心电图仪的研制

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1、第6卷第2期中央民族大学学报(自然科学版)1997年X心电图仪的研制王静(中央民族大学物理系,北京100081)摘要在对心电图仪的研制过程中,整机应用了优化设计的思想,并使这一设计思想付诸实施.关键词:心电图仪;滤波器;频率特性心电图仪作为生物医学工程的一部分已是种类繁多,本文谈到的心电图仪的研制不仅是基于理论与实践相结合,同时也可作为高校科研课题或是毕业实习等教学环节的多种考虑而研制的.心电图仪首先是采用了“常规心电图机动态理论研究”的结果,整机应用了优化设计的思想,从时域与频域的结合上,统一地、全面地确定参数,使在整机研制之前,即对

2、仪器的性能指标、记录信号的波形有了较清晰的了解,从而在具体研制心电图仪的过程中,可保证仪器的各项性能指标较全面地达到技术要求,这样,可克服以往的设计、调试中,因参数的确立为个别、分散地进行,而使一些指标上升的同时,却使另一些指标下降太多.同时,本文谈到的整机的研制过程还借助了计算机模拟计算的结果,使求出的结果更加准确、清晰、快捷.11整机方框图整机方框图如图1所示图1整机方框图整机首先选用校医院提供的导联选择器引导人的体表电位差,其电位变化约为015～X本文1996年11月17日收到第2期王静:心电图仪的研制1375mv,频率范围在01

3、5～200Hz,心电图仪的任务是忠实地记录这种信号,并加以放大,同时滤掉(抑制)其它频段的各种干扰信号.引导的心电信号先通过前置放大器,这里采用了具有高输入阻抗、高共模抑制比和可变增益的三运算数据放大器作为输入级,且附设1mv的标准电压发生器用以校正心电图仪的灵敏度.主放大器包含两部分:后级放大器和为记录仪提供功率的功率放大器.主放大器在结构上也是直流放大器,一般输入级是由高输入阻抗的差放电路构成,其次是多级反馈放大器的构成,如图2所示.为了稳定工作点,提高线性度,抑制干扰,常常引入电压串联负反馈,针对反馈网络的多种形式,这里设其为一阶

4、低通网络,则反馈传输函数为Vf(s)GF(s)==V0(s)S1+Xf其中G和Xf均为电路中的固有参数,G是含电阻的静态反馈系数,Xf是反馈电路中含动态元件及电阻的转折角频率.主放大器的功率是为推动记录仪,而记录仪的频带很窄,若使反馈放大器在高频段的增益提升,就要调整Xf以补偿记录仪高频段增益的衰减,因此,在研究整机的频率响应时,可将反馈放大器近似看成一个比例环节,其反馈放大器的原理方框图如图3所示.设其总的放大倍数为A3,其传输函数可表示为A3A31SHf(s)==≈(1+)1+A3FA3GGXf1+1+SöXf∵A3G>>1图2多级

5、反馈放大器图3反馈放大器的原理方框图最后,记录仪通常有点阵式记录和描笔式记录方式.前者机械结构简单,响应频率很高,但电路复杂,且热点阵头价格昂贵,后者因是采用描笔和恒速走纸进行记录,所以机械结构复杂,响应频率较低,但电路结构简单,故这里选择了描笔式记录仪.设记录仪的输入信号是E,输出信号是指针偏转角度H,其传输函数为H(s)AnHn(s)==22E(s)S+2QXnS+Xn[3]这是个二阶函数,其Q是阻尼比,而Xn是记录仪的固有角频率.可见,记录仪与低通滤波器(LPF)具有相同的数学模型,加上考虑到经济上的原因,故这里采用了二阶的LPF

6、模拟仿真的记录仪.级联间的耦合电容C,因其RC时常数很大(秒量纲),故略去其对整机频响中的影响.闭138中央民族大学学报(自然科学版)第6卷锁开关是在导联切换时短路主放大器的输入级,以保护记录仪的指针偏转角度不致过大而受到损坏.21心电图仪的理论研制211整机传输函数的建立若在整机研制之前,用计算机作一辅助优化设计,以便整体、全面地对各技术指标有一清晰的了解,就要先建立起整机传输函数.如前所述,设前置放大器的三运放放大倍数为A1,主放大器的输入级放大倍数为A2,并且A1、A2放大器对后级放大器来看为宽带放大,所以可以看成是个常数.多级反

7、馈放大器和记录仪的传输函数分别为Hf和Hn,则整机传输函数SS1+1+A1A2AnXfXfH(s)=A1A2HfHn=2õ=K(1)GXnSS2SS1+2Q+()1+2Q+()2XnXnXnXnA1A2A3其中,K=2为整机低频增益.GXn212优化设计通过(1)式可知,技术指标除了和放大倍数有关,还和动态参数Xf、Q和Xn有关.当选定仿真记录仪之后,其频率f也确定下来(40Hz).这样,真正需要设计的是Xf与Q.为使整机性能达到优化设计,通常需满足约束条件.0≤Xf≤Xn0016≤Q≤1[3]在对整机的动态性能提出带宽、定标信号响应理

8、想化和相频线性度的三方面要求后,再对(1)式进行离散化处理,则可建立优化设计的目标函数nn222f(Xf,Q)=6A[H(kTs-H0)]+6B[(iõ$X)-di$X]+D(Xn-Xn0)(2)l=0l=