V的正弦電壓,用示波器觀察前置放大器的輸出波形和后級(jí)輸出波形,并計(jì)算共模增益:AC1=VOC1/Vi=12mV/2V=0.006AC2=VOC2/Vi=56mV/2V=0.028計(jì)算共模抑制比計(jì)算前置放大器的共模抑制比:計(jì)算整個(gè)電路的共模抑制比:輸入阻抗:20.05MΩ輸出阻抗:283.2Ω零點(diǎn)漂移:將放大器的兩輸入端接地,測(cè)出輸出電壓幅值,隔一段時(shí)間(10~20分鐘)再測(cè)量一次輸出電壓的幅值。計(jì)算零點(diǎn)漂移:零點(diǎn)漂移=幅頻特性:理論帶寬為:0.05~100Hz實(shí)際測(cè)得:高端截止頻率為104.86Hz;低端截止頻率為0.9Hz從四階巴特沃斯低通濾波器的輸入端輸入幅值為1V的正弦電壓,測(cè)量其幅頻特性。四階巴特沃斯低通濾波器的測(cè)量數(shù)據(jù)如下:30.0173.5494.8799.65104.86109.32120.14180.760.9860.9780.8530.8120.7060.6010.4150.239陷波器的幅頻特性:從陷波器的輸入端輸入幅值為1V的正弦電壓,用示波器觀察其輸出波形,并記錄在各個(gè)頻率點(diǎn)上輸出電壓的幅值。29.0836.3939.6141.3046.1448
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