【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 各方面的因素，力求達(dá)到較高的性?xún)r(jià)比。雖然影響因素是多方面的，但并非無(wú)章可循，以下便是同領(lǐng)域科研工作者在實(shí)際的研究工作中得到的寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，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(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。，并符合單片機(jī)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(huì)產(chǎn)生相互影響，考慮原則是:軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，可通過(guò)增設(shè)驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力或減少芯片功耗來(lái)降低總線負(fù)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(lái)很簡(jiǎn)單。硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)是應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是軟件系統(tǒng)的載體，硬件平臺(tái)的性能、可擴(kuò)展性及可靠性對(duì)后面的開(kāi)發(fā)工作有著決定性的作用。 由于測(cè)量對(duì)象為人體，因此作為生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的生物電放大電路，應(yīng)在前置極設(shè)計(jì)保護(hù)電路，包括人體安全保護(hù)電路和放大電路輸入保護(hù)電路，而且應(yīng)該考慮到作用于人體的其他醫(yī)學(xué)檢測(cè)設(shè)備和其他可能存在的某些干擾對(duì)放大電路的破壞作用，鑒于生理信號(hào)的上述特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用典型的生理信號(hào)放大電路，模擬電路框圖如圖所示： 心電信號(hào)從心電輸入電極輸入，然后經(jīng)過(guò)保護(hù)限流電路，得到約為1mV心電信號(hào)再經(jīng)過(guò)前置放大電路，被處理后的信號(hào)具有低噪聲、低漂移、低共模信號(hào)等性能。這時(shí)候的心電信號(hào)主要受工頻、肌電等信號(hào)的干擾，再通過(guò)50Hz陷波器，消除頻率為50Hz的工頻信號(hào)，工頻中的其它高次諧波可經(jīng)后級(jí)的濾波器濾掉。為了消除頻帶以外的肌電等干擾信號(hào)，經(jīng)陷波后的心電信號(hào)送到200Hz低通濾波器。心電信號(hào)通過(guò)如上放大濾波處理之后最后經(jīng)過(guò)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(duì)于采集的心電信號(hào)的質(zhì)量至關(guān)重要，采用的電極應(yīng)該是貼附力強(qiáng)、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(duì)皮膚刺激小、佩帶舒適、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)通過(guò)導(dǎo)線進(jìn)入前置放大電路之前，每一路信號(hào)都要先經(jīng)過(guò)如圖……所示保護(hù)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(dá)到30V左右時(shí)，氖泡就會(huì)導(dǎo)通發(fā)光，起高壓保護(hù)的作用。（2）輸入端的電阻R3一般選用幾萬(wàn)歐姆。，這樣電路的電流就被限制在30/=。（3）R3和C5組成一個(gè)低通濾波器，濾波頻率約為30KHz，這樣可以濾掉信號(hào)中的高頻抖動(dòng)，具有防顫的作用。（4）LF444用做一個(gè)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(gè)電壓跟隨器，使之與負(fù)載很好的隔離開(kāi)來(lái)，構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的一階有源低通濾波電路，可以提高信號(hào)的輸入阻抗，并且具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力。（5）二極管D7和D8起低壓保護(hù)的作用。LF444性能介紹一般說(shuō)明 該LF444四低功耗運(yùn)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(shí)大大提高了直流特性 ，轉(zhuǎn)換 率，并獲得（以10K ？負(fù)荷）為L(zhǎng)M148 ，只有提請(qǐng) ， 以及匹配高壓場(chǎng)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(gè)因素 10, LF444也有一個(gè)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(jiǎn)化示意圖 威爾遜網(wǎng)絡(luò)是由9個(gè)電阻組成的平衡電阻網(wǎng)絡(luò)，6個(gè)20K歐姆的電阻（R1)組成三角形，3個(gè)30K歐姆的電阻R2組成星形，如圖。網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)頂點(diǎn)通過(guò)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(diǎn)（Wa)是是加壓肢體導(dǎo)聯(lián)的相應(yīng)參考點(diǎn)，星形的中點(diǎn)（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(duì)心電信號(hào)的衰減，又不影響放大器的輸入阻抗。通過(guò)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(diǎn)的電威爾遜網(wǎng)絡(luò)的連接威爾遜網(wǎng)絡(luò)是由9個(gè)電阻組成的平衡電阻網(wǎng)絡(luò)，6個(gè)20K歐姆的電阻（R1)組成三角形，3個(gè)30K歐姆的電阻R2組成星形，如圖。網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)頂點(diǎn)通過(guò)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(diǎn)（Wa)是是加壓肢休導(dǎo)聯(lián)的相應(yīng)參考點(diǎn)，星形的中點(diǎn)（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(duì)心電信號(hào)的衰減，又不影響放大器的輸入阻抗。通過(guò)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(diǎn)的電位相等，即均可視為零點(diǎn)位。 心電信號(hào)從緩沖放大器到導(dǎo)聯(lián)選擇電路，中間要經(jīng)過(guò)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(jì)是心電信號(hào)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(hào)是通過(guò)電極取自人體表皮的緩變微弱信號(hào)，其值不超過(guò)5mV，放大部分的作用是將幅度為微伏級(jí)，～100Hz的心電信號(hào)，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(hào)還混入了其他一些干擾，因此不但要對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行放大，還要濾除干擾信號(hào)，單級(jí)放大電路無(wú)法滿(mǎn)足要求，我們采取兩級(jí)以上的放大電路。第一級(jí)放大器的主要功能是濾除共模干擾信號(hào)，同時(shí)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行有限度的放大，接續(xù)的放大器可以進(jìn)行更大增益的放大。一級(jí)放大器也稱(chēng)前置放大器，它的主要功能是濾除一些共模干擾信號(hào)，同時(shí)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)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(diǎn)漂移、低噪聲和線性工作范圍較寬的特點(diǎn)?；谏鲜鲆?，本設(shè)計(jì)采用TI公司的放大器INA128作為心電信號(hào)一級(jí)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(diǎn)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(guò)壓保護(hù)：40V；寬電源電壓范圍：；低靜態(tài)電流：700A；由此可見(jiàn)，INA128的性能指標(biāo)是能夠滿(mǎn)足心電放大的要求的。如圖……所示。位相等，即均可視為零點(diǎn)位。 一級(jí)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(jì)中R4調(diào)節(jié)在5 KΩ左右，這樣G=11。前置級(jí)不設(shè)置太高的增益是因?yàn)閮蓚€(gè)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(hào)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(jí)放大器，會(huì)使放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生偏移，有可能偏出放大區(qū)，造成描記信號(hào)的失真，為了解決直流極化電壓的Ib]題，信號(hào)進(jìn)入二級(jí)放大器之前應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)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(jí)放大電路的輸出端濾除，而只允許心電信號(hào)通過(guò)。輸出電壓引腳所接的電容Cl與R21構(gòu)成了一個(gè)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(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(hù)能夠經(jīng)受高達(dá) 177。 40V的無(wú)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(jí)放大電路的放大率有限，輸出電平較低，因此設(shè)計(jì)二級(jí)電路進(jìn)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(hào)中的部分工頻干擾。，構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的一階有源高通濾波電路。之所以選用LF411，是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)：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(shí)間2ms 二級(jí)放大電路 Gz=Gi*Gii=1000 Gii=100 Gii=R2/R3=100 R3=1KΩ放大器的輸入是對(duì)應(yīng)的前置放大器的輸出，濾除直流極化電壓后的信號(hào)接著進(jìn)入了由低功耗運(yùn)算放大器LF41R42和R66構(gòu)成的二級(jí)放大電路。，為了消除高頻信號(hào)的干擾，電路中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(jí)放大電路合用一個(gè)運(yùn)算放大器，實(shí)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(hào)浮動(dòng)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(jí)放大電路輸出的信號(hào)幅度降為原來(lái)的一半，便于后續(xù)的信號(hào)采集。二級(jí)放大電路的放大倍率以參數(shù)A來(lái)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(jí)放大后，采集信號(hào)總的增益達(dá)到1000倍以上。需要指出的是，對(duì)于10電極心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，各路心電信號(hào)從人體體表的不同部位獲取，雖然各路信號(hào)波形的形狀不同，但是它們的頻率特征相同，或者說(shuō)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(hào)簡(jiǎn)要說(shuō)明其調(diào)制程。電極in1是輸入信號(hào)，將電極in1n獲得的信號(hào)作為前置差分放大器的負(fù)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(jìn)行下一步的轉(zhuǎn)換處理L411性能介紹特征國(guó)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(diǎn)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(jiǎn)化示意圖 信號(hào)采集過(guò)程中，采集器的采集電極會(huì)拾取50Hz交流電壓而形成交流干擾，設(shè)計(jì)右腿驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路由運(yùn)算放大器OP07C和限流電阻R1組成，OP07C是一個(gè)高精度運(yùn)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(dòng)電路以威爾遜中心電端作為參考輸入。右腿驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(dòng)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(dòng)電路 將威爾遜網(wǎng)絡(luò)中心的干擾信號(hào)送右腿驅(qū)動(dòng)放大器進(jìn)行反相放大，傳到右體驅(qū)動(dòng)電極RF，對(duì)于干擾信號(hào)，這是一種深度的負(fù)反饋，有效地削弱了人體上感應(yīng)的共模干擾信號(hào)。右腿驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(dòng)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(dòng)電路實(shí)際上可以看成以人體為相加點(diǎn)的共模電壓負(fù)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(dòng)電流，只要放大器的開(kāi)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(fù)反饋越深，干擾抑制能力越強(qiáng)。但實(shí)際