河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGEV高性能心電放大器的硬件設(shè)計(jì)摘要本硬件電路設(shè)計(jì)主要用于實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)放大與調(diào)理。心電放大器主要由前置級(jí)、光電耦合級(jí)、后級(jí)放大濾波電路和50HZ陷波器等四部分組成。從體表獲得心電信號(hào)后，通過心電導(dǎo)聯(lián)輸入心電放大器。心電信號(hào)首先經(jīng)過前置放大器放大。為了提高前置放大器的共模抑制效果，前置放大器采用了右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)及屏蔽驅(qū)動(dòng)技術(shù)。為防止過高電壓、電流對(duì)人體及儀器造成危害，在前放的兩輸入端設(shè)置了保護(hù)電路。前置級(jí)和后級(jí)放大濾波級(jí)之間設(shè)置有隔離級(jí)，整個(gè)隔離級(jí)采用了浮地形式和光電耦合隔離技術(shù)，這一級(jí)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了人體與電氣的隔離，不但保障了人體的絕對(duì)安全，而且消除了地線中的干擾電流。信號(hào)經(jīng)過隔離后進(jìn)入后級(jí)濾波放大電路，濾除高頻干擾后，再經(jīng)一個(gè)50Hz陷波器進(jìn)一步抑制工頻的干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以LM358型運(yùn)放構(gòu)成的前置放大器、一階有源高通、二階有源低通濾波器和光電耦合器為主要部件的高性能心電放大器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓高增益、低噪聲、高靈敏度、保證心電信號(hào)清晰穩(wěn)定、滿足臨床監(jiān)護(hù)以及病理分析的要求。關(guān)鍵詞心電放大器，前置放大器，光電耦合器，帶通濾波器，帶阻濾波器

ThehardwaredesignofHigh-performancepowerElectrocardiogramAmplifier(ECG)AbstractThehardwarecircuitdesignprimarilyfortheachievementofheartelectricalsignalenlargedandmanagement.ElectrocardiogramAmplifier(ECG)isprimarilymadeupofpreamplifier,PVcouplingclass,band-passfilterandbackamplifiercircuitanda50Hznoiserejector.Theelectricalsignalwhichisobtainedfromtheskinsurfaceimportedheartamplifierviatheelectrocardiaclead.Theheartelectricalsignalisfirstlyenlargedbythepreamplifier.Inordertoenhancethetotalmodulescontain,thepreamplifierusedrightlegdrivedriventechnologiesandshieldingtechnology.Topreventexcessivevoltageandcurrentfromharmingtothehumanbodyandequipment,theprotectioncircuitsaresettedbeforethepreamplifier.Thereisseclusioncircuitbetweenthepreamplifierandband-passfilterandbackamplifiercircuit.TheseclusionclassadoptsafloatinggroundformsandPVcouplingseparationtechnology.Thislevelseparatethehumanbodyandelectrical.Notonlyabsoluteguaranteehumansecurity,buteliminatetheinterferenceoftheearthcurrents.Afterseparated,thesignalimportsband-passfilterandbackamplifiercircuitinordertoseparatehigh-frequencyinterfere,andthenthrougha50Hznoiserejectorfinallytoseparateindustrialfrequency.ThedesignofElectrocardiogramAmplifier(ECG)ismainlyconsistedofapreamplifierandaband-passfiltercircuit,whichismadeupoftwoLM358andfourHA17741operationalamplifiers,twophotoelectriccoupler,someresistancesandcapacitances.Experimentalresultsshowthatitcanachievehighgain,highsensitivityandlownoise.Itcanmakeelectrocardiogramstableandclear.KEYWORDSElectrocardiogramAmplifier(ECG),Preamplifier,Photoelectriccoupler，Band-passfilter，Noiserejector河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄TOC\o"1-2"\h\z前言 1第一章系統(tǒng)簡述 2§1.1有關(guān)心電檢測中的主要概念 2§1.1.1心電圖 2§1.1.2心電導(dǎo)聯(lián) 3§1.2心電信號(hào)的基本特征 4§1.3心電放大器的設(shè)計(jì)要求 5§1.4總體電路框圖 7第二章高性能心電放大器電路設(shè)計(jì) 9§2.1心電放大器前置級(jí)原理和電路 9§2.1.1采用非儀用放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)-三運(yùn)放差分放大電路 9§2.1.2采用儀用放大器進(jìn)行設(shè)計(jì) 11§2.1.3方案選擇 16§2.2心電放大器的后級(jí)放大濾波電路 16§2.3雙T有源帶阻濾波器 21§2.4隔離級(jí)設(shè)計(jì) 22§2.4.1浮地設(shè)置 23§2.4.1光電耦合級(jí) 23§2.5保護(hù)電路 27§2.6共模信號(hào)抑制電路 28§2.6.1共模信號(hào)抑制 28§2.6.2共模抑制電路的設(shè)計(jì) 28§2.7心電放大器整體電路圖 29§2.8運(yùn)用Protel99SE進(jìn)行的PCB板制作 30第三章電路在EWB中的模擬仿真 31§3.1單元電路仿真 31§3.1.1前置放大級(jí)的仿真 31§3.1.2后級(jí)放大濾波電路 31§3.1.350HZ陷波器 33§3.2整體電路仿真 33§3.2.1電路共模抑制比的測量 33§3.2.2電路濾波效果 34§3.3仿真結(jié)果 35第四章心電放大電路硬件電路的調(diào)試 36結(jié)論 37參考文獻(xiàn) 38致謝 40附錄 41河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE44前言當(dāng)前社會(huì),心臟病等心血管導(dǎo)致的死亡人數(shù)不斷增多，給全世界人民造成了極大的威脅,號(hào)稱“頭號(hào)殺手”。由于心臟病有突發(fā)性以及長久性等特點(diǎn)，對(duì)心臟病人需要長期的治療和監(jiān)護(hù)。然而，要針對(duì)心臟病情，首先要做的就是了解心電信號(hào)的特點(diǎn)。信號(hào)十分微弱，常見的心電頻率一般在0.05—100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近，幅度小于5mV，心電電極阻抗較大，一般在幾百千歐以上。由于心電信號(hào)有它的特殊性，只要抓住其本質(zhì)，那么對(duì)心電做相關(guān)處理也就簡單了?？梢钥吹剑?dāng)前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了很多有關(guān)心電檢測的醫(yī)用儀器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，心電儀器也會(huì)進(jìn)一步地增加更多的功能，不僅為診斷、治療病人提供了便利，還為將來更先進(jìn)的儀器打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，還有很多產(chǎn)品如心電發(fā)生器，它也是高新技術(shù)的結(jié)晶，其中包含了幾乎所有心電信號(hào)的模板，如不同頻率的正常心電信號(hào)，不同病態(tài)的心電信號(hào)，為實(shí)際的臨床應(yīng)用提供了不少的幫助。硬件電路是醫(yī)用儀器性能的載體，是儀器設(shè)計(jì)的靈魂部分。要用什么芯片，怎樣設(shè)計(jì)電路，才更能體現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值，這是至關(guān)重要的。一個(gè)產(chǎn)品性能、質(zhì)量的高低關(guān)系到臨床應(yīng)用中檢測結(jié)果的好壞，也就是說關(guān)系到病人的生命安全問題，所以研究相關(guān)課題的意義就非常重大。心電監(jiān)護(hù)儀等產(chǎn)品都需要對(duì)心電進(jìn)行最基本的處理，其前置放大電路及后級(jí)放大濾波電路設(shè)計(jì)性能的高低直接影響到整個(gè)儀器的性能，如對(duì)心電信號(hào)濾波效果的好壞；對(duì)人體、儀器是否有保護(hù)功能；是否低功耗、便于攜帶；還有可以決定儀器是否能基于GSM網(wǎng)絡(luò)的心電檢測等等。各種各樣的醫(yī)療儀器，為醫(yī)生診治病人提供了強(qiáng)有力的手段，延伸了醫(yī)生的感覺器官，開辟了新領(lǐng)域。為了解儀器內(nèi)部電路原理，所以選擇了本課題。河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章系統(tǒng)簡述§1.1有關(guān)心電檢測中的主要概念§1.1.1心電圖心臟是循環(huán)系統(tǒng)中重要的器官。由于心臟不斷地進(jìn)行有節(jié)奏的收縮和舒張活動(dòng)，血液才能在閉鎖的循環(huán)系統(tǒng)中不停地流動(dòng)。心臟在機(jī)械性收縮之前，首先產(chǎn)生電激動(dòng)，心肌激動(dòng)所產(chǎn)生的微小電流可經(jīng)過身體組織傳導(dǎo)到體表，使體表不同部位產(chǎn)生不同的電位。如果在體表放置兩個(gè)電極，分別用導(dǎo)線聯(lián)接到心電圖機(jī)(即精密的電流計(jì))的兩端，它會(huì)按照心臟激動(dòng)的時(shí)間順序，將體表兩點(diǎn)間的電位差記錄下來，形成一條連續(xù)的曲線，這就是心電圖[1]。如圖1-1各種各樣的心電圖：a.標(biāo)準(zhǔn)的心電圖[1]b.帶噪聲的正常心電圖[2]c.右心室肥厚RightVentricularHypertrophy[3]圖1-1正常與病態(tài)心電圖心電圖可分為普通心電圖、24小時(shí)動(dòng)態(tài)心電圖、His束電圖、食管導(dǎo)聯(lián)心電圖、人工心臟起搏心電圖等。應(yīng)用最廣泛的是普通心電圖及24小時(shí)動(dòng)態(tài)心電圖。普通心電圖應(yīng)用范圍如下：1、對(duì)心律失常和傳導(dǎo)障礙具有重要的診斷價(jià)值。2、對(duì)心肌梗塞的診斷有很高的準(zhǔn)確性，它不僅能確定有無心肌梗塞，而且還可確定梗塞的病變期部位范圍以及演變過程。3、對(duì)房室肌大、心肌炎、心肌病、冠狀動(dòng)脈供血不足和心包炎的診斷有較大的幫助。4、能夠幫助了解某些藥物（如洋地黃、奎尼丁）和電解質(zhì)紊亂對(duì)心肌的作用。5、心電圖作為一種電信息的時(shí)間標(biāo)志，常為心音圖、超聲心動(dòng)圖、阻抗血流圖等心功能測定以及其他心臟電生理研究同步描紀(jì)，以利于確定時(shí)間。6、心電監(jiān)護(hù)已廣泛應(yīng)用于手術(shù)、麻醉、用藥觀察、航天、體育等的心電監(jiān)測以及危重病人的搶救[1]。§1.1.2心電導(dǎo)聯(lián)所謂心電導(dǎo)聯(lián)就是心臟除極、復(fù)極過程中產(chǎn)生的心電向量，通過容積導(dǎo)電傳至身體各部，并產(chǎn)生電位差，將兩電極置于人體的任何兩點(diǎn)與心電圖機(jī)連接，就可描記出心電圖，這種放置電極并與心電圖機(jī)連接的線路，稱為心電導(dǎo)聯(lián)（lead）。臨床常用的導(dǎo)聯(lián)方式有肢體導(dǎo)聯(lián)和胸前導(dǎo)聯(lián)，肢體導(dǎo)聯(lián)又有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)和加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)之分。臨床中廣泛應(yīng)用的是標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，aVR、aVL、aVF三個(gè)加壓導(dǎo)聯(lián)以及V1-V6六個(gè)胸極導(dǎo)聯(lián)。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ主要是反應(yīng)左手、右手以及左腿任兩電極間的電壓差，無探查電極和無關(guān)電極之分，是雙極導(dǎo)聯(lián)。雙極導(dǎo)聯(lián)就是拾取兩個(gè)測試點(diǎn)的電位差。aVR-V6是單極導(dǎo)聯(lián)，就是拾取某一點(diǎn)相對(duì)參考的電位。由一個(gè)無關(guān)電極和探查電極所組成，其P波明顯，利于診斷心律失常（V1）和左前壁心肌缺血（V5、V6）。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的特點(diǎn)廣泛地反映了心臟的大概情況，如：后壁心肌梗塞、心律失常等，往往Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)可以記錄到清晰的波形。§1.2心電信號(hào)的基本特征1、微弱性從人體體表拾取的心電信號(hào)很微弱，一般只有0.05-5mv。在測量中，對(duì)于如此微弱的信號(hào)，很難進(jìn)行直接觀察或記錄，必須通過放大器適當(dāng)?shù)姆糯蠛笤佥斀o顯示與記錄裝置。2、不穩(wěn)定性人體心電信號(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，無論來自外部或內(nèi)部的刺激，都會(huì)使人體因適應(yīng)這一變化，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)的頻譜范圍為0.05-100Hz，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。不過，如果對(duì)心臟自發(fā)放電的時(shí)間空間構(gòu)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就可以發(fā)現(xiàn)放電的內(nèi)在規(guī)律。因此，這種隨機(jī)現(xiàn)象服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。在心電信號(hào)的測量中，既要注意到它的隨機(jī)性，又不可忽視其內(nèi)在的規(guī)律性[4]。§1.3心電放大器的設(shè)計(jì)要求由于人體的心電信號(hào)有微弱、低頻、易受干擾、不穩(wěn)定、隨機(jī)等特點(diǎn)，這使得對(duì)心電放大器的設(shè)計(jì)必須達(dá)到以下要求。1、增益由于心電信號(hào)非常微弱，只有0.05-5mV。而心電放大器增益的常規(guī)設(shè)計(jì)要求心電在正常輸入時(shí)，即輸入為1mv時(shí)，輸出電平達(dá)到1V左右(A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓為5V)，所以心電放大器的放大倍數(shù)很高，為1000左右。在心電放大器輸入回路內(nèi)，由于電極和皮膚分泌液之間存在著復(fù)雜的離子交換過程，在其接觸面形成極化電動(dòng)勢Epl和Ep2，其多功能便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的研制大小與電極材料、形狀、皮膚的分泌狀況的有關(guān)極化電動(dòng)勢作為直流共模輸入到心電放大器，如果Epl=Ep2并由放大器本身的CMRR予以抑制，保持了靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。如果EplEp2，則其差值部分與心電信號(hào)一起，由心電放大器放大。由于其差值可能達(dá)到數(shù)百毫伏的程度，這比心電信號(hào)大得多，勢必造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏離，甚至進(jìn)入截止或飽和，引起心電放大器的阻塞，所以前置放大器的增益不能太大。2、頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)表明儀器工作的頻率范圍，它是衡量系統(tǒng)增益隨頻率變化的一個(gè)尺度。為了減少不需要的帶外噪聲，心電信號(hào)用高通和低通濾波器來壓縮通頻帶。通頻帶內(nèi)覆蓋心電信號(hào)的一切頻率，通頻帶的上下范圍以士3dB的頻率表示。由于人體心電信號(hào)的頻譜范圍為0.05-100HZ,所以，要求心電放大器的頻率響應(yīng)為0.05-100HZ，而且要求在此頻率范圍內(nèi)線性地放大各種頻率成分以及保持各成分的相角不變。只有這樣，經(jīng)過心電放大器的心電信號(hào)才具有可靠的診斷價(jià)值。3、高輸入阻抗心電放大器輸入阻抗的設(shè)計(jì)取決于被測對(duì)象，即人體的阻抗特性，所使用的電極類型以及與人體的接觸界面。心電放大器通過電極連接到人體身上。由放大器的輸入端向人體方向看去，從電極、導(dǎo)電膏、皮膚(角質(zhì)層、粒層、汗腺)、組織液到心臟外壁形成了信號(hào)源阻抗，這個(gè)源阻抗可看作由一組串并聯(lián)的電阻及電容組成。在低頻的情況下，這個(gè)源阻抗為純電阻。顯然它包括人體電阻(R),皮膚電阻及電極與皮膚的接觸電阻(RO)，那么電阻RX=R+RO(RO>R)。人體內(nèi)組織液是一種電解質(zhì)，所以R與組織液離子濃度有關(guān)。RO不僅與皮膚和電極接觸松緊有關(guān)，還與皮膚的干濕、清潔度及每個(gè)人角質(zhì)層的厚薄有關(guān)。由于心電信號(hào)源阻抗具有高阻抗的特性，而心電信號(hào)是微弱的，若心電放大器的輸入阻抗不高，那么經(jīng)過分壓后，心電放大器輸入端的信號(hào)就非常微弱了。心電信號(hào)損失嚴(yán)重，而且信號(hào)源過負(fù)荷使心電信號(hào)產(chǎn)生畸變。信號(hào)源阻抗不僅因人而異，因生理狀態(tài)而異，而且在測量時(shí)，與電極的安放位置，電極本身的物理狀態(tài)都有密切的關(guān)系。源阻抗的不穩(wěn)定，將使放大器電壓增益不穩(wěn)定，從而造成難以修正的測量誤差。所以只有較高的輸入阻抗，才能確保增益的穩(wěn)定性.設(shè)兩個(gè)電極與皮膚的接觸電阻為RS1,RS2，如果RS1不等于RS2，不可避免的就會(huì)把共模干擾信號(hào)轉(zhuǎn)化為電路無法克服的差模信號(hào).只有增大心電放大器的輸入阻抗，才能減少其影響。此外,由于心電放大器的測量對(duì)象是人體，易受工頻、射頻等干擾，只有提高輸入阻抗，才能有效地抑制這些千擾。信號(hào)源阻抗一般在數(shù)K至數(shù)十K之間，心電放大器的輸入阻抗應(yīng)該比源阻抗高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，故一般取5.1M或20OM，才能不失真地引出心電信號(hào)。4、高共模抑制比正如上段所說，電極與皮膚接觸引起的極化電動(dòng)勢作為直流共模干擾輸入到心電放大器，其值可能達(dá)到數(shù)百毫伏的程度，遠(yuǎn)比心電信號(hào)大得多。而且心電信號(hào)的探測要受到現(xiàn)場很多電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)的干擾，尤其是市電的共模干擾，還有其他共模干擾常把微弱的心電信號(hào)淹沒。共模抑制比(CMRR)是衡量心電放大器對(duì)共模干擾抑制能力的一個(gè)重要指標(biāo)，也是克服溫度漂移的重要因素。常被定義為放大器差模增益和共模增益之比。為了防止心電信號(hào)的輸出被淹沒在50Hz、電極極化電壓或其他共模干擾電壓之下，一般要求CMRR應(yīng)達(dá)到90dB以上。5、低噪聲、低漂移在心電放大器中，由于增益較高，噪聲和漂移是兩個(gè)較重要的參數(shù)。心電放大器運(yùn)行過程中的噪聲主要表現(xiàn)為電子線路的固有熱噪聲和散粒噪聲，這都屬于白噪聲，其幅值成正態(tài)分布。為了獲得一定信噪比的輸出信號(hào)，對(duì)放大器的低噪聲性能有嚴(yán)格的要求。所以在設(shè)計(jì)心電放大器時(shí)應(yīng)盡量選用低噪聲元件，以降低噪聲并進(jìn)一步提高輸入阻抗。另外,溫度變化會(huì)造成零點(diǎn)漂移，心電放大器基線漂移本質(zhì)上是由于心電放大器的輸入端引入了直流電壓增益的緣故，電極和皮膚間接觸電阻、電極本身電阻的變化和電極電位的改變都會(huì)增大基線漂移。漂移現(xiàn)象限制了放大器的輸入范圍，使得微弱的緩變信號(hào)無法被放大。而心電信號(hào)具有很低的頻率成分，為了能正常的測量，必須采取措施來限制放大器的漂移。所以放大器應(yīng)選用低漂移、高輸入阻抗并具有高共模抑制比的集成運(yùn)放電路。綜上所述，心電放大器的設(shè)計(jì)有如下五點(diǎn)要求:1、增益為1000左右;2、頻率響應(yīng)為0.05-100HZ;3、輸入阻抗大于10M;4、共模抑制比大于90dB;5、低噪聲、低漂移。另外,考慮到監(jiān)護(hù)儀的便攜特性，所以在選擇放大器時(shí),還要適當(dāng)?shù)目紤]到其功耗及體積的特性，以便更好地降低整機(jī)的功耗和體積?！?.4總體電路框圖本電路設(shè)計(jì)主要是由五部分構(gòu)成。1、放大電路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。2、共模信號(hào)抑制電路本設(shè)計(jì)使用了右腿驅(qū)動(dòng)電路，它不僅可以消除其中的共模電壓，還能提高共模抑制比，使信號(hào)輸出的質(zhì)量得到提高。3、隔離級(jí)設(shè)計(jì)為了人體安全及對(duì)交流電源短泄漏采取保護(hù)措施，通常的生物電信號(hào)測量技術(shù)要采用前置級(jí)浮地形式和電氣隔離，以便實(shí)現(xiàn)人體與電氣的隔離，設(shè)計(jì)中，電氣隔離采用了光電耦合技術(shù)。4、高頻信號(hào)濾除的電路心電頻率一般在0.05--100Hz之間，能量主要集中在17Hz附近，幅度微小，為0.1-5mV，所以要對(duì)100Hz以內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，從而把0.05--100Hz以外的高低頻信號(hào)全部濾除。5、50Hz陷波電路本設(shè)計(jì)主要是采用了雙T帶阻濾波電路，它能夠?qū)δ骋活l段的信號(hào)進(jìn)行濾除，對(duì)于電源工頻產(chǎn)生的50Hz的噪聲，它能有效選擇濾除；心電放大電路設(shè)計(jì)總框圖如圖1-2圖1－2心電放大器電路設(shè)計(jì)總框圖第二章高性能心電放大器電路設(shè)計(jì)§2.1心電放大器前置級(jí)原理和電路生理測量儀的放大電路設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求：過程中不允許影響正常的生理過程。2、測得的生理信號(hào)不得失真。3、最大可能地將信號(hào)與各種干擾信號(hào)分離。4、一旦有電擊事故發(fā)生必須對(duì)病人提供有效的保護(hù)。以上基本要求中，1、2、4均直接與前置放大器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣有關(guān)，而3主要靠后級(jí)的濾波電路實(shí)現(xiàn)，但仍依賴于前置級(jí)的成功設(shè)計(jì)。根據(jù)以上所述及心電信號(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)阻源的微弱信號(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量的參數(shù)以外的生理作用的干擾，一般為共模干擾，前置級(jí)須采用CMRR高的差動(dòng)放大形式，能減少共模干擾向差模干擾轉(zhuǎn)化。3、低噪聲、低漂移。主要作用是對(duì)信號(hào)源的影響小，拾取信號(hào)的能力強(qiáng)，以及能夠使輸出穩(wěn)定。前置放大器可采用儀用放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可采用非儀用放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)?！?.1.1采用非儀用放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)-三運(yùn)放差分放大電路如圖所示的同相并聯(lián)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以較好地滿足上面三條要求。放大器的第=1\*ROMANI級(jí)主要用來提高整個(gè)放大電路的輸入阻抗。第=2\*ROMANII級(jí)采用差動(dòng)電路用以提高共模抑制比。圖2—1同相并聯(lián)型差分放大器的電路原理圖由上圖看到，放大器是由第一級(jí)兩個(gè)運(yùn)放U1和U2并聯(lián)，然后與第二級(jí)運(yùn)放U3串聯(lián)構(gòu)成的基本放大器.設(shè)輸入電壓為和,運(yùn)放U1和U2的輸出端電壓分別為和,運(yùn)放U3的輸出電壓為.由于理想運(yùn)放輸入電流近似為零,所以運(yùn)放U1和U2是電壓跟隨器,所以(2-1)對(duì)于第二級(jí)運(yùn)放,其輸出電壓為(2-2)將(2-1)代入(2-2)得,同相并聯(lián)差分放大器的放大倍數(shù)為(2-3)這樣的電路有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：=1\*GB3①U1、U2提高了差模信號(hào)與共模信號(hào)之比，即提高了信噪比，因差模信號(hào)按差模增益比放大，遠(yuǎn)高于共模成分（噪聲）；=2\*GB3②決定增益的電阻（R1、R2、R3）對(duì)共模抑制比KCMR沒有影響，因此電阻的容差不重要，R1、R2的失配僅使兩輸出端之間的差模增益失配，與KCMR相比，這一點(diǎn)并不重要。電路的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)共模輸入信號(hào)沒有放大作用，共模電壓增益接近于零。這個(gè)因素不僅與實(shí)際的共模輸入有關(guān)，而且也與U1和U2的失配電壓和漂移有關(guān)。如果U1和U2有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作為共模信號(hào)出現(xiàn)，沒有被放大，還能被第二級(jí)抑制。這樣對(duì)于U1和U2的漂移要求就會(huì)降低。U1和U2前置放大級(jí)的差模增益要做得盡可能高，相比之下，第二級(jí)U3的漂移和共模誤差就可以忽略，對(duì)放大器的要求就可以大大降低。當(dāng)R1=R3，R4=R5,R6=R7時(shí)，兩級(jí)的總增益為兩個(gè)差模增益的乘積,見公式（2－3）。由此可知，上述電路具有輸入阻抗高，共模抑制比高等優(yōu)點(diǎn)，可作為通用儀用放大器使用[1]。§2.1.2采用儀用放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)前置級(jí)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要由處在最前端的儀用放大器決定。一旦儀用放大器決定則前置級(jí)參數(shù)便基本確定。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮儀用放大器的增益，一般來說共模抑制比隨增益增大而有所提高，但考慮到前置級(jí)對(duì)整個(gè)放大電路噪聲的貢獻(xiàn)，假設(shè)對(duì)于多級(jí)放大器，若以N1、N2……分別表示各級(jí)噪聲系數(shù)，以P1、P2……表示各級(jí)的功率增益，則整個(gè)放大電路的噪聲系數(shù)N表示為N=N1+（2-4）放大器的噪聲性能一般隨第一級(jí)增益的提高而明顯變差，特別是集成器件噪聲性能一般比分立元件差。特別是集成器件噪聲性能一般比分立元件差。因此，第一級(jí)增益不宜取值過度，一般G<20為宜。方案（一）：利用儀用放大器AD620來設(shè)計(jì)放大電路1、器件性能選用低功耗、低電壓的儀表放大器AD620作為前置放大器的核心器件，可滿足心電前置放大器高輸入阻抗、低噪聲、低漂移的設(shè)計(jì)要求。如圖2-2所示是其引腳分布圖。AD620具有高輸入電阻、低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電流、低噪聲、低功耗、小體積等特點(diǎn)，另外其增益G的調(diào)節(jié)直接由一個(gè)外部電阻控制要技術(shù)指標(biāo)如下:圖2-2AD620管腳圖[5]低電源電流:50uA輸入失調(diào)電壓:125uV輸入失調(diào)電流:0.3nA輸入偏置電流:0.5nA最小共模抑制比:93dB(G=10)等效輸入噪聲電壓:9nV/等效輸入噪聲電流:0.1pA/高輸入電阻:10G功耗:最大650mW根據(jù)以上AD620的技術(shù)指標(biāo)，可得出結(jié)論，憑其優(yōu)異的性能,完全滿足心電放大器的設(shè)計(jì)要求。且其極小的體積，較小的功耗為整個(gè)監(jiān)護(hù)僅的體積和功耗的降低提供了可能.AD620的工作原理：AD620是在傳統(tǒng)的三運(yùn)放組合方式改進(jìn)的基礎(chǔ)上研制的單片儀用放大器。輸入三極管Q1和Q2提供了唯一雙極差分輸入，因內(nèi)部的超β處理，它的輸入偏移電流比一般情況低10倍。通過Q1-A1-R1環(huán)路和Q2-A2-R2環(huán)路的反饋，保持了Q1，Q2集成極電流為常量，所以輸入電壓相當(dāng)于加在外接電阻Rg的兩端，從輸入到A1/A2輸出的差分放大倍數(shù)為（2-5）由A3組成的單位增益減法器消除了任何共模成分，而產(chǎn)生一個(gè)與REF管腳電位有關(guān)的單路輸出。Rg的值還確定了前級(jí)運(yùn)放的跨導(dǎo)。當(dāng)Rg減小時(shí)，放大倍數(shù)增大，對(duì)輸入三極管的跨導(dǎo)漸漸地增大，這具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：放大倍數(shù)增加使得開環(huán)增益增大，因此減小了增益帶寬乘積增加，因此頻率響應(yīng)得到改善；主要由輸入三極管集成電極電流和基極電阻確定的輸入電壓噪聲減小到9nV/。內(nèi)部增益電阻R1和R2被精確確定24.7kΩ,使得運(yùn)放增益精確地由Rg確定（2－6）圖2-3AD620結(jié)構(gòu)簡圖[5]AD620由于體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣等特點(diǎn)，使AD620特別適宜應(yīng)用到諸如傳感器接口、心電圖監(jiān)測儀、精密電壓電流轉(zhuǎn)換等應(yīng)用場合[5]。2、電路原理為達(dá)到心電放大器的要求，我們采用了差動(dòng)輸入的方式，即將患者體表的電位差作為信號(hào)予以放大,如圖2-4所示。圖2-4心電放大前級(jí)原理圖[6]1、輸入阻抗差動(dòng)輸入電阻就是AD620的差動(dòng)輸入電阻值，可達(dá)到10G,因此滿足心電放大器的要求。2、低噪聲、低漂移根據(jù)儀表放大器AD620的參數(shù)，可以得到結(jié)論，即低噪聲、低漂移。3、增益AD620的增益是通過外部的電阻Rg來調(diào)節(jié)的，可達(dá)到1-1000倍。增益的計(jì)算公式如（2－6）式所示。為了保證患者不受到可能的傷害并且保證前置放大器不工作在截止區(qū)，前置放大器的增益不能過大，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了第一級(jí)的放大倍數(shù)不高于10倍。4、共模抑制比電路的共模抑制比主要由心電前級(jí)放大器決定，而AD620的93dB(G=10)的共模抑制比十分符合我們的設(shè)計(jì)要求。為了進(jìn)一步提高前置放大器的共模抑制比同時(shí)抑制50HZ工頻干擾，我們?cè)O(shè)計(jì)了激勵(lì)系統(tǒng)，如圖2-4所示，由TLC2254以及R1,R4,R6，R7和C1構(gòu)成。人體的共模電壓被兩個(gè)阻值相等的電阻R6,R7檢測出，經(jīng)過TLC2254將其倒相、放大并反饋到人體上。這是個(gè)負(fù)反饋，其使共模電壓降低。人體的位移電流不流到地，而是流到運(yùn)放輸出電路。就心電放大器來說，這樣就減小了共模電壓的拾取，并且有效地使病人接地。方案（二）：用INA128儀用儀表放大器來實(shí)現(xiàn)。一般說來，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中都是把集成化儀器放大器作為前置放大器。然而，絕大多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模抑制比越大。而集成化儀器放大器作為心電前置放大器時(shí)，由于極化電壓的存在，前置放大器的增益只能在幾十倍以內(nèi)，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時(shí)的共模抑制比不可能很高。有學(xué)者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，但由于信號(hào)源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴(yán)重地?fù)p害了放大器的性能[6]。為了實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的放大，設(shè)計(jì)電路如下：圖2-5采用INA128設(shè)計(jì)的前置放大電路[10]1.前級(jí)采用運(yùn)放A1和A2組成并聯(lián)型差動(dòng)放大器。理論上不難證明，在運(yùn)算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動(dòng)放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大。更值得一提的是，在理論上并聯(lián)型差動(dòng)放大器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關(guān)。2．阻容耦合電路放在由并聯(lián)型差動(dòng)放大器構(gòu)成的前級(jí)放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級(jí)放大器之間，這樣可為后級(jí)儀器放大器提高增益，進(jìn)而提高電路的共模抑制比提供了條件。同時(shí)，由于前置放大器的輸出阻抗很低，同時(shí)又采用共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對(duì)稱（匹配）導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。3.后級(jí)電路采用廉價(jià)的儀器放大器，將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級(jí)的儀器放大器可以做到很高的增益，進(jìn)而得到很高的共模抑制比。從理論上計(jì)算整個(gè)電路的共模抑制比為[6]：（2－7）式中：CMRTotal或CMRRTotal－放大器的總共模抑制比；CMR1第一級(jí)放大器的共模抑制比；CMR2或CMRR2第二級(jí)放大器的共模抑制比；A1d、A1c、A2d和A2c－分別為第一級(jí)放大器和第二級(jí)放大器的差模增益和共模增益。經(jīng)過實(shí)際測量，圖2-5所示的電路采用圖中所給出的參數(shù)時(shí)，電路的共模抑制比在120dB以上?！?.1.3方案選擇由于手頭沒有現(xiàn)成的AD620和INA128等芯片，本設(shè)計(jì)中暫不采用前兩個(gè)芯片。雖然INA128在抑制共模信號(hào)有獨(dú)特效果，但由于心電放大考慮到多方面的理由，INA128受約束的條件也較多；AD620是一個(gè)很好的放大器，只要用一個(gè)外部電阻就可以進(jìn)行1—1000的放大倍數(shù)。不過它也是沿用了三運(yùn)放差分電路的特點(diǎn)來進(jìn)行信號(hào)的放大，再者三運(yùn)放差分電路運(yùn)用廣泛，得到的效果也不錯(cuò)；而且用運(yùn)放LM358組成的三運(yùn)放差分電路具有典型性，簡單易懂，適合畢業(yè)設(shè)計(jì),作為學(xué)生對(duì)LM358的了解也比較深刻，做起課題也比較容易入手。三運(yùn)放差分電路已經(jīng)有它的歷史，它也為以后更深遠(yuǎn)的研究等做好了鋪墊。所以在選擇放大電路的時(shí)候運(yùn)用了三運(yùn)放差分電路，來進(jìn)行信號(hào)的放大§2.2心電放大器的后級(jí)放大濾波電路心電放大器的后級(jí)放大濾波電路如圖2-6所示。圖2-6心電放大器后級(jí)放大及濾波電路1、高通濾波器為了抑制直流漂移和放大器通帶外的低頻噪聲，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的RC高通濾波器，如圖2-7所示，圖2-7高通濾波器R1和C1構(gòu)成這個(gè)高通濾波器。這里我們?nèi)r(shí)間常數(shù)t=3S,由時(shí)間常數(shù)可以得到高通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為:（2－8）運(yùn)放U1及電阻R2、R3、R12構(gòu)成信號(hào)放大電路。其放大倍數(shù)為（2－9）2、低通濾波器低通濾波器就是對(duì)一定頻率以下的信號(hào)允許通過。衰減很小，而對(duì)于某頻率的信號(hào)則衰減很大的設(shè)備。一階有源低通濾波器是在最基本的低通濾波器的基礎(chǔ)上與集成運(yùn)放結(jié)合在一起，如圖2－8所示。圖2－8一階有源低通濾波器因集成運(yùn)放有較大的增益較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，因此可以彌補(bǔ)無源濾波的缺陷。其頻率為（2－10）這種濾波器在頻率超過截止頻率時(shí)增益衰減的不夠快，往往不能滿足人們的要求。為了增加阻帶區(qū)的衰減速度，可采用二階有源低通濾波器，如圖2－9所示圖2－9二階有源低通濾波器采用二階低通濾波器比一階濾波器具有更好的濾波效果。它實(shí)際上是在圖2－8所示的一階低通濾波器的基礎(chǔ)上增加了一級(jí)RC電路而組成的。圖2－10二階低通濾波器幅頻特性[8]在圖2－9中，令兩級(jí)RC電路的電阻值相等、電容值相等，并令Ｒf=Ｒ(Ａ0-1)。其中，Ａ0=(1+)為通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，分別對(duì)電路的節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B列寫節(jié)點(diǎn)電壓方程為[7]：（2－11）解上述方程，可求得該電路的電壓傳輸函數(shù)為：（2－12）其幅頻特性曲線如圖2－10所示。由圖可見，在阻帶內(nèi)當(dāng)頻率每增大10倍時(shí)，電路的增益下降40分貝。比一階濾波器的濾波效果明顯提高了。該電路的缺點(diǎn)是，當(dāng)頻率ω=ω0時(shí)，電路的增益下降為－9.5dB。為了克服該電路在截止頻率ω0附近增益下降過多的缺點(diǎn)，通常是將第一級(jí)RC電路的電容Ｃ1的接地端改接到運(yùn)算放大器的輸出端，如圖2-9中所示。這實(shí)際上是通過電容Ｃ1在ω0附近引入了部分正反饋而對(duì)該頻率范圍內(nèi)的電路增益進(jìn)行了補(bǔ)償。我們將這種電路稱為改進(jìn)的二階低通濾波電路。采取這種措施以后，電路的幅頻特性可能會(huì)在ω=ω0處出現(xiàn)峰值。如圖2-10中點(diǎn)劃線所示。峰值的大小與電路的Q值有關(guān)。改進(jìn)的節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B處的電壓方程為[7]：（2－13）由此求得該電路的電壓傳輸函數(shù)為（2－14）其幅頻響應(yīng)表達(dá)式為：（2－15）式中

（2－16）上限截止頻率

（2－17）當(dāng)Q=0.707時(shí)，這種濾波器稱為巴特沃斯濾波器。巴特沃斯濾波器用于注重頻率有較好截止特性的場合，該低通濾波器的上限頻率：。因?yàn)殡娙葜荒茉谟邢薹秶鷥?nèi)取值，通常是先選擇電容器的值，再根據(jù),計(jì)算出R值。?。?－18）則：（2－19）故該濾波電路的通頻帶寬為：0.05—100HZ。為使濾波效果更為精確，本設(shè)計(jì)采用了雙二階有源低通濾波電路。如圖2-6所示該電路的低通截止頻率還可直接由下式計(jì)算得出：（2－20）§2.3雙T有源帶阻濾波器為了濾除50HZ工頻干擾，我們?cè)O(shè)計(jì)了Q值可調(diào)的雙T有源帶阻濾波器。Q值可調(diào)的雙T有源帶阻濾波器的帶寬B越窄，品質(zhì)因數(shù)Q越高，則濾波器的抑制選擇性就越好。如圖2-11所示圖2-11雙T有源帶阻濾波器U3、U2和雙T橋組成雙T有源帶阻濾波器，其中雙T網(wǎng)絡(luò)是RC選頻電路，網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱的，在R3=R1/2=R2/2,C2=2C1=2C3的情況下，該網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱的，可以證明其陷波頻率為:（2－21）若選取R1=6.8K，C1=0.47uF，則=49.8HZ接近于50HZ其品質(zhì)因數(shù):Q=1/4為了提高Q值，在圖2－11的電路中，雙T網(wǎng)絡(luò)的縱臂不接地，而是接到運(yùn)放U2的輸出端，放大器U2將U3的部分輸出信號(hào)反饋到雙T網(wǎng)絡(luò)的縱臂，由于這是正反饋，具有頻率增強(qiáng)作用，使阻帶變窄，Q值提高，可提高電路選擇性，由于U3和U2都接成電壓跟隨器組態(tài)，因此電路的反饋系數(shù)為:（2－22）可以證明該有源帶阻濾波器的Q值為：（2－23）其中QF<1。由（2－23）式可知，F(xiàn)值越接近于1，Q值越大，由式(2-22)可知，改變R4和R5可以調(diào)節(jié)Q值。在本電路中，為消除工頻(50HZ)干擾，保留有用心電信號(hào)，采用了高Q陷波電路，取R4=1K，R5=100K，則=0.99=25由于U2和U3都是跟隨器，其輸入阻抗高，輸出阻抗低，因此它們的接入不影響雙T電路的諧振頻率，波頻率穩(wěn)定，能有效地濾除50HZ頻率產(chǎn)生的干擾，Q值的提高保證了有用信號(hào)不被衰減。§2.4隔離級(jí)設(shè)計(jì)為了人體安全及對(duì)交流電源短泄漏采取保護(hù)措施，通常的生物電信號(hào)測量技術(shù)要采用前置級(jí)浮地形式和電氣隔離，以便實(shí)現(xiàn)人體與電氣的隔離。所謂浮地（或浮置），即信號(hào)在傳遞的過程中，不是利用一個(gè)公共的接地點(diǎn)逐級(jí)地往下面?zhèn)鬟f，如阻容耦合直接耦合等，而是利用諸如電磁耦合或光電耦合等隔離技術(shù)。信號(hào)從浮地部分傳遞到接地部分，兩部分沒有電路上的直接聯(lián)系，通過地線構(gòu)成的漏電流完全被抑制。因此，不但保證了人體的絕對(duì)安全，而且消除了地線中的干擾電流[4]。§2.4.1浮地設(shè)置浮地為浮置部分電路的等電位點(diǎn)，用符號(hào)“”表示，以便和接地的符號(hào)“”相區(qū)別。浮置部分由浮置電源供電，接地部分由工頻市電供電，構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)。如圖2－14所示，浮置放大器可以使電路共模抑制比進(jìn)一步提高。§2.4.1光電耦合級(jí)對(duì)于前后級(jí)的隔離，信號(hào)采用電氣隔離。實(shí)現(xiàn)電氣隔離有兩種方案，一是通過光電耦合，用光電器件傳遞信息；一是通過電磁耦合，經(jīng)變壓器傳遞信號(hào)。因?yàn)楹笳呔哂兄亓枯p應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)簡單成本低等突出的優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)電子技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用?；パa(bǔ)形式的光電耦合級(jí)電路是一種非常實(shí)用合理的耦合電路，這一電路采用國內(nèi)市場廣泛出售的光電晶體管耦合器P521，這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)用兩個(gè)光電器件的對(duì)稱性提高耦合級(jí)的線性度。經(jīng)過隔離，信號(hào)從浮地部分傳遞到接地部分，兩部分沒有電路上的直接關(guān)系，通過地線構(gòu)成的漏電流完全被抑制，因此，不但保障了人體的絕對(duì)安全，而且消除了地線中的干擾電流。光電耦合器件具有重量輕應(yīng)用電路簡單成本低等突出特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)電子技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。它具有良好的線性和一定的轉(zhuǎn)換速度，既可以作為模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，也可以作為數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。光電器件受到歡迎的另一個(gè)原因是它能實(shí)現(xiàn)與TTL電路的兼容。雙列直插封裝的光電耦合器件可以由TTL集成電路直接驅(qū)動(dòng)，反過來也可以直接驅(qū)動(dòng)TTL集成電路。其接口電路簡單方便。由PN結(jié)構(gòu)成的光電耦合器件包含有一個(gè)作為發(fā)送輻射部件的發(fā)光二極管和一個(gè)作為輻射探測器的光電二極管或光電晶體管（包括達(dá)林頓晶體管），如下圖所示為光電耦合器。圖2-12光電耦合器器件的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)或電流變換比可以從有關(guān)的資料上查閱。光電晶體管按照晶體管的電流增益來放大光電二極管的電流，具有0.1-0.5的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)。光電耦合器件的工作頻率，受光電晶體管基極和集電極之間電容的影響，不加補(bǔ)償改進(jìn)的簡單應(yīng)用電路的頻率上限為100KHZ，而光電晶體管耦合器可以獲得1MHZ的工作頻率。用于模擬信號(hào)的耦合轉(zhuǎn)換，首先要求光電耦合器件具有很好的線性特性，圖2-13所示為某光電晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。圖2-13光電耦合器的轉(zhuǎn)移特性曲線[8]圖中虛線表示不加負(fù)載時(shí)的輸入、輸出電流特性。光電耦合器件種類繁多，根據(jù)不同的光電耦合器件有各種不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)用電路。圖2-10所示為互補(bǔ)形式的耦合級(jí)電路圖2-14互補(bǔ)形式的耦合級(jí)電路選用國內(nèi)市場廣泛出售的光電晶體管耦合器P521。它利用兩個(gè)光電器件特性的對(duì)稱性提高耦合級(jí)電路的線性度。圖2-14所示光電耦合器U4、U5是經(jīng)過嚴(yán)格挑選的特性對(duì)稱的兩個(gè)光電耦合器，運(yùn)放U1C和運(yùn)放U2A工作在線性狀態(tài)。人通過光耦U4形成負(fù)反饋。U4、U5的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)分別是β1和β2，在靜態(tài)時(shí)，根據(jù)運(yùn)算放大器的理想特性及電路的結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)經(jīng)過R11的電流為Ii，經(jīng)過U4三極管輸入端的電流為I1，經(jīng)過C9的電流為IVD,經(jīng)過U5三極管輸入端的電流為I2時(shí)。Ii=I1，電容C中的電流為0。當(dāng)輸入信號(hào)Ui到達(dá)平衡時(shí)（ΔIc＝0），不難導(dǎo)出ΔI1＝ΔIi＝，ΔI1＝（Ri為輸入阻抗）相應(yīng)地，耦合輸出級(jí)U2A有ΔI2＝＝ΔIF輸出ΔU0＝RFΔIF由于U4、U5特性對(duì)稱，對(duì)應(yīng)某確定的IVD值，β1＝β2，所以ΔU0＝ΔUi（2-24）式中為電路的電壓轉(zhuǎn)換比率。在電路設(shè)計(jì)中，R3和C的設(shè)置是重要的，其作用是改善電路的穩(wěn)定性和頻率特性。光電耦合器件的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于運(yùn)放器件的工作速度，在U1C進(jìn)入工作的瞬間，U1C由光電耦合形成的負(fù)反饋環(huán)路是斷開的，負(fù)反饋過程來不及建立，造成U1C輸出端電壓的過沖。在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)引入R3之后，反饋系數(shù)變小，從而增加了電路的穩(wěn)定性。電容C的引入，為U1C提供了一個(gè)快速反饋環(huán)節(jié)。這樣，U1C組成的浮地部分通過電容C和光電耦合器件U4構(gòu)成兩條反饋支路。假定PH1在選定的靜態(tài)電流下具有良好的線性，且U4、U5均具有β的電流增益。用τp＝RpCp表示U4實(shí)際存在的時(shí)間常數(shù)，U1C的輸出UA通過R3變?yōu)殡娏?，用變換系數(shù)為β/R3的電壓電流變換表示。R3和R的設(shè)計(jì)對(duì)電路的性能有很大影響，R3C值過大，則電路的頻帶上限降低；R3C值過小，則電路的穩(wěn)定性變差。圖2-14所示互補(bǔ)方式光電耦合電路的參數(shù)設(shè)計(jì)（U4、U①靜態(tài)工作電流I1的設(shè)計(jì)值取1～2mA，在其動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)，I1值較大時(shí)，噪聲明顯增加；②R3取值應(yīng)滿足（2-25）式中，UVD為發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓。在最大輸入信號(hào)下，R3的值應(yīng)符合運(yùn)放A1的動(dòng)態(tài)范圍；③Ri≈（2-26）④C通常取1.5uF左右；⑤RF由Ri和所要求的電壓轉(zhuǎn)換比確定，見式（2-27）圖2-14所示的互補(bǔ)光電耦合電路的頻帶平坦區(qū)可達(dá)0-40KHZ，能完全滿足生物電信號(hào)的模擬量耦合的要求，線性度可達(dá)到0.1％以上。互補(bǔ)方式光電耦合電路的優(yōu)點(diǎn)，在于它能夠通過選擇芯片的對(duì)稱性，提高電路的線性度[8]?！?.5保護(hù)電路由于放大器，特別是作用于人體的前置級(jí)設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的對(duì)人體（包括儀器）的危害主要來自于兩個(gè)方面：一是從前端進(jìn)入，由于臨床同時(shí)使用的其他儀器（如高頻電刀、除顫器等），由于種種原因在大電流經(jīng)人體進(jìn)入，使前置級(jí)阻塞或損壞，從而使心電檢測無法進(jìn)行，另外，由于儀器的損壞，有時(shí)可能直接危害人體。二是從后端（電源）進(jìn)入。由于供電部分（220V/50HZ）的泄漏、擊穿等原因，高壓電流經(jīng)前置級(jí)導(dǎo)聯(lián)線電極直接進(jìn)入人體，嚴(yán)重時(shí)可引起心室顫動(dòng)和心臟停搏。1、從前端進(jìn)入的保護(hù)措施：對(duì)于這種情況，可在前置放大器的兩輸入端對(duì)地接入保護(hù)電路T1、T2加以解決。對(duì)于保護(hù)電路的選擇，是確保前置級(jí)放大器在正常情況下(信號(hào)<Vb)的高輸入阻抗，即保護(hù)電路T1、T2不應(yīng)有任何電流泄漏，且要在干擾電壓沖擊下保護(hù)器件自身不受損壞。保護(hù)電路工作的“擊穿”電壓Vb應(yīng)遠(yuǎn)高于正常生理信號(hào)，應(yīng)針對(duì)不同強(qiáng)度的干擾電壓選擇保護(hù)器件。對(duì)于低壓情況，如前置放大器的輸入端信號(hào)中的工頻共模干擾可達(dá)300mV左右，這時(shí)可在前置運(yùn)方的每一輸入端接入一對(duì)反向并聯(lián)的硅二極管，其Vb600mV。對(duì)于再高一些的干擾電壓，在每一輸入端可接一對(duì)反向串聯(lián)的齊納（穩(wěn)壓）二極管，通常選擇的Vb范圍為Vb＝3～20V。在本設(shè)計(jì)中，由于還要對(duì)硬件電路產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而通過數(shù)據(jù)采集卡的電壓不能超過5V，因此，可選用5V的齊納（穩(wěn)壓）二極管[2]，如圖2-15圖a前端保護(hù)電路圖b數(shù)據(jù)采集卡輸入端保護(hù)電路圖2-15保護(hù)電路2、交流電源端泄漏的保護(hù)措施：針對(duì)交流電源端泄漏可能帶來的危害，可采用對(duì)前置級(jí)浮地隔離的方法，前后電源采用DC-DC器件隔離，信號(hào)采用光電耦合隔離的，或信號(hào)經(jīng)調(diào)制后用變壓器耦合。目前信號(hào)隔離大多采用光電耦合隔離的方法。因在隔離級(jí)設(shè)計(jì)一節(jié)中已做過詳細(xì)介紹，在此不再贅述。§2.6共模信號(hào)抑制電路§2.6.1共模信號(hào)抑制為了說明差分式放大電路指引共模信號(hào)的能力，常用共模抑制比作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來衡量，其定義為放大電路對(duì)差模信號(hào)的電壓增益與對(duì)共模信號(hào)的電壓增益之比的絕對(duì)值，即=||（2-28）差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，則共模抑制能力越強(qiáng)，放大電路的性能越優(yōu)良，因此希望值越大越好。共模抑制比也可以用分貝表示：=20lg||dB（2-29）§2.6.2共模抑制電路的設(shè)計(jì)采取右腿驅(qū)動(dòng)和屏蔽驅(qū)動(dòng)可以提高前置放大器的共模抑制1、右腿驅(qū)動(dòng)右腿驅(qū)動(dòng)電路如圖2-16所示圖2-16右腿驅(qū)動(dòng)電路采取右腿驅(qū)動(dòng)電路取代直接接地，這種方法能夠使50HZ共模干擾電壓降到1％以下。而且，對(duì)于50HZ干擾的抑制并不以損失心電圖的頻率成分為代價(jià)，與右腿接地的方法相比較，右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)抑制交流干擾的效果更佳；但是，由于右腿驅(qū)動(dòng)電路存在交流干擾電壓的反饋環(huán)路，而可能有交流電流流經(jīng)人體，成為不安全因素，因此，限流電阻不能很小，通常會(huì)取幾百K以上。2、屏蔽驅(qū)動(dòng)因?yàn)閺呐c人體相接的電極到測量系統(tǒng)，通常有大于1m以上的距離，這樣，信號(hào)通過電纜傳輸時(shí)，在信號(hào)線和電纜屏蔽層之間將存在可觀的分布電容。屏蔽接地時(shí)，屏蔽電容變?yōu)榉糯笃鬏斎攵藢?duì)地的寄生電容C1、C2。如圖2-17所示圖2-17導(dǎo)聯(lián)線的分布電容的影響在兩根導(dǎo)聯(lián)線的分布電容不可能是完全相等的，加之電極阻抗R的不平衡，則R1C1不等于R2C為消除屏蔽層電容的影響，屏蔽層不予接地，而接到與共模輸入信號(hào)相等的電位上，則共模電壓就不衰減的傳送到差動(dòng)放大器的輸入端，從而不會(huì)產(chǎn)生共模量不等量衰減形成的共模誤差。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，我們?nèi)〕龇糯箅娐饭材ｋ妷河靡则?qū)動(dòng)屏蔽層，使分布電容C1、C2的端電壓保持不變，即C1、C2對(duì)共模電壓不產(chǎn)生分流，從而產(chǎn)生在共模電壓作用下電纜屏蔽層分布電容不復(fù)存在的等效效果?！?.7心電放大器整體電路圖經(jīng)過各模塊電路的設(shè)計(jì)，最終得到總體電路圖，見附錄1?！?.8運(yùn)用Protel99SE進(jìn)行的PCB板制作Protel99SE中PCB板設(shè)計(jì)的步驟可分為：1、啟動(dòng)Protel99SE。2、繪制電路原理圖。3、生成網(wǎng)絡(luò)表。4、制作PCB電路的布線圖。5、生成PCB板。至此可完成PCB印刷電路板的制作，該心電放大電路的PCB板見附錄2。第三章電路在EWB中的模擬仿真§3.1單元電路仿真§3.1.1前置放大級(jí)的仿真在圖2-1中，U1和U2的同相輸入端分別加1mV，60HZ和-1mV，60HZ的交流電壓。輸出信號(hào)波形如圖3-1所示。圖3-1前置放大電路信號(hào)放大圖測得放大倍數(shù)K1=§3.1.2后級(jí)放大濾波電路后級(jí)放大濾波電路有兩個(gè)作用：一是起后級(jí)放大作用；二是起到濾波的作用。但沒有慮掉50HZ工頻干擾。在圖2-6加帶有噪聲的心電信號(hào)，輸入及輸出心電信號(hào)對(duì)比如圖3-2所示圖3-2心電信號(hào)放大濾波前后對(duì)比圖3-3信號(hào)濾波后波特圖由圖3-2可得電路的放大倍數(shù)K2為K2=而且由這兩幅圖可以看出，電路把頻帶0.05-100HZ以外的干擾信號(hào)基本濾除，符合設(shè)計(jì)要求?！?.1.350HZ陷波器其電路如圖2-7所示，信號(hào)經(jīng)濾波后，其波特圖如圖3-4所示圖3-4濾除50HZ干擾信號(hào)的波特圖由圖可以看出，信號(hào)中的工頻已被濾除。符合設(shè)計(jì)要求?！?.2整體電路仿真§3.2.1電路共模抑制比的測量一、差模增益在完整電路圖（見附錄1）加差模信號(hào)，輸出波形如圖3-5圖3-5差模信號(hào)放大前后對(duì)比由上圖可以得到整體電路的差模增益為二、共模增益在完整電路圖（見附錄1）的輸入端加共模信號(hào)，輸出波形如圖3-6所示圖3-6共模信號(hào)放大前后對(duì)比由圖3-6可以得到整體電路的共模增益相當(dāng)小，幾可忽略不計(jì)。=0.00945三、共模抑制比由式CMRR=20可得，電路共模抑制比為:CMRR=98。符合設(shè)計(jì)要求?！?.2.2電路濾波效果在完整電路圖（見附錄1）輸入端加帶有噪聲的心電信號(hào)，經(jīng)電路放大濾波后，其波形如圖3-7所示圖3-7心電信號(hào)輸入輸出波形對(duì)比由圖3-4波特圖知濾波頻帶的范圍基本符合要求，既濾除了頻帶0.05HZ-100HZ以外的所有干擾信號(hào)?！?.3仿真結(jié)果根據(jù)心電放大器的設(shè)計(jì)要求，我們對(duì)其進(jìn)行了測試，得出以下結(jié)論:1、差模放大倍數(shù):前級(jí)G1=12，后級(jí)G2=76，則總放大倍數(shù)Ad=912;共模放大倍數(shù)：=0.009452、共模抑制比為:CMRR=983、輸入電阻:180M4、頻率特性:通帶為0.05Hz-150Hz,在50HZ處由陷波器濾除50HZ工頻干擾。5、輸入端短路噪聲電壓8U。6、耦合級(jí)帶寬40kHz，傳輸比1：1。由以上結(jié)論可以得出，本放大電路完全符合設(shè)計(jì)要求，能夠做到不受時(shí)間地點(diǎn)的限制，隨時(shí)捕捉患者的心電信號(hào)，為后續(xù)的工作提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第四章心電放大電路硬件電路的調(diào)試在對(duì)電路進(jìn)行了軟件仿真，實(shí)現(xiàn)了基本功能并生成PCB印刷電路板之后，接下來的工作就是通過實(shí)際的插線把該硬件電路實(shí)現(xiàn)。參照整體電路圖，在模擬電路實(shí)驗(yàn)板上進(jìn)行插線。在插線的過程中先逐步實(shí)現(xiàn)各單元電路：包括前置放大、隔離級(jí)、后級(jí)放大濾波電路等幾個(gè)模塊，再對(duì)總體電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行測試，通過示波器來輸出檢測到的心電信號(hào)。硬件電路的實(shí)際插線圖見附錄3。調(diào)試：因?yàn)闊o法獲得心電信號(hào)，所以在