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正文內(nèi)容

同步采樣心電信號采集器硬件部分電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-02-14 15:49 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 各方面的因素,力求達到較高的性價比。雖然影響因素是多方面的,但并非無章可循,以下便是同領(lǐng)域科研工作者在實際的研究工作中得到的寶貴的設(shè)計經(jīng)驗,可作為我們的參考原則:,選擇相關(guān)器件首先要考慮必須滿足實時性的要求。,并符合單片機常規(guī)用法,為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。,系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配,并盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響,考慮原則是:軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn),以簡化硬件結(jié)構(gòu)。,必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時,系統(tǒng)工作不可靠,可通過增設(shè)驅(qū)動器增強驅(qū)動能力或減少芯片功耗來降低總線負載。,它包括:芯片與器件選擇、去藕濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。,盡可能選擇集成芯片,不僅增加可靠性,而且使用起來很簡單。硬件平臺的設(shè)計是應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ),是軟件系統(tǒng)的載體,硬件平臺的性能、可擴展性及可靠性對后面的開發(fā)工作有著決定性的作用。 由于測量對象為人體,因此作為生物醫(yī)學(xué)測量的生物電放大電路,應(yīng)在前置極設(shè)計保護電路,包括人體安全保護電路和放大電路輸入保護電路,而且應(yīng)該考慮到作用于人體的其他醫(yī)學(xué)檢測設(shè)備和其他可能存在的某些干擾對放大電路的破壞作用,鑒于生理信號的上述特點,本系統(tǒng)采用典型的生理信號放大電路,模擬電路框圖如圖所示: 心電信號從心電輸入電極輸入,然后經(jīng)過保護限流電路,得到約為1mV心電信號再經(jīng)過前置放大電路,被處理后的信號具有低噪聲、低漂移、低共模信號等性能。這時候的心電信號主要受工頻、肌電等信號的干擾,再通過50Hz陷波器,消除頻率為50Hz的工頻信號,工頻中的其它高次諧波可經(jīng)后級的濾波器濾掉。為了消除頻帶以外的肌電等干擾信號,經(jīng)陷波后的心電信號送到200Hz低通濾波器。心電信號通過如上放大濾波處理之后最后經(jīng)過光電隔離得到05V電壓波形。心電輸入電極用于引入人體體表電位。電極對于采集的心電信號的質(zhì)量至關(guān)重要,采用的電極應(yīng)該是貼附力強、透氣性好、吸汗、電極導(dǎo)電性能好、極化電壓低的優(yōu)質(zhì)電極,此外還應(yīng)該具有對皮膚刺激小、佩帶舒適、拆卸方便等優(yōu)點。胸電極通常采用表面鍍有AgCl并帶吸附橡膠頭的電極,肢體電極通常是導(dǎo)電夾,并在電極上涂有優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電膏。在人體表面的心電信號通過導(dǎo)線進入前置放大電路之前,每一路信號都要先經(jīng)過如圖……所示保護限流電路。 該電路能起到以下的作用:(1)圖中F1為一氖泡,在輸入電壓達到30V左右時,氖泡就會導(dǎo)通發(fā)光,起高壓保護的作用。(2)輸入端的電阻R3一般選用幾萬歐姆。,這樣電路的電流就被限制在30/=。(3)R3和C5組成一個低通濾波器,濾波頻率約為30KHz,這樣可以濾掉信號中的高頻抖動,具有防顫的作用。(4)LF444用做一個電壓跟隨器,這樣就是在一階低通濾波電路的輸出端再加上一個電壓跟隨器,使之與負載很好的隔離開來,構(gòu)成了一個簡單的一階有源低通濾波電路,可以提高信號的輸入阻抗,并且具有很強的帶負載能力。(5)二極管D7和D8起低壓保護的作用。LF444性能介紹一般說明 該LF444四低功耗運算放大器提供 許多相同的AC特性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 標(biāo)準(zhǔn)LM148同時大大提高了直流特性 ,轉(zhuǎn)換 率,并獲得(以10K ?負荷)為LM148 ,只有提請 , 以及匹配高壓場效應(yīng)管輸入設(shè)備的LF444 降低輸入偏置電流和抵消的一個因素 10, LF444也有一個非常低 等效輸入噪聲電壓低功率放大器。 該LF444引腳兼容與LM148允許的IM 調(diào)解4次減少電力消耗在許多應(yīng)用 LF444的地方應(yīng)采用低功耗和良好的電氣特性是主要的考慮。特征1/ 4電源電流的LM148 : 200μA/Amplifier (最大值) 低輸入偏置電流: 50原(最大值) 高增益帶寬: 1兆赫高轉(zhuǎn)換速率: 1伏/微秒低噪聲電壓低功耗低輸入噪聲電流高輸入阻抗: 1012 ? 高增益VO= 177。 10V ,RL= 10,000 : 50k的(MIN)簡化示意圖 威爾遜網(wǎng)絡(luò)是由9個電阻組成的平衡電阻網(wǎng)絡(luò),6個20K歐姆的電阻(R1)組成三角形,3個30K歐姆的電阻R2組成星形,如圖。網(wǎng)絡(luò)的3個頂點通過緩沖放人器分別與左臂(LA),右臂(RA)、左腿(LL) 電極相接,三角形各邊的中點(Wa)是是加壓肢體導(dǎo)聯(lián)的相應(yīng)參考點,星形的中點(Wi)是威爾遜網(wǎng)絡(luò)中心端。 用威爾遜網(wǎng)絡(luò)配合導(dǎo)聯(lián)選擇,既可減小均壓電阻對心電信號的衰減,又不影響放大器的輸入阻抗。通過電位分析可知,威爾遜網(wǎng)絡(luò)的中心端(Wi)的電位與人體電偶中心點的電威爾遜網(wǎng)絡(luò)的連接威爾遜網(wǎng)絡(luò)是由9個電阻組成的平衡電阻網(wǎng)絡(luò),6個20K歐姆的電阻(R1)組成三角形,3個30K歐姆的電阻R2組成星形,如圖。網(wǎng)絡(luò)的3個頂點通過緩沖放人器分別與左臂(LA),右臂(RA)、左腿(LL) 電極相接,三角形各邊的中點(Wa)是是加壓肢休導(dǎo)聯(lián)的相應(yīng)參考點,星形的中點(Wi)是威爾遜網(wǎng)絡(luò)中心端。 用威爾遜網(wǎng)絡(luò)配合導(dǎo)聯(lián)選擇,既可減小均壓電阻對心電信號的衰減,又不影響放大器的輸入阻抗。通過電位分析可知,威爾遜網(wǎng)絡(luò)的中心端(Wi)的電位與人體電偶中心點的電位相等,即均可視為零點位。 心電信號從緩沖放大器到導(dǎo)聯(lián)選擇電路,中間要經(jīng)過威爾遜網(wǎng)絡(luò),威爾遜網(wǎng)絡(luò)原理電路圖如圖所示. 放大器的設(shè)計是心電信號采集系統(tǒng)的重要組成部分,心電數(shù)據(jù)采集器的輸入信號是通過電極取自人體表皮的緩變微弱信號,其值不超過5mV,放大部分的作用是將幅度為微伏級,~100Hz的心電信號,放大到可以觀察和記錄的水平。另外,由人體表面提取的心電信號還混入了其他一些干擾,因此不但要對心電信號進行放大,還要濾除干擾信號,單級放大電路無法滿足要求,我們采取兩級以上的放大電路。第一級放大器的主要功能是濾除共模干擾信號,同時對心電信號進行有限度的放大,接續(xù)的放大器可以進行更大增益的放大。一級放大器也稱前置放大器,它的主要功能是濾除一些共模干擾信號,同時對心電信號進行有限度的放大,要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低零點漂移、低噪聲和線性工作范圍較寬的特點?;谏鲜鲆?,本設(shè)計采用TI公司的放大器INA128作為心電信號一級放大的核心器件,它是一種低電壓通用型儀表放大器,其特點如下:低失調(diào)電壓:50V MAX;低漂移:;低輸入偏流:5nA MAX;高共模抑制比:120dB MIN;寬通頻帶:200KHz(G=100);輸入過壓保護:40V;寬電源電壓范圍:;低靜態(tài)電流:700A;由此可見,INA128的性能指標(biāo)是能夠滿足心電放大的要求的。如圖……所示。位相等,即均可視為零點位。 一級放大電路 Gi=1+50KΩ/R4 Gi=11 R4=5KΩ圖中R4為增益調(diào)節(jié)電阻,增益G=1+50KΩ/R4。本設(shè)計中R4調(diào)節(jié)在5 KΩ左右,這樣G=11。前置級不設(shè)置太高的增益是因為兩個電極的極化電壓總是不平衡的,兩極化電壓之差作為差模信號加到INA128的輸入端,若增益太高,則可能使它飽和而失去放大能力。由于使用的心電電極具有一定的直流化電壓,若將該極化電壓直接輸入二級放大器,會使放大器的靜態(tài)工作點發(fā)生偏移,有可能偏出放大區(qū),造成描記信號的失真,為了解決直流極化電壓的Ib]題,信號進入二級放大器之前應(yīng)該設(shè)計一個RC濾波網(wǎng)絡(luò),即利用電容的“隔直”特性,將極化電壓在一級放大電路的輸出端濾除,而只允許心電信號通過。輸出電壓引腳所接的電容Cl與R21構(gòu)成了一個高通濾波器,主要起到去直流的作用,用以抑制直流飄移和放大器通帶外的低頻噪聲。INA128性能介紹INA12特征低失調(diào)電壓: 50μV最大值低漂移: / 176。 C最高低輸入偏置電流: 5nA最高寬電源范圍: 177。 177。 18V間低靜態(tài)電流: 700μA 熱電偶放大器 RTD傳感器放大器醫(yī)療儀器數(shù)據(jù)采集INA128是低功耗,一般 為了提供良好的儀表放大器 運算放大器的設(shè)計和小 大小使其適合廣泛的應(yīng)用。 電流反饋輸入電路提供寬帶寬度甚至在高增益( 200kHz在G = 100 ) 。 一個單一的外部電阻設(shè)置任何收益從1到 10,000元。 INA128提供了一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增益 方程。 INA129的增益方程兼容 在AD620 。 該INA128/INA129是激光裁剪極低 偏移電壓( 50μV ) ,漂移( / 176。 C )和高復(fù)合 周一模抑制(一二○分貝地下≥ 100 ) 。它的工作 與電源低至177。 ,和靜態(tài) 電流僅為700μA ,適合于電池供電輸入保護能夠經(jīng)受高達 177。 40V的無損害。 INA128/INA129采用8引腳塑料 部,與SO 8表面貼裝封裝,指定 在40 176。 C至+85 176。 C溫度INA128 也可在雙配置 INA2128 。 LNA128原理電路圖一級放大電路的放大率有限,輸出電平較低,因此設(shè)計二級電路進行接續(xù)的放大,并利用該電路中的濾波電路消除采集信號中的部分工頻干擾。,構(gòu)成了一個簡單的一階有源高通濾波電路。之所以選用LF411,是因為它具有以下特點:內(nèi)端偏移電壓: MAX;輸入電壓溫漂:10mV/℃ MAX;低輸入偏置電流:50pA;低輸入噪聲電流:;很寬的增益范圍:3MHz MIN;高回轉(zhuǎn)率:10V/ms MIN;低供電電流:;高輸入阻抗1012歐姆;%的時間2ms 二級放大電路 Gz=Gi*Gii=1000 Gii=100 Gii=R2/R3=100 R3=1KΩ放大器的輸入是對應(yīng)的前置放大器的輸出,濾除直流極化電壓后的信號接著進入了由低功耗運算放大器LF41R42和R66構(gòu)成的二級放大電路。,為了消除高頻信號的干擾,電路中實現(xiàn)了一個低通濾波器,它由圖中的放大器反饋電阻R42上并聯(lián)上電容CZI構(gòu)成。讓低通濾波器和二級放大電路合用一個運算放大器,實踐證明這種方法是可行的。LF4114器件為雙端供電方式,本系統(tǒng)中是士3V供電,所以輸出端輸出的信號浮動在0電平的位置,不能直接接入微控制器。電路右端R3加+3V電壓,電,一方面將二級放大電路輸出的信號幅度降為原來的一半,便于后續(xù)的信號采集。二級放大電路的放大倍率以參數(shù)A來衡量,A=R2/R3,A越大,放大倍越大。我們選擇R3為1K,R2為100K,得到了100倍左右的放大率。這樣,經(jīng)二級放大后,采集信號總的增益達到1000倍以上。需要指出的是,對于10電極心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),各路心電信號從人體體表的不同部位獲取,雖然各路信號波形的形狀不同,但是它們的頻率特征相同,或者說它們具有相同的物理特性,因此我們僅僅選取了其中一路信號簡要說明其調(diào)制程。電極in1是輸入信號,將電極in1n獲得的信號作為前置差分放大器的負輸入,最后總共得到8路輸出,分別接入微控制器的8路模擬通道,進行下一步的轉(zhuǎn)換處理L411性能介紹特征國內(nèi)統(tǒng)一失調(diào)電壓: mV的(最大值) 輸入失調(diào)電壓漂移: 10μV /攝氏度(最大值) 低輸入偏置電流: 50物低輸入噪聲電流: 寬增益帶寬: 3兆赫(民) 高轉(zhuǎn)換速率: 10V/μs (民) 低電源電流:一點八毫安高輸入阻抗: 1012 Ω 較低的總諧波失真的AV = 10 , RL=10KΩ ,Vo=20Vpp,BW=20Hz,20Hz% 低1 / f噪聲角落: 50赫茲 % : 2μs簡化示意圖 信號采集過程中,采集器的采集電極會拾取50Hz交流電壓而形成交流干擾,設(shè)計右腿驅(qū)動電路可以有效的去除人體攜帶的交流共模干擾。本系統(tǒng)的右腿驅(qū)動電路由運算放大器OP07C和限流電阻R1組成,OP07C是一個高精度運算放大器,具有低偏置電壓,另外,OP07C提供低輸入電流和高增益,特別適合儀表方面的應(yīng)用。 本系統(tǒng)的右腿驅(qū)動電路以威爾遜中心電端作為參考輸入。右腿驅(qū)動電路將交流(尤其是50Hz)共模電壓干擾降低,并且將患者有效接地,進一步提高了前置放大器的共模抑制比。流入人體的位移電流基本等于反饋電阻R1上的驅(qū)動電流,這樣就能保證有位移電流流入人體,人體的電位也基本保持零電位,大大降低了人體拾取的共模電壓造成的交流干擾。 右腿驅(qū)動電路 將威爾遜網(wǎng)絡(luò)中心的干擾信號送右腿驅(qū)動放大器進行反相放大,傳到右體驅(qū)動電極RF,對于干擾信號,這是一種深度的負反饋,有效地削弱了人體上感應(yīng)的共模干擾信號。右腿驅(qū)動電路將交流(尤其是5OHz)共模電壓干擾降低,并且將患者有效接地,進一步提高了前置放大器的共模抑制比。流入人體的位移電流基本等于反饋電阻R。上的驅(qū)動電流這樣就能保證有位移電流流入人體,人體的電位也基本保持零電位,大大降低了人體拾取的共模電壓造成的交流干擾。 右腿驅(qū)動電路實際上可以看成以人體為相加點的共模電壓負反饋電路,任何流入人體的位移電流基本等于反饋電阻上的驅(qū)動電流,只要放大器的開環(huán)增益足夠大,那么即使有較大的位移電流流入人體,人體的電位也能基本保持零電位。在理想情況下,Av越大,負反饋越深,干擾抑制能力越強。但實際
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