【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 流信號(hào)，這樣就限制了“三運(yùn)放”第一級(jí)的增益。從而限制了共模抑制比的進(jìn)一步提高。 本設(shè)計(jì)采用的生物前置放大器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在抑制直流干擾的情況下，提供極高的共模抑制比。該電路設(shè)計(jì)突出的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)外圍無(wú)源器件的參數(shù)不敏感，即使采用低成本的常用芯片，無(wú)須刻意匹配仍然可以達(dá)到良好的性能，尤其適合生理電信號(hào)的高精度測(cè)量。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 前置放大電路 電路設(shè)計(jì)如圖 所示。該電路由四部分構(gòu)成：并聯(lián)型雙運(yùn)放儀器放大器，阻容耦合電路，由集成儀用放大器構(gòu)成的后級(jí)放大器和共模信號(hào)取樣驅(qū)動(dòng)電路。并聯(lián)型雙運(yùn)放儀器放大器的優(yōu)點(diǎn)是不需精密的匹配電阻，理論上它的共模抑制比為無(wú)窮大，且與其外圍電阻的匹配程度無(wú)關(guān)。但并聯(lián)型雙運(yùn)放儀器放大器的輸出為雙端差動(dòng)輸出信號(hào)，如果僅用單端輸出信號(hào)時(shí)將不再具有這一優(yōu)點(diǎn)。所以本電路在后級(jí)使用集成儀用放大器 U4，將雙端差動(dòng)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為常用的單端輸出信號(hào)。集成儀用放大器具有較優(yōu)良的性能，但由于其共模抑制比正比于差模增益，而同時(shí)器件存在較高的失調(diào)電壓和通常 信號(hào)源中存在較大的直流偏移電壓 (如檢測(cè)生理電信號(hào)時(shí)的極化電壓和傳感器中的零點(diǎn)偏移電壓 )，在直接應(yīng)用集成儀用放大器作為前置放大器時(shí)并不取得最高的共模抑制比性能。于是本電路在后級(jí)使用集成儀用放大器，并采用阻容耦合電路隔離直流信號(hào)，因而可使得集成儀用放大器取得較高的差模增益，從而得到很高的共模抑制比性能。共模取樣驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)等值電阻 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和一只由運(yùn)算放大器 U2 組成跟隨器構(gòu)成。由圖可見， U2的輸入信號(hào)取自 U1 和 U3 輸出端兩個(gè)串聯(lián)電阻 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的中點(diǎn)電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，即： 當(dāng)只有差模信號(hào)的輸出 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。時(shí)，有 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =O，則運(yùn)放 U2 的輸出電壓為 0，等同于接地；而當(dāng)兼有共模電壓和差模信號(hào)輸入時(shí)， U2 的總輸出只包含輸入信號(hào)的共模部分 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。從而使得共模信號(hào)不經(jīng)阻容耦合電路的分壓直接加在集成放大器的輸入端，避免了由于阻容耦合電路的不匹配而降低電路整體的共模抑制比。本電路的差動(dòng)輸出可以由下式計(jì)算： 其中 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 是集 成儀用放大器 U4 的差模放大倍數(shù)。 章及標(biāo)題 7 該電路的高通截止頻率 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 可以表示為： 整個(gè)電路的共模抑制比 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 可以由下式來(lái)計(jì)算： 其中 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 分別是放大器第一級(jí)和第二級(jí)的共模抑制比。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 由集成儀器放大器的共模抑制比決定。在第二級(jí)放大倍數(shù)比較高的情況下， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的值可以達(dá)到 120dB 以上。對(duì) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的影響可以忽略。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的值則可以由下式得到： 其中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 3 是運(yùn)放 U U3 的開環(huán)差動(dòng)增益和共模增益。上式顯示為了得到較高的共模抑制比，第一級(jí)的兩個(gè)運(yùn)放無(wú)論是開環(huán)增益還是 CMRR 都應(yīng)盡可能地匹配。在實(shí)際應(yīng)用中，以廉價(jià)常用的精準(zhǔn)儀用放大芯 片 OP07C 為例，其 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的標(biāo)準(zhǔn)值為 400， 000 倍， CMRR的標(biāo)準(zhǔn)值為 120dB， 以標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)計(jì)算， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。如果所選用高精度、匹配較好的運(yùn)放， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的值還可以大幅度提高。 濾波電路 低通濾波電路 由于電磁干擾越來(lái)越嚴(yán)重，所以心電信號(hào)在采集過(guò)程中不僅有 50Hz 的燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 工頻干擾和低頻、直流分量的干擾，還有高于 100Hz 高頻諧波的嚴(yán)重干擾，有必要進(jìn)行低通濾波電路的設(shè)計(jì)。 圖 低通濾波電路 高通濾波電路 由于心電信號(hào)微弱，需要多級(jí)放大，而多級(jí)直接耦合的直流放大器雖能滿足要求，但多級(jí)直接耦合的直流放 大器容易引起基線飄移。此外，由于極化電壓存在的緣故，動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)的直流放大器更不能采用多級(jí)直接耦合。本裝置中，在兩級(jí)放大器之間采用 RC 耦合電路，即時(shí)間常數(shù)電路，在隔離直流信號(hào)的同時(shí)達(dá)到高通濾波的效果。我們?nèi)r(shí)間常數(shù)約為 ，這樣可確定電阻、電容值，在兩級(jí)之間組成高通濾波器?？傻棉D(zhuǎn)折頻率為： 圖 高通濾波電路 右腿驅(qū)動(dòng)電路 人體接地是造成觸電事故的一個(gè)重要原因，因此取消人體接地是最根 安全用電措施。人體接地本來(lái)就是在沒(méi)有高質(zhì)量的放大器情況下采取 少共模信號(hào)的應(yīng)急措施。測(cè)量心電圖時(shí)，如 果病人右腳不接地，由于雜散分布電容的影響，病人身上將會(huì)產(chǎn)生很高的共模電壓。因此，最理想的方法是設(shè)計(jì)出一種既能減少共模干擾又能取消人體接地的電路。右腿驅(qū)動(dòng)的工作原章及標(biāo)題 9 理是將由人體體表獲得的共模電壓通過(guò)負(fù)反饋放大的方式輸回人體，從而達(dá)到抵消共模干擾的作用，從根本上抑制共模電壓。 圖 右腿驅(qū)動(dòng)電路 電平提升電路 經(jīng)過(guò)模擬電路放大濾波后的心電信號(hào)是交流信號(hào)，而 MSP430 系列單片 機(jī)的轉(zhuǎn)換范圍是正電壓信號(hào)，所以有必要將模擬信號(hào)抬升至 0V 以上，根據(jù)對(duì) MSP430 單片機(jī)的參考電壓設(shè)置為 的情況，在后級(jí) 設(shè)置一定的可調(diào) 放大倍數(shù)，并使用微型電位器，以便根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 電平提升電路 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)報(bào)警電路 患者在使用心電監(jiān)護(hù)儀時(shí)有可能發(fā)生導(dǎo)聯(lián)松動(dòng)和脫落，這將引入很大的干擾，導(dǎo)致心電波形畸變，使得心電監(jiān)護(hù)終端難以輸出實(shí)際波形，從而導(dǎo)致對(duì)心電信號(hào)的錯(cuò)誤判斷，影響診斷結(jié)果。 正常情況下，正負(fù)電極對(duì)人體皮膚形成的極化電壓可以相互抵消，當(dāng)一側(cè)電極脫落時(shí)，將有較大的極化電壓輸入，經(jīng)過(guò)前置放大后的電壓將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常連接時(shí)的電壓范圍。因而可通過(guò)一個(gè)窗口比較器，當(dāng)電壓超出窗口范圍時(shí)，認(rèn)為發(fā)生電極脫落， 比較器輸出電平由正常時(shí)的高電平變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。電路如圖 所示，當(dāng)導(dǎo)聯(lián)脫落時(shí)，紅色指示燈會(huì)亮起提示脫落。 圖 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了心電信號(hào)的采集與處理過(guò)程，根據(jù)前一章所述的心電信號(hào)的特點(diǎn)和噪聲干擾，提出前置放大器的設(shè)計(jì)要求，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)章及標(biāo)題 11 各個(gè)模塊電路的功能做了詳盡的闡述。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第 4 章 控制、存儲(chǔ)及接口電路設(shè)計(jì) 中央處理器及其外圍模塊 芯片的選型 本系統(tǒng)的核心器件無(wú)疑是負(fù)責(zé)調(diào)配各外圍部件有序工作的微處理器。在電子技術(shù)高速發(fā)展的今 天，市場(chǎng)上可供選擇的處理器有很多種，最常見的有單片機(jī)、 DSP、 PLC、 ARM 等。處理器的選擇不僅要看其處理能力，還要考慮其他一些因素，比如價(jià)格、功耗等。經(jīng)過(guò)對(duì)幾種嵌入式平臺(tái)的比較，本系統(tǒng)病人心電監(jiān)護(hù)終端硬件核心處理器采用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的低功耗 16 位單片機(jī) MSP430F149。 MSP430 具有如下特點(diǎn)： 首先，它的突出優(yōu)勢(shì)是功耗小。 MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。它在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在 200~400uA 左 右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 。 MSP430 可通過(guò)兩個(gè)不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng) —— 基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán) (FLL和 FLL+)時(shí)鐘系統(tǒng)或 DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式 (AM)和五種低功耗模式． (LPMO、 LPM4)。在等待方式下，耗電為 ，在節(jié)電方式下，最低可達(dá) 。 第二，除了低功耗之外， MSP430 還具有強(qiáng)大的處理能力，其芯片具有一個(gè) 16 位精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)指令 CPU， 10 個(gè) 16 位的寄存 器以及常數(shù)發(fā)生器，能夠最大限度的提高代碼的效率。數(shù)字控制的振蕩器 (DCO)將 CPU 從低功耗模式喚醒的時(shí)間僅為 6 微秒。 MSP430F449 采用 RISC 精簡(jiǎn)指令集， 125ns 指令周期，大部分的指令在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，且其片內(nèi)含有硬件乘法器，大大節(jié)省了運(yùn)算的時(shí)間。 第三， MSP430 具有豐富的片內(nèi)外圍電路，它內(nèi)置 12 位高性能 A/D 轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)帶有捕獲計(jì)時(shí)寄存器的 16 位定時(shí)器、 60KB 的 FLASH ROM、 2KB章及標(biāo)題 13 的 RAM、 48 個(gè)可復(fù)用 I/O 引腳和兩個(gè)通用同步 /異步串行通訊接口等。MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外 設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。除此之外， MSP430F149 開發(fā)平臺(tái)提供了方便高效的開發(fā)環(huán)境。由于它屬于 FLASH 型器件，相對(duì)于 OPT 型和 ROM 型的器件，它有 JTAG 調(diào)試接口，還有可擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器，可先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行。采用這種方式只需要一臺(tái) PC機(jī)和一個(gè) JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。 MSP430 系列單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： R I S C1 6 位C P U系 統(tǒng) 時(shí) 鐘F L A S H /R O MR A M片 內(nèi) 外 設(shè)片 內(nèi) 外 設(shè) 片 內(nèi) 外 設(shè)看 門 狗片 內(nèi) 外 設(shè)片 內(nèi) 外 設(shè) 片 內(nèi) 外 設(shè)片 內(nèi) 外 設(shè)M A B 1 6 b i t總 線轉(zhuǎn) 換