【文章內容簡介】 前置放大電路。該電路由四部分構成：并聯(lián)型雙運放儀器放大器，阻容耦合電路，由集成儀用放大器構成的后級放大器和共模信號取樣驅動電路。并聯(lián)型雙運放儀器放大器的優(yōu)點是不需精密的匹配電阻，理論上它的共模抑制比為無窮大，且與其外圍電阻的匹配程度無關。但并聯(lián)型雙運放儀器放大器的輸出為雙端差動輸出信號，如果僅用單端輸出信號時將不再具有這一優(yōu)點。所以本電路在后級使用集成儀用放大器U4，將雙端差動輸出信號轉換為常用的單端輸出信號。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，而同時器件存在較高的失調電壓和通常信號源中存在較大的直流偏移電壓(如檢測生理電信號時的極化電壓和傳感器中的零點偏移電壓)，在直接應用集成儀用放大器作為前置放大器時并不取得最高的共模抑制比性能。于是本電路在后級使用集成儀用放大器，并采用阻容耦合電路隔離直流信號，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。共模取樣驅動電路由兩個等值電阻和一只由運算放大器U2組成跟隨器構成。由圖可見，U2的輸入信號取自U1和U3輸出端兩個串聯(lián)電阻的中點電壓，即： 當只有差模信號的輸出=時，有=O，則運放U2的輸出電壓為0，等同于接地；而當兼有共模電壓和差模信號輸入時，U2的總輸出只包含輸入信號的共模部分=。從而使得共模信號不經(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。本電路的差動輸出可以由下式計算： 其中是集成儀用放大器U4的差模放大倍數(shù)。該電路的高通截止頻率可以表示為： 整個電路的共模抑制比可以由下式來計算： 其中和分別是放大器第一級和第二級的共模抑制比。由集成儀器放大器的共模抑制比決定。在第二級放大倍數(shù)比較高的情況下，的值可以達到120dB以上。對的影響可以忽略。的值則可以由下式得到： 其中：、和、3是運放UU3的開環(huán)差動增益和共模增益。上式顯示為了得到較高的共模抑制比，第一級的兩個運放無論是開環(huán)增益還是CMRR都應盡可能地匹配。在實際應用中，以廉價常用的精準儀用放大芯片OP07C為例，其的標準值為400，000倍，CMRR的標準值為120dB，以標準值來計算。如果所選用高精度、匹配較好的運放，和的值還可以大幅度提高。 濾波電路由于電磁干擾越來越嚴重，所以心電信號在采集過程中不僅有50Hz的工頻干擾和低頻、直流分量的干擾，還有高于100Hz高頻諧波的嚴重干擾，有必要進行低通濾波電路的設計。 低通濾波電路由于心電信號微弱，需要多級放大，而多級直接耦合的直流放大器雖能滿足要求，但多級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，動態(tài)心電圖機的直流放大器更不能采用多級直接耦合。本裝置中，在兩級放大器之間采用RC耦合電路，即時間常數(shù)電路，在隔離直流信號的同時達到高通濾波的效果。，這樣可確定電阻、電容值，在兩級之間組成高通濾波器?？傻棉D折頻率為： 高通濾波電路 右腿驅動電路人體接地是造成觸電事故的一個重要原因，因此取消人體接地是最根安全用電措施。人體接地本來就是在沒有高質量的放大器情況下采取少共模信號的應急措施。測量心電圖時，如果病人右腳不接地，由于雜散分布電容的影響，病人身上將會產(chǎn)生很高的共模電壓。因此，最理想的方法是設計出一種既能減少共模干擾又能取消人體接地的電路。右腿驅動的工作原理是將由人體體表獲得的共模電壓通過負反饋放大的方式輸回人體，從而達到抵消共模干擾的作用，從根本上抑制共模電壓。 右腿驅動電路經(jīng)過模擬電路放大濾波后的心電信號是交流信號，而MSP430系列單片機的轉換范圍是正電壓信號，所以有必要將模擬信號抬升至0V以上，在后級設置一定的可調放大倍數(shù)，并使用微型電位器，以便根據(jù)實際需要進行調整。 電平提升電路 導聯(lián)脫落檢測報警電路患者在使用心電監(jiān)護儀時有可能發(fā)生導聯(lián)松動和脫落，這將引入很大的干擾，導致心電波形畸變，使得心電監(jiān)護終端難以輸出實際波形，從而導致對心電信號的錯誤判斷，影響診斷結果。正常情況下，正負電極對人體皮膚形成的極化電壓可以相互抵消，當一側電極脫落時，將有較大的極化電壓輸入，經(jīng)過前置放大后的電壓將遠遠超過正常連接時的電壓范圍。因而可通過一個窗口比較器，當電壓超出窗口范圍時，認為發(fā)生電極脫落，比較器輸出電平由正常時的高電平變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生報警信號。，當導聯(lián)脫落時，紅色指示燈會亮起提示脫落。本章詳細介紹了心電信號的采集與處理過程，根據(jù)前一章所述的心電信號的特點和噪聲干擾，提出前置放大器的設計要求，給出了詳細的設計方案，對各個模塊電路的功能做了詳盡的闡述。第4章 控制、存儲及接口電路設計 中央處理器及其外圍模塊本系統(tǒng)的核心器件無疑是負責調配各外圍部件有序工作的微處理器。在電子技術高速發(fā)展的今天，市場上可供選擇的處理器有很多種，最常見的有單片機、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，比如價格、功耗等。經(jīng)過對幾種嵌入式平臺的比較，本系統(tǒng)病人心電監(jiān)護終端硬件核心處理器采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的低功耗16位單片機MSP430F149。MSP430具有如下特點：首先，它的突出優(yōu)勢是功耗小。MSP430單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。它在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在200~400uA左右。MSP430可通過兩個不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)——基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能所需的時鐘，并且這些時鐘可以在指令的控制下打開和關閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。系統(tǒng)中共有一種活動模式(AM)和五種低功耗模式．(LPMO、LPM4)。在等待方式下，在節(jié)電方式下。第二，除了低功耗之外，MSP430還具有強大的處理能力，其芯片具有一個16位精簡結構指令CPU，10個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間僅為6微秒。MSP430F449采用RISC精簡指令集，125ns指令周期，大部分的指令在一個指令周期內完成，且其片內含有硬件乘法器，大大節(jié)省了運算的時間。第三，MSP430具有豐富的片內外圍電路，它內置12位高性能A/D轉換器、兩個帶有捕獲計時寄存器的16位定時器、60KB的FLASH ROM、2KB的RAM、48個可復用I/O引腳和兩個通用同步/異步串行通訊接口等。MSP430系列單片機的這些片內外設為系統(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，相對于OPT型和ROM型的器件，它有JTAG調試接口，還有可擦寫的FLASH存儲器，可先下載程序到FLASH內，再在器件內通過軟件控制程序的運行。采用這種方式只需要一臺PC機和一個JTAG調試器，而不需要仿真器和編程器。： MSP430系列單片機的系統(tǒng)結構框圖MSP430系列由以下部分組成：●基礎時鐘模塊，包括1個數(shù)控振蕩器(DCO)和2個晶體振蕩器。●看門狗定時器Watchdog Timer，可用作通用定時器?！駧в?個捕捉／比較寄存