【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 文 6 第 三 章 心電信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 3. 1 引言 心臟在機(jī)械性的收縮之前，首先產(chǎn)生電激動(dòng)，產(chǎn)生生物電流，并經(jīng)組織和體液傳導(dǎo)至體表，在身體不同部位產(chǎn)生不同的電位變化，形成體表電位差，即變化著的心電信號(hào)。人體的心電信號(hào)是一個(gè)非常微弱的非正弦的低頻信號(hào)，其幅值一般在1mV 左右，可低至幾十微伏，頻譜分布在 ～ 100Hz,主要頻譜分量集中在此 ～20Hz}。要采集這樣的信號(hào)，首先必須設(shè)計(jì)合適的心電信號(hào)檢測(cè)電路。 在心電放大器輸入回路內(nèi)，由于電極和皮膚分泌液之間存在著復(fù)雜的離子交換過(guò)程，在其接觸面形成極化電動(dòng)勢(shì) Ep1 和 Ep2，當(dāng) Ep1≠Ep2 時(shí)，其差值比心電信號(hào)大得多，能達(dá)到數(shù)百毫伏。差值信號(hào)與心電信號(hào)一起，由心電放大器放大，勢(shì)必造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏離，甚至進(jìn)入截止或飽和，引起心電放大器的阻塞，所以前置放大器的增益不能太大。我們?cè)O(shè)計(jì)的放大器前置放大增益為 7 倍，后級(jí)放大倍數(shù)為 140 倍，總增益 1000 倍左右。 我們?cè)O(shè)計(jì)的心電信號(hào)采集電路原理框圖如圖 41 所示。從電極提取的心電信號(hào)經(jīng)導(dǎo)聯(lián)傳送到前置放大器，進(jìn)行前置放大，經(jīng)高通濾波濾除直流信號(hào)及低頻基線干擾后，由后級(jí)放大器放大，再經(jīng)濾波器進(jìn)一步濾除 50Hz 工頻干擾，經(jīng)低通濾波器后得到 ~100Hz 的有用心電信號(hào)，由 A/D 轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)處理。同時(shí)導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路把檢測(cè)結(jié)果傳給單片機(jī)，脫落時(shí)產(chǎn)生報(bào)警。 圖 31 心電信號(hào)采集原理圖 3. 2 前置放大器設(shè)計(jì) 3. 2. 1 心電信號(hào)的提取 傳統(tǒng)的心電信號(hào)放大電路如圖 42 所示 :運(yùn)算放大器 Al 與 A2 為同相比例放大器，輸入阻抗很高，它對(duì)共模信號(hào)有很高的抑制比。由于電阻 Rg 連接于這兩個(gè)放大器的求和點(diǎn)之間，當(dāng)一個(gè)差分電壓加到儀表放大器的輸入端時(shí)，整個(gè)輸入電壓都長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 7 呈現(xiàn)在 RG兩端。由于 Rg 兩端電壓等于 Vin，所以流過(guò) Rg 的電流等于 Vin/Rg，因此輸入信號(hào)將通過(guò)放大器 Al 和 A2 獲得增益并得到放大。然而須注意的是對(duì)加到放大器輸入端的共模電壓在 RG兩端具有相同的電位，從而不會(huì)在 RG上產(chǎn)生電流。由于沒(méi)有電流流過(guò) RG (也就無(wú)電流流過(guò) R5 和 R6 )，放大器 A1 和 A2 將作為單位增益跟隨器而工 作。因此，當(dāng) R1=R3,R2=R4， R5=R6 時(shí)，共模信號(hào)將以單位增益通過(guò)輸入緩沖器，而差分電壓將等于 : V 0 = (VM+ V M)(1+2R5/ Rg)(R2/ R1) 圖 32 典型的三運(yùn)放電路 前置放大電路 為達(dá)到心電放大器的上述技術(shù)要求，前置放大電路采用了差動(dòng)輸入的方式，如圖 43 所示，即將患者體表的電位差作為信號(hào)予以放大。 33 前置放大電路 差動(dòng)輸入電阻就是 AD620 的差動(dòng)輸入電阻值與 R。的并值，可達(dá)到 18MΩ，因長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 8 此滿足心電放大器的要求。 、低漂移 儀表放大器 AD620 的技術(shù)指標(biāo)己滿足前置放大器低噪聲、低漂移的要求。 通過(guò)調(diào)節(jié) AD620 的外接增益電阻 Rg 的阻值來(lái)改變放大器的增益，增益 G 與電阻 Rg 的關(guān)系按下式計(jì)算， G 可達(dá)到 1~1000 倍。 Ｇ = Ω/Rg +1 在前置放大電路圖 43 中，增益電阻 Rg 為 R2,R3 的串聯(lián)后再與 R1 并聯(lián)的電阻值， R1, R2, R3 須選用低溫度系數(shù)的精密線繞電阻，否則 AD620 的高性能將下降，我們選用的精度為 0. 01%的精密線繞電阻。根據(jù)低噪聲設(shè)計(jì)理論，影響多級(jí)放大 器的噪聲性能主要是第一級(jí)，達(dá)到低噪聲性能，并選用低噪聲器件來(lái)構(gòu)成第一級(jí)。但考慮到心電信號(hào)中混雜著比其幅度大得多的直流信號(hào)，太大的前置級(jí)放大器增益會(huì)影響電路的直流穩(wěn)定性，為了保證前置放大器不工作在截止區(qū)或飽和區(qū)，前置放大器的增益不能過(guò)大，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了第一級(jí)的放大倍數(shù)為 7 倍左右。 3. 3 工頻陷波器 在生理信號(hào) (如心電、腦電、動(dòng)脈波和心音等 )的檢測(cè)過(guò)程中， 50Hz 工頻干擾是經(jīng)常存在的，但是由于 50Hz 的干擾信號(hào)是落在心電信號(hào)的有效頻帶內(nèi)，所以在信號(hào)通道中增加一級(jí)工頻陷波器，以盡可能的在 50Hz 單頻上抑制干擾。 圖 34 陷波電路圖 在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們采用帶通濾波抵消法，如圖 34 所示。該陷波器具有品質(zhì)因數(shù)高、陷波倍數(shù)大、中心頻率可調(diào)等特點(diǎn)。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 9 圖 34 中運(yùn)算放大器 U1A. U1B, U2A 組成 50Hz 帶通濾波器，運(yùn)算放大器 U2C、電阻 R12, R9, R13 組成加法運(yùn)算電路。信號(hào)從 in 進(jìn)入后一路經(jīng)過(guò)帶通濾波器得到50Hz 信號(hào)，一路經(jīng)過(guò)由 U2B，電阻 R11 構(gòu)成的反相放大電路得到反相放大信號(hào)。兩信號(hào)再經(jīng)加法電路，其結(jié)果抵消了原信號(hào)中的 50Hz 分量。 電路元件參數(shù)的設(shè)計(jì) fo=1/2πRC 設(shè)計(jì)要 求： fo=50Hz，增益 Ho=13 取 С1=С2=68nF，由 fo=1/2πRC算得， R=Ｋ Ω，實(shí)際取 R=47Ｋ Ω。因此 R1=R3=R4=R5=R7=R10=47Ｋ Ω，另取 R6=10Ｋ Ω，求得R8=100Ｋ Ω，調(diào)節(jié)電位器Ｗ來(lái)調(diào)節(jié) R R8，從而調(diào)節(jié)增益和品質(zhì)因數(shù)。實(shí)際電路中R5 由一固定值 R5 和一可變電阻組成，以調(diào)節(jié)中心頻率。 3. 4 低通濾波電路 由前面可知，心電信號(hào)的大部分有用信息在 之間，所以截比頻率取 .fo=100Hz。根據(jù)巴特沃思二階低通濾波的特點(diǎn)，本電路采用巴特沃思二階 低通濾波電路，電路如圖 37 所示，其各個(gè)參數(shù)表達(dá)式如下 : 傳遞函數(shù) : H(s)［ S2 +S/ R1С1+S/ R1С1+S(1Ａ uF)/ R2С2+1/ R1 R2С1С2］ =Ａ uF/ R1 R2С1С2 圖 37 低通濾波電路圖 增益： Ａ uF=1+ R4/R3 截止頻率： ω0= R2C1C2 R1/1 品質(zhì)因數(shù)： 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 10 ω0/Ｑ =1/ R2С1+1/ R1С1+(1Ａ uF)/ R2Сc 2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)如下： 1)選取 С1值 ： С1 = 2)根據(jù) fo 和 С1，求Ｋ值： Ｋ =100/foС1=100 3)設(shè)定增益Ａ uF=2，查表 42 得： С1=С2= R1= Ω R2= Ω R3= R4= Ω 4)將上述電阻乘以參數(shù)Ｋ，并取標(biāo)稱值得到： R1=113Ｋ Ω R2=226Ｋ Ω R3=R4=680Ｋ Ω 表 32 二階低通濾波器（巴特沃思響應(yīng)）設(shè)計(jì)表 設(shè) 計(jì) 表 電路元件值 增益 1 2 4 6 8 10 R1 2 6 4 7 1 2 R2 9 0 7 1 9 2 R3 開(kāi)路 2 8 3 2 0 R4 0 2 4 22 02 38 Cz C C 2C 2C 2C 2C 電阻為參數(shù) K=1 時(shí)的阻值。單位為 KΩ 高通濾波器電路如圖 39 所示。本系統(tǒng)采用巴特沃思二階高通濾波 ,截止頻率是 。 傳遞函數(shù) : 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 11 S2/ H(s) = S2 +S/ R1С+S/ R2С+ 1/ R1 R2С2 39 高通濾波器電路圖 參數(shù)設(shè)計(jì) 1) 選取電容 С= 1uF 2) 根據(jù) fo 和 С，求Ｋ值： Ｋ =100/ foС=1000 3)設(shè)定增益Ａ uf=1，查表 33 得： 表 33 二 階低通濾波器（巴特沃思響應(yīng)）設(shè)計(jì)表 壓控電壓源（ VCVS）電路 設(shè) 計(jì) 表 電路元件值 增益 1 2 4 6 8 10 R1 5 1 2 1 3 5 R2 1 1 7 6 5 6 R3 開(kāi)路 2 3 8 6 6 R4 0 2 0 8 0 6 電阻為參數(shù) K=1 時(shí)的阻值。單位為 KΩ R1= Ω R2= Ω 4)將上述電阻值乘以Ｋ，并取標(biāo)稱值得： R1= R2= 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 12 對(duì)于心電監(jiān)護(hù)儀來(lái)一說(shuō)，如果不能及時(shí)的檢測(cè)出導(dǎo)聯(lián)脫落，就可能作出錯(cuò)誤的判斷。在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)單有效的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路，該電路是利用 LM358的特性，即在單電源供電時(shí)，若將 LM358 接成 電壓跟隨器，當(dāng)其同相端處于懸空狀態(tài)時(shí)，其輸出為穩(wěn)定的高電平。電路如圖 411 所示。 411 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路 設(shè)電極地 “工 ”相對(duì)于電源地 “上 ”的電壓是 V, A1, A2 偏置電流流過(guò)人體產(chǎn)生的電壓分別是 △ V 1,△ V2，則有 : V1= V△ V1 V2= V△ V2 V3= V2+ (V1 V2)/2= V(△ V1+△ V2)/2 V4= V3= V(△ V1+△ V2)/2 ， △ Vi=0. V4V5，于是 V。為高電平 。 I I=1, 2, 3)脫落時(shí)， Ai 輸出高電平，可以看作 △ Vi 為高電平，于是V4V5, V。變?yōu)榈碗娖?。電路中， A5 及周圍電容、電阻構(gòu)成低通濾波器，防止 50Hz干擾使電路誤翻轉(zhuǎn) 。二極管 D 用來(lái)產(chǎn)生閩值 Eo VE 值越小，電路越靈敏。通過(guò)改變電位器的值可以改變 Vo 。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文 13 第四章 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 在單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程中， Intel 公司扮演了重要角色。它由 70 年代的 MCS―48系列發(fā)展到 80 年代的 MCS―51 系列， 80 年代后期的 MCS―96/98 系列以及今天的MCS960 系列及各種 CMOS 系列高檔 機(jī)，使單片機(jī)技術(shù)日趨成熟和完善。 無(wú)論是哪一種位數(shù)的單片機(jī)，也無(wú)論哪一系列的單片機(jī)，都為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用系統(tǒng)的研制、智能控制器的研究等創(chuàng)造了極其有力的硬件環(huán)境。可以說(shuō)，由于世界各生產(chǎn)廠家生產(chǎn) 4 位、 8 位、 16 位、 32 位通用型單片機(jī)以及衍生出的五花八門的系列及型號(hào)，使單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已達(dá)到了無(wú)孔不入的地步。就國(guó)內(nèi) 15, 16 年應(yīng)用實(shí)踐而言，單片機(jī)使用量最大的是 8 位單片，應(yīng)用范圍最廣的也是 8 位單片機(jī)。 本系統(tǒng)選用 Atmel 公司推出的 CMOS 工藝低功耗單片機(jī) AT89C52 為核心，完成數(shù)據(jù)的采集和各種監(jiān)控功能，片 內(nèi) EPROM 存儲(chǔ)監(jiān)控程序和心電信號(hào)的自動(dòng)分析程序等。并外擴(kuò) SRAM 數(shù)據(jù)緩存和大容量的 Flash 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)。利用 RS232接口數(shù)據(jù)直接傳送給 PC 機(jī)。監(jiān)