心電檢測電路的設(shè)計報告和測試報告一、設(shè)計報告（一）、設(shè)計目的及其意義心肌是由無數(shù)個心肌細(xì)胞組成，由竇房結(jié)發(fā)出的興奮，按一定的途徑和時程，依次向心房和心室擴布，引起整個心臟的循環(huán)興奮。心臟各部分興奮過程中出現(xiàn)的電位變化的方向、途徑、次序、和時間均有一定的規(guī)律。由于人體為一個容積導(dǎo)體，這種電變化也必須擴布到身體表面。鑒于心臟在同一時間內(nèi)產(chǎn)生大量的電信號，因此，可以通過安放在身體表面的胸電極或四肢電極，將心臟產(chǎn)生的電位變化以時間為函數(shù)記錄下來，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)過程中的生物電變化。心肌細(xì)胞的生物電變化時心電圖的來源，但是心電圖曲線與單個心肌細(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P波、一個QRS波群和一個T波等組成。P波起因于心房收縮之前的心房極時的電位變化；QRS波群起因于心室收縮之前的心室除極時的收位變化；T波為心室復(fù)極時的電位變化，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)時間，也就是心房除極開始至心室除極開始的間隔時間，正常值為0.12～0.20s，若P-R期延長，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)時間，意為心室除極和心室復(fù)極的持續(xù)時間，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，此時心室全部處于除極狀態(tài)，無電位差存在，所以正常時與基線平齊，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)時間正常值約為0.06～0.11s。因此，實時的檢測心電信號，可以從所得出的心電圖上觀察心臟的變化，醫(yī)生就可以從所測的心電圖上判斷心臟各個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)。因此心電檢測就有了實際應(yīng)用的意義。本實驗的目的即利用設(shè)計的儀器從人體采集心電信號，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)計根據(jù)心電信號的特點來設(shè)定電路的要求。心電的幅值為幾個毫伏；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用轉(zhuǎn)換電源供電，光電隔離后級電路則用學(xué)生電源供電。以保證光電隔離電路前后級無任何電的聯(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的增益計算公式可得RG＝500MAX4194在增益為1000時的3dB帶寬為147Hz，大于設(shè)計要求。查MAX4194的其他記表也滿足心電信號檢測的要求。下面是MAX4194的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（方案二－實際使用）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際電路圖，實際中采用了共模驅(qū)動和右腿驅(qū)動電路，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)磔^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)計要求保護(hù)電路在輸入出席5000V高壓時不會損毀電路，，二極管D1~D4選用低漏電的微型二極管1N4148,其最大允許通過的瞬時電流為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)動和共模驅(qū)動電路，取R5＝10KΩ,Rf=10MΩ,CF=4700pF（Cf的作用是使右腿驅(qū)動電路穩(wěn)定）。R0＝100KΩ?？梢院芎玫奶岣吖材Ｒ种票?，濾除共模干擾。光電耦合電路前級電路把輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的電流信號，經(jīng)光電耦合器耦合到后級，光電耦合器中的硅光敏三極管輸出的電流信號，運放A2把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。圖中使用三極管T補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，但實際實驗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)，無法做到兩個三極管一致性），所以其增益不一定是1倍，如果R1=R3，即使這樣，可以在后級放大電路中通過增益調(diào)節(jié)，實現(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)計低通濾波器。這里用四階巴特沃斯低通濾波器，其優(yōu)點是在通帶內(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，到頻率為200Hz時其衰減幅度為9％。它的作用是濾除頻率為100Hz以上的信號分量。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，各電容實際取值為C1=0.15μF，C2=0.22Μf，C3=0.47μF，C4=0.68μF。陷波器由于是在實驗室里面進(jìn)行測試，因此工頻干擾就比較大，成為主要干擾來源，所以設(shè)計50Hz陷波器來濾除工頻干擾。實驗中的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來實現(xiàn)Q值可調(diào)。但是，隨著β的增高，電路將會出現(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。實驗中的Q＝10截止頻率的計算公式為：其中f為截止頻率。末級放大器末級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電路供電，其后級電路用學(xué)生電源12V供電。在選擇電容的時候注意選擇耐壓值高的，否則容易被擊穿，發(fā)生危險。電路中，除了主放大使用AD620之外，其他需要使用運算放大器的地方均使用LM324。LM324是四運放放大器是內(nèi)含四個特性近似相同的高增益、內(nèi)補償放大器的單電源（也可以是雙電源）運算放大器。電路可以在+5V或+15V下工作，功耗低，每個運放靜態(tài)功耗約0.8，但驅(qū)動電流可達(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

每個運放功耗（V+=5V時）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）

輸出電流40mA

放大器間隔離度-120dB（f0：1kHz----20kHz）（四）小結(jié)實驗中注意，在單獨測試某個電路的時候，最好要將其前后級的電路斷開，這樣會省去其他電路對其影響。整個電路做完之后，由于測試的時候是用信號發(fā)生器產(chǎn)生信號（一般比較大），而如果要實際測量心電信號，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，所以在實驗中可以以此來作為電路的好壞標(biāo)準(zhǔn)。如果能較為清晰看到心電波形，則電路的設(shè)計較為成功。二、測試報告靜態(tài)工作點：將放大器的兩輸入端對地短路，觀察各級輸出波形并記錄幅值（即放大器靜態(tài)噪聲），若每級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：8mV低通濾波器的輸出靜態(tài)工作點：12mV50Hz陷波的輸出靜態(tài)工作點：7mV后級放大的輸出靜態(tài)工作點：22mV輸入噪聲：將放大器的兩輸入端對地短路，測出,計算輸入噪聲：Vin=Vo/K實際測得Vo＝27mV，即得Vin＝27μV，心電圖機要求輸入噪聲應(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(信號發(fā)生器所產(chǎn)生的最小幅值信號)的正弦信號輸入放大器的一個輸入端，另一個接地。用示波器分別觀察前級輸出波形和后級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，計算前置放大電路差模電壓增益：Ad1=/ViAd2=/Vi實際測得＝2.12V,因此得出Ad1=2.12V/20mV=106，放大倍數(shù)基本符合設(shè)計要求。由于后級用的是12V供電，因此后級電路輸出超出電源電壓，無法測量。因此改從前級放大器的輸出端輸入Vi，測后級放大電路的輸出實際測得＝204mV，因此后級的差模增益為Ad2=204/20＝10.2因此整個電路的放大倍數(shù)符合設(shè)計要求。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輸出波形，并計算共模增益：AC1=VOC1/Vi=12mV/2V=0.006AC2=VOC2/Vi=56mV/2V=0.028計算共模抑制比計算前置放大器的共模抑制比：計算整個電路的共模抑制比：輸入阻抗：20.05MΩ輸出阻抗：283.2Ω零點漂移：將放大器的兩輸入端接地，測出輸出電壓幅值，隔一段時間（10～20分鐘）再測量一次輸出電壓的幅值。計算零點漂移：零點漂移＝幅頻特性：理論帶寬為：0.05～100Hz實際測得：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，測量其幅頻特性。四階巴特沃斯低通濾波器的測量數(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，并記錄在各個頻率點上輸出電壓的幅值。29.0836.3939.6141.3046.1448