心电放大器的设计(2)

第二章 研究基础

2.1 人体心电信号的产生机理

心脏是循环系统中重要的器官，可以说是世界上最精密的机械泵，这个泵以葡萄糖&氧气为燃料，平均功率约15W，正是由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动，这个泵的工作是靠电信号驱动的，一个精密的时钟发生器（医学上称窦房结）源源不断的发出规律的时钟脉冲电信号，驱动这个泵（心肌）协调地工作，而这个电信号所产生的微小电流可以经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电位。如果在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电图机(即精密的电流计)的两端，它会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图（ECG）。

2.2 ECG的作用

1、对心律失常和传导障碍具有重要的诊断价值。（说白了就是看看你这个泵是不是在正常工作）

2、对心肌梗塞的诊断有很高的准确性，它不仅能确定有无心肌梗塞，而且还可确定梗塞的病变期部位范围以及演变过程。（这个嘛，就是看看这个泵坏在哪了）

3、对房室肌大、心肌炎、心肌病、冠状动脉供血不足和心包炎的诊断有较大的帮助。（这个是看看这个泵究竟怎么坏了）

4、能够帮助了解某些药物（如洋地黄、奎尼丁）和电解质紊乱对心肌的作用。(可以解释为药物或机体内环境变化对心脏有什么影响)

5、心电图作为一种电信息的时间标志，常为心音图、超声心动图、阻抗血流图等心功能测定以及其他心脏电生理研究同步描纪，以利于确定时间。

6、心电监护已广泛应用于手术、麻醉、用药观察、航天、体育等的心电监测以及危重病人的抢救。

说完ECG的原理，在引出主角之前，继续科普下心脏是如何工作吧

心脏这个器官可以说是：一机（一个心脏）两组（左心&右心）四泵（心房&心室）。一个心脏分为两组泵，即左心和右心，每组又分为两个泵，主泵（左心室&右心室）辅泵（左心房&右心房），正常工作的时候，心房先舒张（复极），血液充满心房，此时时钟发生器（窦房结）的信号到达心房，引起心房收缩（心房除极），将血液泵入心室，随后，时钟信号下传到达心室，引起心室收缩（心室除极），将血液打入血管，就这样循环往复。

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第三章 硬件电路设计

3.1 心电信号采集电路的设计要求

通过前面的分析得出心电信号是一种典型的人体生理信号，具有生物电信号的普遍特征，如幅度小、频率低并且易受外界环境干扰，为采集和测量带来了难度。由于本系统需要进行大量的数学运算，所以对处理器的数据处理能力和速度也有很高的要求。如果选用处理速度很快的处理器，则相应的外设也要有与之相适应的性能指标[16]。综合各个方面因素，电路设计要求：

(1)对微弱的心电心电信号进行放大和滤波等必要的信号调理 a)设计合理的导联系统，选择合适的传感器。

b)设计合理的有源滤波器，能够进行0．05-200Hz的带通滤波，50Hz陷波。 c)实现1000倍的信号放大。 d)实现信号电压抬高。 (2)进行符合要求的A／D转换

根据采样定理，采样频率要是心电频率的2倍以上，所以A/D的采样频率至少要达到200Hz以上。

(3)设计电源电路

3.2 心电采集电路总体框架

心电信号 前置放大 带通滤波 电平抬升

二级放大 50Hz陷波 图 3.1 采集电路总体框架

由于心电信号是微弱信号，所以设置前置放大器用来放大心电信号；为了抑制基线漂移，设置了0.5Hz高通滤波；由于心电信号属于低频信号，设置了二阶低通巴特沃斯滤波器，消除200 Hz以上的高频成分；为了消除50 Hz工频干扰，

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设置50 Hz双T陷波电路。

本系统选用的前置放大器是AD620A，具有很好的性能，非常适合作为心电信号测量前置放大器，引脚分布如图3.2其具体规格特性如下：

(1)电源供应范围：±2.3V-±18V；

(2)高精度：输人最大偏置电流：1mA；输人最大失调电流：O．5nA；输入最大失调电压：50μV；最大温度漂移：O．6μV／℃；输入阻抗：10GΩ。

(3)低杂讯：输入电压噪声(f=1K Hz)：9nV／Hz：共模抑制比(增益G=10)：100dB。AD620的增益可调，范围为1～1000倍，通过调节AD620A的1和8腿之间的Rg的值来实现：

G?1?49.4k??3?1? Rg

图3.2 AD620引脚分布图

本电路所用的集成放大电路为OP07。引脚分布如图3.3。OP07芯片是一种低噪声的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为75μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。其主要规格参数有：电源供应范围：3V-18V；输入最大失调电压：75μV；最大温度漂移：1.3μV /℃。

图3.3 OP07引脚图

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3.3 采集电路模块

3.3.1前置放大电路设计

前置放大是整个信号放大最关键的环节，关系到整个模拟采集部分的工作性能。前面已经对心电信号的干扰因素已经有比较全面和详细的介绍，设计电路时必须把这些干扰因素减小到最小。前置放大器是整个前置放大电路的“心脏”，关系到前置放大电路的性能，因而它的选型非常重要[18]。本系统主要基于以下三个方面来确定前置放大器的选型。

(1)心电测量中，皮肤和电极接触将引起极化电压，如果两个电极完全对称，这种极化电压数值和相位相同，将作为直流共模信号输入到心电放大器；无处不在的工频干扰也是一种共模干扰。因而所选放大器一定要有很高的共模抑制比(CMRR)，共模抑制比高能很好地抑制干扰。心电信号前置放大器的共模抑制比一般要在80dB以上。

(2)电极和皮肤接触会存在极化电阻，而被测者身体的移动会导致极化电阻阻抗值发生变化。极化电阻可以看作是整个电路系统源电阻，和前置放大电路的输入电阻进行分压，变化的极化电阻会导致前置放大电路的分压输出处于不稳定状态。所以心电前置放大器必须具有很高的输入阻抗才能减弱心电信号的衰减影响。信号源阻抗一般在数十欧姆到数K欧姆之间，心电前置放大器的输入阻抗应该比源阻抗至少高两个数量级，以保证信号的不失真。

(3)由于电子电路温度变化而造成的零点漂移也能严重影响正常的心电信号的检测，因而要采用低温漂的元件，尤其是在选择心电信号放大器时更要选择低温漂的产品，否则会影响放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法放大，心电信号中的低频成分不能得到正确的测量。总之前置放大器的选择要从高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声和低温漂这几个方面着手。

前置放大器的性能并不是整个实际电路的性能，还必须辅以合理的电路结构来充分发挥前置放大器的作用。前置放大级最重要的电路参数为共模抑制比参数，很大程度上取决于电路的对称性，本系统采用典型的差分放大电路来作为前

UU置放大级，可以有效地提高共模抑制比，如图3.4和图3.5所示，11和12接成射

极跟随器，可以稳定输入信号和提高输入阻抗和共模抑制比；

U8将

R34

和

R44

的

人体共模信号检测出来用于驱动导线屏蔽层，以消除分布电容，进一步提高共模

URRC

抑制比：10、41、39和39构成浮地驱动电路可将人体共模信号放大后用于激

励人体右腿，从而降低共模电压，较强地抑制50Hz工频干扰。极化电压差作为差模直流电压信号输入到放大器，会造成前置放大器静态工作点的偏离，严重会导

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致放大器进入截止或饱和状态。这种极化电压的存在限制了前置放大级的增益，为了避免截止或饱和，前置放大电路的增益不能太大，本系统设计的前置放大电

路的增益

G?1?49.4k??10.88?3?2?5k?。

图3.4 前置放大电路

图3.5 前置放大电路

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