電信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與制作

摘要：本文通過(guò)三導(dǎo)聯(lián)采集人體的心電信號(hào)，依次通過(guò)前置放大、高通濾波、50HZ陷波、主放大和低通濾波電路，得到可以在示波器上較清楚顯示的心電圖。其中，第一級(jí)前置放大是CMRR很大的差動(dòng)放大器，此處采用儀用放大器AD620，放大倍數(shù)固定為10的電路；第二級(jí)是二階有源高通濾波器電路，所設(shè)計(jì)的截止頻率為0.05Hz；第三級(jí)是50hz陷波電路，能有效去除50HZ工頻干攏；第四級(jí)是主放大，放大倍數(shù)為100倍，采用TL084；第五級(jí)為低通濾波器電路，所設(shè)計(jì)的截止頻率為100Hz。該電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低溫漂和高信噪比等特點(diǎn),很好地滿足心電采集設(shè)備的要求，電路簡(jiǎn)單可靠，可行性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：心電放大,AD620,TL084CD,濾波，陷波

1 引言

心血管疾病是人類死亡的主要疾病之一，許多患者心臟病發(fā)作后由于未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和搶救極易發(fā)生死亡。然而由于心律失常的出現(xiàn)常常是偶發(fā)的，使用通常的心電圖機(jī)等短程分析方法不易發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在較為有效的方法就是采用記錄2小時(shí)以至更長(zhǎng)時(shí)間的心電圖并加以分析以期捕捉到心律失常波形。

心電放大電路設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求：⑴在測(cè)量過(guò)程中不允許影響正常的生理過(guò)程；⑵測(cè)得的生理信號(hào)不得失真；⑶最大可能地將信號(hào)與各種干擾分離；⑷一旦有電擊事故等危險(xiǎn)情況發(fā)生必須對(duì)病人提供有效地保護(hù)。其中，⑴、⑵、⑷直接與前置放大器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣有關(guān)，⑶主要靠后級(jí)的濾波電路實(shí)現(xiàn)，但是仍依賴前置級(jí)的成功設(shè)計(jì)。

本文研究設(shè)計(jì)了一種低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的心電放大器，在此基礎(chǔ)上可研制出便攜式動(dòng)態(tài)心電記錄儀。該儀器的最大優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、實(shí)用、低功耗且成本低廉，對(duì)各中小型醫(yī)院的危重病人的搶救和家庭監(jiān)護(hù)有較好的實(shí)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)的心電放大器包括前置放大電路、高通濾波電路、陷波電路、低通放大電路和主放大輸出電路五個(gè)部分。

2 心電信號(hào)的產(chǎn)生及特征

心臟是人體中血液循環(huán)的動(dòng)力源泉，依靠心臟的有節(jié)律性的搏動(dòng)，使得血液不斷在體內(nèi)循環(huán)，以維持正常的生命活動(dòng)。

圖2.1 正常心電圖的波形圖

心臟在搏動(dòng)之前，心肌首先發(fā)生興奮，在興奮過(guò)程中產(chǎn)生微弱的電流，該電流經(jīng)人體組織向各部分傳導(dǎo)，由于身體各部分的組織不同；各部分與心臟間的距離不同，因此在人體體表各部位，表現(xiàn)出不同的電位變化，這些電位變化可通過(guò)導(dǎo)線送至記錄裝置即心電圖機(jī)記錄下來(lái)，形成動(dòng)態(tài)曲線，這就是所謂心電圖(electrocardiogram，ECG)，也稱為體表心電圖。正常的人體心電圖可以反映心臟激動(dòng)電位的變化，是由一系列重復(fù)出現(xiàn)的下列各波、段和間期組成。

2.1 心電信號(hào)的特點(diǎn)

（1）微弱性：從人體體表拾取的心電信號(hào)很微弱，一般只有0.05mV～5mV。

（2）不穩(wěn)定性：人體電信號(hào)處于動(dòng)態(tài)變化之中。由于人體是一個(gè)與外界有密切關(guān)系的開放系統(tǒng)，加之內(nèi)部存在著器官間的相互影響，所以，無(wú)論來(lái)自外部或者內(nèi)部的刺激，都會(huì)使人體因適應(yīng)這種變化，而從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)，從而使人體信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，在對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、分析和處理時(shí)，應(yīng)該注意到它是隨時(shí)間變化的信號(hào)，應(yīng)按其頻譜特性，選擇適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)和顯示記錄裝置。

（3）低頻特性：人體心電信號(hào)的頻譜范圍主要集中在0.05～100Hz，分布的帶寬范圍有限，其頻率是比較低的。

（4）隨機(jī)性：人體心電信號(hào)是反映人體機(jī)能的信號(hào)，它是整個(gè)人體系統(tǒng)信息的一部分。由于人體的不均勻性以及可接收多通道輸入，信息易隨外界干擾而變化，從而使心電信號(hào)表現(xiàn)出隨機(jī)性。

2.2 心電信號(hào)的常見(jiàn)噪聲

心電信號(hào)具有微弱、低頻、和高阻抗等特性，極其容易受到干擾，所以分析干擾的來(lái)源，以便采取相應(yīng)的濾除措施，是數(shù)據(jù)采集重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題。常見(jiàn)干擾有如下幾種：

（1）工頻干擾。由于供電網(wǎng)絡(luò)無(wú)所不在，因此50Hz的工頻干擾是最普遍的，也是心電信號(hào)的主要干擾來(lái)源。它主要通過(guò)人體和測(cè)量系統(tǒng)的輸入導(dǎo)線的電容性耦合，以位移電流的形式引入，其強(qiáng)度足以淹沒(méi)有用的心電信號(hào)。

（2）呼吸引起的基線漂移和ECG（心電信號(hào)）幅度改變。呼吸引起的基線漂移可以看成是一個(gè)以呼吸的頻率加入ECG信號(hào)的竇性成分(正弦曲線)。這個(gè)正弦成分的幅度和頻率是變化的。呼吸所引起的ECG信號(hào)的幅值的變化可以達(dá)到15％。基線漂移的頻率約是從0.1Hz一0.3Hz。

（3）高頻電磁場(chǎng)干擾。隨著無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，各種頻段的無(wú)線電廣播、電視發(fā)射臺(tái)、通訊設(shè)備、雷達(dá)等的工作使空中的電磁波大量增加。這些高頻電磁干擾也可通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)與人體連接的導(dǎo)線引入，可能引起測(cè)量結(jié)果的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使測(cè)量系統(tǒng)不能工作。

（4）電極極化干擾。心電的獲取是通過(guò)在人體體表放置電極來(lái)進(jìn)行的。與電極接觸的是電解質(zhì)溶液(導(dǎo)電膏、汗液或組織液等)，從而會(huì)構(gòu)成一個(gè)金屬—電解質(zhì)溶液界面，因電化學(xué)的作用，在二者之間會(huì)產(chǎn)生一定的電位差，稱之為極化電壓。極化電壓的幅度一般較高，在幾毫伏到幾百毫伏之間。當(dāng)兩電極狀態(tài)不能保持對(duì)稱時(shí)，極化電壓就會(huì)產(chǎn)生干擾，特別是在電極與皮膚接觸不良以致脫落的情況下更為嚴(yán)重。

（5）肌電干擾。興奮和收縮是肌肉的最基本功能，在神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，肌肉機(jī)械性活動(dòng)并伴隨有生物電活動(dòng)。這些生物電活動(dòng)產(chǎn)生的電位差隨時(shí)間變化的曲線即為肌電圖。肌電通常是一種快速的電變化，其頻率范圍為20—5000Hz。

（6）測(cè)量設(shè)備本身的干擾。信號(hào)處理所采用的電子設(shè)備本身也會(huì)產(chǎn)生儀器噪聲。這類干擾一般具有較高的頻率特性，容易通過(guò)低通濾波加以濾除。

3 心電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)用于心電監(jiān)護(hù)儀的心電放大器，心電信號(hào)的幅度范圍為0.01 mV～5mV，放大器的供電電壓為±5V，要求放大器與后續(xù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器相連接，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為0～5V。

主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）輸入阻抗：≥5MΩ

（2）輸入偏置電流：<2nA

（3）等效輸入噪聲：<30uVpp

（4）共模抑制比：50Hz正弦信號(hào)的共模抑制比≥90dB

（5）耐極化電壓：±300mV

（6）漏電流：<30uA

（7）頻帶：0.05～100Hz

具體要求：

（1）設(shè)計(jì)放大器電路；

（2）計(jì)算電路中個(gè)元器件的參數(shù)值；

（3）具體選擇電路中所用元器件的型號(hào)，并對(duì)選擇的關(guān)鍵元器件說(shuō)明其選擇理由。

4 心電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)

本電路設(shè)計(jì)主要由五部分組成：前置放大電路，高通濾波電路、50Hz陷波電路、低通濾波電路和主放大輸出電路。系統(tǒng)框圖如下圖所示：

圖4.1 心電放大器系統(tǒng)框圖

從心電電極得到的心電信號(hào)先要經(jīng)過(guò)前置放大電路，被處理后的信號(hào)具有低噪聲、低漂移、低共模抑制比等性能。這時(shí)候的心電信號(hào)主要受到工頻、肌電等信號(hào)的干擾，可通過(guò)相關(guān)的信號(hào)調(diào)整電路對(duì)其進(jìn)行處理。現(xiàn)分別對(duì)各單元電路設(shè)計(jì)如下：

4.2 前置放大電路

前置放大器是硬件電路的關(guān)鍵所在，設(shè)計(jì)的好壞直接影響信號(hào)的質(zhì)量，從而影響到儀器的特性。除了要求精度高穩(wěn)定之外，根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，前置級(jí)應(yīng)該滿足下述要求：

（1）高輸入阻抗。被提取的心電信號(hào)是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻的微弱信號(hào)，為了減少信號(hào)源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。一般情況下，信號(hào)源的內(nèi)阻為100kΩ，則放大器的輸入阻抗應(yīng)大于1MΩ。

（2）高共模抑制比（CMRR）。人體所攜帶的工頻干擾以及所測(cè)量的信號(hào)以外的生理信號(hào)的干擾，一般為共模干擾，前置級(jí)須采用CMRR高的差動(dòng)放大形式，以減少共模干擾的傳遞。

（3）低噪聲、低漂移。主要作用是對(duì)源信號(hào)的影響小，拾取信號(hào)的能力強(qiáng)，能夠防止輸出飽和、使輸出穩(wěn)定。

（4）高增益:心電信號(hào)的幅度范圍為0.5～5mV，頻響：0.05～100Hz，屬于微弱信號(hào)，因而需要的放大器增益較高。

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前置放大電路如下圖所示

圖4.2 前置放大電路圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求采用高精度儀用放大器AD620,。AD620是一種只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為1—1000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)放構(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。

圖4.3 AD620芯片引腳圖

所以設(shè)計(jì)出的前置級(jí)放大倍數(shù)為：

人體接地是造成觸電事故的一個(gè)重要原因，因此取消人體接地是最根安全用電措施。人體接地本來(lái)就是在沒(méi)有高質(zhì)量的放大器情況下采取少共模信號(hào)的應(yīng)急措施。測(cè)量心電圖時(shí)，如果病人右腳不接地，由于雜散分布電容的影響，病人身上將會(huì)產(chǎn)生很高的共模電壓。因此，最理想的方法是設(shè)計(jì)出一種既能減少共模干擾又能取消人體接地的電路。右腿驅(qū)動(dòng)的工作原理是將由人體體表獲得的共模電壓通過(guò)負(fù)反饋放大的方式輸回人體，從而達(dá)到抵消共模干擾的作用，從根本上抑制共模電壓。

右腿驅(qū)動(dòng)電路

圖4.4 加右腿驅(qū)動(dòng)的前置放大電路圖

4.3 高通濾波電路

由于心電信號(hào)微弱，需要多級(jí)放大，而多級(jí)直接耦合的直流放大器雖能滿足要求，但多級(jí)直接耦合的直流放大器容易引起基線飄移。此外，由于極化電壓存在的緣故，動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)的直流放大器更不能采用多級(jí)直接耦合。本裝置中，在兩級(jí)放大器之間采用RC耦合電路，即時(shí)間常數(shù)電路，在隔離直流信號(hào)的同時(shí)達(dá)到高通濾波的效果。我們?nèi)r(shí)間常數(shù)約為3.2s，這樣可確定電阻、電容值，在兩級(jí)之間組成高通濾波器。可得轉(zhuǎn)折頻率為：

本設(shè)計(jì)采用的高通濾波電路為二階壓控電源型高通濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其電路圖如下圖所示：

圖4.5 高通濾波器電路圖

4.4 50Hz陷波電路

心電信號(hào)由于頻率低、信號(hào)小、因此50Hz的工頻干擾特別嚴(yán)重。工頻干擾信號(hào)通過(guò)周圍儀器設(shè)備以及人體內(nèi)的分布電容混淆在心電信號(hào)之中，影響測(cè)量效果。為了去除人體或者測(cè)量系統(tǒng)中的工頻50Hz干擾，需要用帶阻濾波器（即陷波器）予以抑制。

由前面前置放大器的設(shè)計(jì)可知，本系統(tǒng)通過(guò)右腿電路和放大器AD620自身的特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電信號(hào)中的共模干擾較好抑制，但還是有部分50Hz工頻干擾順利通過(guò)了前置放大器，仍保留在了心電信號(hào)中。由于50Hz工頻干擾是心電信號(hào)中的主要干擾，并且它的頻率正好處在0.05～100Hz的頻帶范圍之內(nèi)，再加上其它的不穩(wěn)定因素，剩余的工頻干擾信號(hào)還比較強(qiáng)，因此，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路將它們?yōu)V除。所以，為了將心電信號(hào)頻帶范圍之內(nèi)的50Hz工頻干擾信號(hào)濾除，同時(shí)保證其它信號(hào)毫無(wú)衰減地通過(guò)，在本系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)一個(gè)陷波器（即帶阻濾波器），它負(fù)責(zé)完成抑制50Hz工頻干擾信號(hào)，而讓其他頻率通過(guò)。經(jīng)過(guò)研究比較，采用的是二階壓控電壓源帶阻濾波器（巴特沃斯響應(yīng)），其具體電路如下所示：

圖4.6 50Hz陷波電路圖

4.5 主放大電路

由于心電信號(hào)的幅度很小，一般只有１mv左右，而系統(tǒng)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的芯片的電壓輸入范圍是0～5V，因此，僅僅靠前置放大電路所實(shí)現(xiàn)的10倍放大還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要增加一級(jí)主放大電路來(lái)提高整個(gè)心電放大電路的增益。由于前置放大器已經(jīng)完成對(duì)心電信號(hào)的10倍放大，公式為：

因此，該電路還需要一個(gè)100放大的主放大電路，最終實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的1000倍放大，將1mv信號(hào)放大成1V的轉(zhuǎn)換要求。所設(shè)計(jì)的主放大電路如下圖所示：

圖4.7 主放大電路圖

4.6 低通濾波電路

由于電磁干擾越來(lái)越嚴(yán)重，所以心電信號(hào)在采集過(guò)程中不僅有50Hz的工頻干擾和低頻、直流分量的干擾，還有高于100Hz高頻諧波的嚴(yán)重干擾，有必要進(jìn)行低通濾波電路的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的低通濾波電路為二階壓控電源型低通濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其電路圖如下圖所示：

圖4.8 低通濾波器電路圖

根據(jù)傳遞函數(shù)得該電路的截止頻率與品質(zhì)因數(shù)表達(dá)式分別為：

5 Multisim電路仿真結(jié)果

5.1 前置放大電路仿真

輸入：幅值為2mv,頻率為80Hz的正弦波

輸入信

圖5.1 前置電路仿真輸入輸出結(jié)果圖

從圖中我們可以看出放大倍數(shù)約為10倍，仿真結(jié)果與理論計(jì)算差不多。

5.2 高通濾波電路仿真

輸入：幅值為20mv,頻率為80Hz的正弦波

轉(zhuǎn)折頻率大概0.05Hz

圖5.2a高通濾波電路仿真波特圖

圖5.2b高通濾波電路仿真輸入輸出圖

從仿真結(jié)果可以看到高通濾波器對(duì)80Hz的正弦波無(wú)減少

5.3 50Hz陷波電路仿真

輸入：幅值為10mv,頻率為50Hz的正弦波，波特圖如下圖所示：

能有效減少50Hz工頻干擾

圖5.3a 50Hz陷波電路仿真波特圖

輸出信號(hào)幅值

輸入信號(hào)幅值

圖5.3b 50Hz陷波電路仿真輸入輸出圖

從仿真結(jié)果可以看出對(duì)50Hz的正弦波信號(hào)有較好的抑制作用，符合設(shè)計(jì)要求。

5.4 主放大輸出電路仿真

輸入：幅值為10mv,頻率為50Hz的正弦波,輸出波形如下圖所示：

輸出信號(hào)的幅值

輸入信號(hào)的幅值

圖5.4 主放大電路仿真輸入輸出圖

從仿真結(jié)果可以知道大概放大了100倍，與理論設(shè)計(jì)相符合。

5.5 低通濾波電路仿真

轉(zhuǎn)折頻率大概在100Hz

圖5.5低通濾波電路仿真

5.6 總體電路仿真

輸入80Hz，2mV的正弦波信號(hào)，輸出波形和波特圖如下圖所示：

圖5.6a 總體電路波特圖

最初輸出信號(hào)的幅值

最終輸出信號(hào)的幅值

圖5.6b 總電路仿真輸入輸出圖

從總電路仿真可以看出輸入2mv,輸出2V.,放大了1000倍左右，符合設(shè)計(jì)要求。

6 硬件電路的調(diào)試和測(cè)量

6.1電路焊接

當(dāng)電路設(shè)計(jì)好后，準(zhǔn)備進(jìn)行電路的焊接。

（1）準(zhǔn)備器件：準(zhǔn)備好焊接時(shí)所需要的器材，理好要焊接的器件，分類放好；

（2）在用烙鐵前檢查烙鐵是否接地良好，把烙鐵頭用海綿洗干凈鍍上錫。焊接時(shí)溫度不要過(guò)高，時(shí)間不要過(guò)久。注意焊點(diǎn)的透滲性，點(diǎn)與點(diǎn)的間距，松香與焊錫膏的配合。

（3）焊接前先對(duì)電路進(jìn)行初步布局，做到心中有數(shù)，臨時(shí)布線會(huì)出現(xiàn)很多意想不到的問(wèn)題。

（4）開始焊接主器件，并且邊焊接邊測(cè)試各個(gè)電源與地是否存在短路現(xiàn)象，焊接好一部分（功能模塊）后立即進(jìn)行測(cè)試，待正常后再焊接下一部分，直到所有的器件都焊接完畢；

（5）焊好后必須檢查所焊件是否有虛焊，沒(méi)焊，錯(cuò)焊，短路現(xiàn)象。

6.2 電路調(diào)試

（1）目測(cè)檢查

檢查各個(gè)元器件是否焊接正確（方向、極性，阻值）。檢查每個(gè)焊點(diǎn)是否焊好，應(yīng)無(wú)漏焊、虛焊、焊點(diǎn)均勻、光潔、焊錫適量、是否有短路

（2）電路板檢查檢查（用萬(wàn)用表檢查）

對(duì)照電路原理圖，不插芯片，只是對(duì)電阻、電容進(jìn)行檢測(cè)，檢查、測(cè)量各個(gè)元器件管腳之間的連接是否正確。（每個(gè)芯片，每次上電之前都要進(jìn)行如下檢查）：檢查正電源與負(fù)電源之間是否短路；檢查正電源與地之間是否短路；檢查負(fù)電源與地之間是否短路；檢查運(yùn)放輸出與正電源、負(fù)電源、地之間是否短路。

檢查無(wú)誤后，在檢查各部分聯(lián)接正確無(wú)誤的情況下，插上芯片通電檢查，打開電源開關(guān)，進(jìn)行測(cè)試。

（3）.這是才是真正調(diào)試的開始，調(diào)試過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，比如沒(méi)有信號(hào)輸出、信號(hào)失真等。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)試電路的第一件事情就是測(cè)試電源，這直接關(guān)系到芯片的安全和能否正常使用，待電源正常后再進(jìn)行下一步測(cè)試；電路要一級(jí)一級(jí)地進(jìn)行測(cè)量，上級(jí)接通之后再看下一級(jí)。

圖6.1 焊接中的電路圖

連接好的硬件示意圖如下：

圖6.2 焊接好的電路圖

6.3 電路各個(gè)模塊的調(diào)試

焊好電路后，要進(jìn)行電路板的調(diào)試。首先要對(duì)電路的各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)送入各個(gè)模塊的輸入端，通過(guò)檢測(cè)輸出波形，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器對(duì)各個(gè)模塊的性能進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)試。

（1）AD620模塊

當(dāng)輸入1mV，20Hz正弦波信號(hào)時(shí)，通過(guò)示波器可測(cè)試出信號(hào)經(jīng)AD620模塊后的輸出電壓大致為9.7mV，可計(jì)算出該模塊的放大倍數(shù)為9.7，比較接近理論值10倍。

（2）高通濾波模塊

將AD620模塊輸出的信號(hào)接入高通濾波模塊，用示波器測(cè)試其輸出電壓大致為9.7mV，高通濾波器對(duì)效果不錯(cuò)。

（3）陷波器模塊

在單模塊在測(cè)試過(guò)程中，首先陷波器輸入端輸入1V，50Hz的正弦波信號(hào)，用示波器測(cè)試其輸出電壓大致為36mV, 陷波器效果好。

（4）主放大器模塊

主放大器輸入端輸入10mV，20Hz的正弦波信號(hào)，用示波器測(cè)試其輸出電壓大致為960mV，可計(jì)算出該模塊的放大倍數(shù)比較接近理論值100。

（5）低通濾波模塊

將主放大輸出的信號(hào)接入低通濾波模塊，用示波器測(cè)試其輸出電壓大致為1V，低通濾波器效果不錯(cuò)。

將調(diào)試好的各模塊連接起來(lái)，輸入2mV，20Hz的正弦波信號(hào)，檢測(cè)到的信號(hào)波形如下圖所示：

圖6.3 得到的總體電路的信號(hào)波形

6.4 頻帶的測(cè)試

放大器的頻帶可分別由設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的低通及高通濾波器來(lái)確定。用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2mV的信號(hào)，通過(guò)改變輸入頻率來(lái)測(cè)得頻帶范圍大概為0.05Hz~100Hz，其中50Hz陷波處，信號(hào)幅值為160mV,測(cè)量結(jié)果如下圖所示：

圖6.4 下限截止頻率大約為0.05Hz

圖6.5 上限截止頻率大約為100Hz

圖6.6 50Hz處陷波

從上圖可看出，除去采集過(guò)程中由于示波器或其他原器件帶來(lái)的誤差外，該心電采集放大電路的通頻帶大致符合設(shè)計(jì)要求，即通頻帶為：0.05Hz～100Hz。并且還可看出在50Hz附近有明顯的衰減。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

7.1 心電測(cè)量結(jié)果

將兩輸入端和地線分別通過(guò)心電電極和左手、右手還有右腿相連，通過(guò)示波器來(lái)觀察采集到的心電信號(hào)如下：

圖7.1 測(cè)量得到的心電信號(hào)波形

圖7.2 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中

7.2 心電信號(hào)結(jié)果分析

（1）高輸入阻抗

測(cè)試方法：將輸出信號(hào)接地，電路上電后測(cè)量?jī)奢斎胄盘?hào)之間的阻抗。

測(cè)試結(jié)果：測(cè)得地輸入阻抗大約為9.06M，指標(biāo)要求中，前級(jí)放大電路的輸入阻抗要大于5MΩ，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

（2）共模抑制比

共模抑制比(CMRR)是差動(dòng)放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)。為抑制信號(hào)中所攜帶的共模干擾，生物電放大器的共模抑制比一般要達(dá)到60dB到80dB，本設(shè)計(jì)要求為100dB。由于心電信號(hào)大多幾種在0-45Hz之間，因?yàn)檫x取其中的一個(gè)頻率17Hz來(lái)對(duì)其共模抑制比進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)試方法：信號(hào)輸入的兩個(gè)信號(hào)中，一個(gè)信號(hào)接地，另一個(gè)信號(hào)接入一個(gè)較小的信號(hào)（若信號(hào)過(guò)大，能有可能因?yàn)榉糯笠约半娫吹脑颍斐尚盘?hào)失真），測(cè)量信號(hào)的輸出，并計(jì)算出差模增益；信號(hào)輸入的兩個(gè)信號(hào)同時(shí)接輸入信號(hào)（由于信號(hào)會(huì)被抑制，因此此時(shí)應(yīng)選擇較大的輸入信號(hào)，我選擇的為12V），測(cè)量信號(hào)的輸出，并計(jì)算出共模增益。共模抑制比（CMRR）定義為放大器的開環(huán)差動(dòng)增益與共模增益之比。

測(cè)試結(jié)果：

17Hz時(shí)，輸入信號(hào)為12mv，輸出信號(hào)為12.8V，則差模增益為

17Hz時(shí)，輸入信號(hào)為1v，輸出信號(hào)為20mV，則共模增益為

共模抑制比（CMRR）定義為放大器的開環(huán)差動(dòng)增益與共模增益之比，即

經(jīng)檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的共模抑制比為94dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）放大倍數(shù)

測(cè)試方法：測(cè)試不同頻率時(shí)信號(hào)的差模輸出，輸出信號(hào)比上輸入信號(hào)，得其放大倍數(shù)。

測(cè)試結(jié)果：由前面計(jì)算可知，該心電放大器放大倍數(shù)理論上為1020倍，當(dāng)輸入2mV，20Hz正弦信號(hào)經(jīng)放大后在示波器上顯示如下圖：

圖7.3 輸入與輸出信號(hào)對(duì)比圖

實(shí)際側(cè)得的放大倍數(shù)為A=1.82/0.02=910倍。

4）偏置電流

要求所采用的偏置電流：<2nA。TL084CD的偏置電流為30pA，滿足偏置電流小于2nA的要求。

5）輸入噪聲

測(cè)試方法：將兩輸入端短接，然后接地，測(cè)量輸出端的峰-峰值，所得的信號(hào)就是噪聲。再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路的放大倍數(shù)，即可求得該電路的輸入噪聲。

通過(guò)測(cè)量可得，輸入短接后，輸出信號(hào)的峰-峰值為200mV,電路放大倍數(shù)為1000倍，因此該輸入噪聲為0.2uV，滿足噪聲小于30uVpp的要求。

6）頻率響應(yīng)

測(cè)試方法：測(cè)電路的不同頻率時(shí)的輸出信號(hào)，輸入信號(hào)幅值為2mV，測(cè)試不同頻率下的幅值大小。如下表所示：測(cè)試結(jié)果：

頻率（Hz）	0.03	0.04	0.45	0.05	1	20	30	40	45
幅值（V）	1	1.33	1.55	1.68	1.9	1.98	1.97	1.9	0.9
頻率（Hz）	50	55	60	80	100	110	115	120	120
幅值（V）	0.12	0.7	1.97	1.98	1.83	1.63	1.39	1.03	0.7
頻率（Hz）	160	200
幅值（V）	0.6	0.5

表7.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的幅頻數(shù)值

圖7.4 總電路濾波增頻特性曲線

由上表數(shù)據(jù)可以看出濾波器的通頻帶寬大概為：0.05Hz—100Hz。與理論值差不多。

8 總結(jié)與體會(huì)

通過(guò)這次焊接心電放大器的實(shí)驗(yàn)，我學(xué)會(huì)了關(guān)于電路的很多知識(shí)，很多東西不只是看就能得來(lái)的，必須要親自動(dòng)手焊接。而且在實(shí)驗(yàn)尤其是調(diào)試電路的過(guò)程中遇到很多問(wèn)題，需要耐心和細(xì)致的檢測(cè)，一步一步的調(diào)試，在每次開始測(cè)量之前，都需要測(cè)量電源和地之間、電源與電源之間是否短路之后再插芯片……實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)很多的問(wèn)題，這就需要扎實(shí)的焊接的基本功和豐富的經(jīng)驗(yàn)，這都是我以后需要加強(qiáng)的地方。該心電放大器基本實(shí)現(xiàn)了技術(shù)指標(biāo)。

通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)心電放大電路，不斷地查閱文獻(xiàn)和書籍，不僅鞏固了基礎(chǔ)知識(shí)，還從中學(xué)到了很多東西，注意到了許多以前沒(méi)有注意到的問(wèn)題。對(duì)有源濾波器、陷波器等基本的常見(jiàn)的電路的設(shè)計(jì)有了更深入的理解。同時(shí)，經(jīng)過(guò)這次心電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)，使得我們對(duì)心電信號(hào)有了一定程度的了解，并掌握了生物電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)的基本原理，對(duì)噪聲和干擾也有了新的認(rèn)識(shí)。當(dāng)然最重要的還是學(xué)會(huì)了對(duì)電路參數(shù)的測(cè)量方法，這在以后的實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，都是非常有用的。附錄（心電放大器全圖）

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的心电信号检测电路设计与制作的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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