课程设计 心电信号前端放大器设计

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1、心电信号前端放大器设计一、设计用于检测人体心电信号的放大器，要求如下：1、输入阻抗≥10MΩ。2、共模抑制比≥80dB。3、电压放大倍数1000倍。4、频带宽度为0.5Hz~100Hz。5、放大器的等效输入噪声（包括50Hz交流干扰）≤200μV。二、设计方案分析1、心电信号的特点及检测人体的各种生理参数如心电、脑电、肌电等生物电信号都是属于强噪声背景下微弱的低频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，与其他生物电信号相比，该信号也比较容易检测同

2、时具有直观的规律性。一般人体心电信号的幅值约20μV~5mV，频带宽度为0.05Hz~100Hz，由于心电信号取自于活体，所以信号源内阻较高，且存在着较强的背景噪声和干扰。在检测人体生物电信号时，需要采用所谓的生物电测量电极，又称引导电极来实现的，通过引导电极将生物电信号引入到放大器的输入端。对于心电信号的检测，临床上为了统一和便于比较所获得心电信号波形，对测定心电信号（ECG）的电极和引线与放大器的联接方式有严格的统一规定，称之为心电图的导联系统。目前国际上均采用标准导联，即将电极捆绑在手腕或脚腕的内侧面

3、，并通过较长的屏蔽导线与心电放大器相连接。标准导联有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。其具体联接方法如图。图1标准导联联线方法2、心电信号放大器设计要求及组成根据心电信号的特点，对心电信号放大器的要求是高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声、低漂移、合适的通频带宽度和输出较大的动态范围等。典型的心电信号放大器的组成如图所示，主要有前置放大、高通滤波、低通滤波、50Hz陷波器、电压放大等电路。图2心电信号放大器组成框图一、主要单元电路参考设计1.心电信号前置级放大电路由于心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号，所以要求前置放大器应

4、具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力等特点，选择仪表放大器即可满足要求。考虑到要求高共模抑制比、高输入阻抗和调试方便，不使用采用集成运算放大器构成的仪表放大器，而是直接使用集成仪表放大器，本设计选用低成本集成仪表放大器AD620实现。AD620仪表放大器的管脚排列见图3。AD620作为高精度仪表放大器，只需要用改变1脚和8脚之间的外接电阻，即可实现放大器1~1000变化范围的电压增益。该放大器的差模电压放大倍数表达式为：G=1+49.4kΩ/Rg。AD620的最大失调电压仅为

5、50μV，失调电压温漂0.6μV/℃，输入电压噪声为，输入电流噪声，所以作为前置放大器可以很好的工作。为了避免在强干扰信号下，放大器输出产生失真，前置放大器的电压放大倍数不能设置过高，本设计选择电压放大倍数等于10倍。另外为了消除强共模信号通过屏蔽层电容造成放大器输出的影响，一方面要求电极（导联）线的屏蔽层不予接地，另一方面设计了自举屏蔽驱动电路，采用缓冲放大器将连接点的共模电位驱动到屏蔽线，使引线屏蔽层分布电容的两端电压保持相等，从而消除了共模电压由屏蔽层分布电容引起的不均衡衰减。为了进一步提高前置放大器

6、的共模抑制比和抗干扰能力，再采用右腿驱动电路，从根本上降低空间电场在人体上产生的干扰。整个前置放大器的电路如图。图3AD620管脚排列图图4心电信号前置放大器二、滤波器电路正常心电信号的频率范围为0.05~100Hz，而90%的心电信号频谱能量集中在0.25~35Hz之间。噪声信号来源主要有工频干扰、电极接触噪声、人为运动肌电干扰、基线漂移等，其中50Hz的工频干扰最为严重。为了消除这些干扰信号，在心电信号放大器电路中，应加入高通滤波器、低通滤波器和50Hz工频信号陷波器。1、高通滤波器高通滤波器选择典型的

7、压控电压源二阶滤波器，电路结构如图。该电路的典型参数为：截止频率，品质因数，通带放大倍数。现要求滤波器的截止频率等于0.05Hz，Q=0.707，取电容等于47μF，则电阻，选用电阻68kΩ。通带电压放大倍数A0=3-1/Q≈1.586，取R1=20kΩ，Rf=0.586R1=0.586×20kΩ=11.72kΩ，取12kΩ。集成运算放大器选用高精度、低漂移运算放大器OP07。图5二阶高通滤波器1、低通滤波器二阶低通滤波器电路如图。该滤波器的参数指标为：截止频率，品质因数，通带放大倍数。在该电路选择参数情况

8、下，二阶低通滤波器的截止频率，。图6二阶低通滤波器3、50Hz干扰信号陷波器50Hz工频信号陷波器可以采用应用广泛的双T型有源带阻滤波器，图是自举式双T桥二阶有源带阻滤波器电路。这种滤波器的有点是品质因数可以调节，且和带阻滤波器的中心频率无关。在该电路中，当A2的同相输入端接地（反馈系数最小）时，滤波器的Q值最小，大约为0.3；当A2同相输入端的电位很接近滤波器的输出电位（反馈系数大）时，这时滤波器的Q值大，但Q