心電信號(hào)采集與心電波形實(shí)時(shí)顯示模塊的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-10-01 14:12 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用三個(gè)不銹鋼電極，其中一個(gè)電極安裝在人的右腳，另外兩個(gè)電極根據(jù)愛(ài)氏三角形，可連接左手（＋）、右手（－）或右手（－）、左腳（＋）或左手（－）、左腳（＋）。通過(guò)后兩電極之間的電壓差采集心電信號(hào)，然后再通過(guò)信號(hào)的分析處理得到心電波形。 2 2. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖 1系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)功能描述 前置放大 用兩個(gè)集成運(yùn)放和儀用放大器構(gòu)成前置級(jí)放大，增益為 G=10，提高輸入阻抗。 LCD 屏顯示 Msp430 單片機(jī) 閾值報(bào)警 低通濾波 50Hz陷波器 前置 放大 一級(jí)放大 高通濾波 光電隔離 DCDC轉(zhuǎn)換 右腿驅(qū)動(dòng) 屏蔽驅(qū)動(dòng) 保護(hù)電路 二級(jí)放大 高通濾波 AD轉(zhuǎn)換 鍵盤控制 3 保護(hù)電路 對(duì)于心電信號(hào) ~4mV，可以使用反向并聯(lián)的硅二極管，低壓情況下工頻電壓干擾 300mV 左右，可使電壓鉗制在 300mV。 屏蔽驅(qū)動(dòng) 由于測(cè)量電極和測(cè)量系統(tǒng)有大于 1m 距離時(shí)，會(huì)使共模電壓不等量衰減，降低共模抑制能力，將屏蔽層接入共模輸入信號(hào)的等電位點(diǎn)以消除分布電容的影響。 高通濾波 濾除頻率低于 的電信號(hào)。 一級(jí)放大 使用集成運(yùn)放，使得運(yùn)放增益為 G=20。 光電隔離 對(duì)信號(hào)采用光電隔離，使或部分的信號(hào)處理電路不會(huì)因干擾的引入影響前置級(jí)信號(hào)采集的安全性和準(zhǔn)確性。 DCDC 轉(zhuǎn)換 將信號(hào)采集電路和信號(hào)處理電路的電源進(jìn)行隔離，保證安全。 4 右腿驅(qū)動(dòng)電路 降低 50Hz 的工頻干擾電壓。 50Hz 陷波器 去除 50Hz 工頻干擾信號(hào)。 低通濾波器 濾除高于 100Hz 的的電信號(hào)。 二級(jí)放大 提高信號(hào)的電壓增益，可調(diào)電壓增益為 G=1~20，獲得合適的波形。 A/D 轉(zhuǎn)換 將心電模擬信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，送給單片機(jī)處理。 閾值報(bào)警 當(dāng)干擾電壓過(guò)高或電極脫落報(bào)警。 LCD 顯示 顯示出心電信號(hào)的波形，已檢查心臟的情況。 5 按鍵控制 調(diào)整波形基線的位置和顯示屏的顯示及保持。 6 3. 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 模擬電路設(shè)計(jì) 前置放大器設(shè)計(jì) 前置放大電路的電路圖 如圖 2 所示 ,由輸入跟隨 器、儀用放大器、右腿屏蔽驅(qū)動(dòng)和屏蔽層驅(qū)動(dòng) 4 部分組成。 ( 1) 輸入跟隨器。提 供高輸入阻抗，獲取更強(qiáng) 的心電信號(hào) , 采用高輸出驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器 TLC084, 具有最大 失調(diào)電壓 , 超低失調(diào)偏移 176。C。 ( 2) 儀用放大器。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求采用高精度儀用放大器 AD620, 具有高精度 (最大非線性度 40 ppm)、低失調(diào)電壓 (最大 50 μV)和低失調(diào)漂移 (最大 μV/176。C)特性 。該儀用放大器的增益范圍為 1~10 000, 由其放大增益關(guān)系式 :G = 1+ 50 KΩ/Rg, 取 G=10, 則算出 Rg 為 kΩ, 取近似值 kΩ。 ( 3) 右腿屏蔽 驅(qū)動(dòng)。采用高精度運(yùn)算放大器 TLC084,把混雜于原始心電信號(hào)中的共模噪聲提取出來(lái) , 經(jīng)過(guò)一級(jí)倒相放大后 ,再返回到人體 , 使它們相互疊加 , 從而減小人體共模干擾的絕對(duì)值 , 提高信噪比。 ( 4) 屏蔽層驅(qū)動(dòng)。盡管大部分噪聲以共模形式存在于人體 , 但由于元器件不可能完全對(duì)稱 ,電路板又存在一些分布參數(shù) （如寄生電容） , 結(jié)果使少部分以共模形式存在的干擾噪聲以差模信號(hào)的方式進(jìn)入放大器 , 而放大器對(duì)差模信號(hào)的放大能力很強(qiáng) ,最終導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生畸變。因此 , 采用高精度運(yùn)算放大器 TLC084,通過(guò)屏蔽層驅(qū)動(dòng)電路 , 用共模電壓本身驅(qū)動(dòng)屏蔽層給予中和 , 以便將跨接在其上的共模波動(dòng)減小到零。 7 圖 2前置級(jí)放大 前置放大級(jí)通過(guò)施加一個(gè)幅值為 4mV、頻率為 60Hz 正弦信號(hào)源， multisium仿真結(jié)果如圖 3 所示： 高通和低通濾波器、 50Hz 陷波器設(shè)計(jì) 由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào) , 為了去掉高頻的干擾 , 還須通過(guò)低通濾波。低通濾波器 ( LPF) 如圖 4 所示 采用歸一化設(shè)計(jì)的 BUTTERWORTH 二 階低通濾波 , 截止頻率 fH 為 100 Hz, 在頻率轉(zhuǎn)折處有足夠的陡
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