【文章內(nèi)容簡介】 備采集的心電圖信息能夠相互傳輸和交流 。 第三節(jié) 本章小結(jié) 本章節(jié)主要介紹了心電放大儀器的設(shè)計思路，并著重介紹了本論文討論的心電放大器部分的內(nèi)容，基本上都是理論的簡單了解。不過從總體上來說，本論文研究的問題也更偏重于實際運用，所以本章顯得略微簡潔明了，只求為后續(xù)章節(jié)提供理論的依據(jù)。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 第二章 心電放大器方案論證 及 電路 第一節(jié) 前置放大電路的設(shè)計 一 、 備選方案 前置放大器是硬件電路的關(guān)鍵所在，設(shè)計的好壞直接影響信號的質(zhì)量，從而影響到儀器的特性 。除了 要求精度高穩(wěn)定之外， 根據(jù)心電信號的特點，前置級應(yīng)該滿足下述要求： （ 1） 高輸入阻抗。被提取的心電信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻的微弱信號，為了減少信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。一般情況下，信號源的內(nèi)阻為 100kΩ，則放大器的輸入阻抗應(yīng)大于 1MΩ。 （ 2） 高共模抑制比（ CMRR）。人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的信號以外的生理信號的干擾，一般為共模干擾，前置級須采用 CMRR 高的差動放大形式，以減少共模干擾的傳遞。 （ 3） 低噪聲、低漂移。主要作用是對源信號的影響小，拾取信號的能力強，能夠防止輸出飽和、使輸出穩(wěn)定。 三運放差 分電路 如圖所示的同相并聯(lián)三運放結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以較好地滿足上面三條要求。放大器的第I 級主要用來提高整個放大電路的輸入阻抗。第 II 級采用差動電路用以提高共模抑制比 圖 三運放差分放大電路 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 電路中輸入級由 A A4 兩個同相輸入運放電路并聯(lián)，再與 A5 差分輸入串聯(lián)的三運放差分放大電路構(gòu)成，其中 A A2 是增加電路的輸入阻抗。電路優(yōu)點：差模信號按差模增益放大，遠高于共模成分（噪聲）；決定增益的電阻（ R Rp、 R3）理論上對共模抑制比 cmrrK沒有影響，因此電阻的誤差不重要。 電路對共模輸入信號沒有放大作用，共模電壓增益接近于零。這不僅與實際的共模輸入有關(guān)，而且也與 A3 和 A4 的失調(diào)電壓和漂移有關(guān)。如果 A3 和 A4 有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作為共模信號出現(xiàn)，沒有被放大，還能被第二級抑制。這樣對于A3 和 A4 的漂移要求就會降低。 A3 和 A4 前置放大級的差模增益要做得盡可能高，相比之下，第二級（ A5）的漂移和共模誤差就可以忽略，對放大器的要求就可以大大降低。當(dāng) R3=R4，R5=R6 時，兩級的總增益為兩個差模增益的乘積，即： ? ?? ?? ?R4R6R2 R 1RA ppvd ?? 由此可知，上述電路具有輸入阻抗高，共模抑制比高等優(yōu)點，可作為通用儀用放大器使用。 用 INA128 儀用儀表放大器來實現(xiàn) 一般說來，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設(shè)計中都是把集成化儀器放大器作為前置放大器。絕大多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模抑制比越大。集成化儀器放大器作為心電前置放大器時，由于極化電壓的存在，前置放大器 的增益只能在幾十倍以內(nèi)，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時的共模抑制比不可能很高?？稍谇爸梅糯笃鞯妮斎攵思由细糁彪娙荩ǜ咄ňW(wǎng)絡(luò)）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進入飽和狀態(tài)，但由于信號源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，嚴重地損害了放大器的性能。 為了實現(xiàn)心電信號的放大，設(shè)計電路如下： 圖 采用 INA128進行心電信號的放大 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 （ 1） 、 前級采用運放 A1 和 A2組成并聯(lián)型差動放大器。理論上，在運算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大。另外，在理論上并聯(lián)型差動放大器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關(guān)。 （ 2） 、 阻容耦合電路放在由并聯(lián)型差動放大器構(gòu)成的前級放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級放大器之間，這樣可為后級儀器放大器提高增益，進而提高電路的共模抑制比提供了條件。同時，由于前置放大器 的輸出阻抗很低，同時又采用共模驅(qū)動技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對稱（匹配）導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。 （ 3） 、 后級電路采用儀器放大器，將雙端信號轉(zhuǎn)換為單端信號輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級的儀器放大器可以做到很高的增益，進而得到很高的共模抑制比。 從理論上計算整個電路的共模抑制比為： 2d12d1c2 d2c11d21T o t a l C M RAC M R1AAAAAC M RC M RC M R ???????? 或 21lg20 C M R RAC M R R dT o t a l ?? 式中： CMRTotal 或 CMRRTotal－放大器的總共模抑制比； CMR1－第一級放大器的共模抑制比； CMR2 或 CMRR2－第二級放大器的共模抑制比； A1d、 A1c、 A2d 和 A2c－分別為第一級放大器和第二級放大器的差模增益和共模增益。 利用 AD620 來設(shè)計放大電路 AD620 是一種只用一個外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為 1— 1000 的低功耗、高精度儀表放大器。盡管 AD620 由傳統(tǒng)的三運放放大器發(fā)展規(guī)律而成 ,但一些主要性能卻優(yōu)于三運放構(gòu)成的儀表放大器設(shè)計 ,電源范圍寬 (177。177。18V),設(shè)計體積小 ,功耗非常低 (最大供電電流僅為)因 而使用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。 圖 AD620芯片引腳圖 圖 、 分別是 AD620 的引腳圖和結(jié)構(gòu)簡圖。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 AD620 的工作原理： AD620 是在傳統(tǒng)的三運放組合方式改進的基礎(chǔ)上研制的單片儀用放大器。輸入三極管 Q1 和 Q2 提供了唯一雙極差分輸入，因內(nèi)部的超 β處理，它的輸入偏移電流比一般情況低 10倍。通過 Q1A1R1 環(huán)路和 Q2A2R2 環(huán)路的反饋，保持了 Q1， Q2 集成極電流為常量，所以輸入電壓相當(dāng)于 加在外接電阻 Rg 的兩端，從輸入到 A1/A2 輸出的差分放大倍數(shù)為 ? ? 1RR2R1G g ??? 。由 A3 組成的單位增益減法器消除了任何共模成分，而產(chǎn)生一個與 REF 管腳電位有關(guān)的單路輸出。 由輸入三極管集成電極電流和基極電阻確定的輸入電壓噪聲減小到 9nV。內(nèi)部增益電阻R1 和 R2 被精確確定 ,使得運放增益精確地有 Rg 確定 : 1R49 .4KG g ??? 或 ? ?1G49 .4 KR g ?? 圖 AD620 結(jié)構(gòu)簡圖 AD620 由于體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣等特點，特別適宜應(yīng)用到諸如傳感器接口、心電圖監(jiān)測儀、精密電壓電流轉(zhuǎn)換等應(yīng)用場合。 利用 MAX4194 來設(shè)計放大電路 MAX4194 具有軌 軌的特性，放大器輸入端設(shè)計有高通濾波器，可以抑制極化電壓，MAX4194 的失調(diào)電壓不到 100uV，因此其電壓增益可取較大值，獲得較高 的共模抑制比。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 芯片連接圖 圖 芯片引腳圖 圖 AD6 MAX4194 的輸入緩沖電路圖 如圖所示是 AD6 MAX4194 的輸入緩沖電路，可以提高輸入阻抗，通過最右邊的電阻網(wǎng)絡(luò)取出共模信號，可以進行共模驅(qū)動，再經(jīng)過反向放大可以做右腿驅(qū)動，能獲得較高的共模抑制比。 二、最終方案 綜合考慮， AD620 是一個最適合的放大器，它只要用一個外部電阻就可以進行 1— 1000的放大倍數(shù)，精度也較高，而且是 DIP 封裝便于使用，所以在選擇放大電 路的時候運用 AD620芯片。 帶輸入緩沖實用 AD620 芯片的具體電路如下 ： 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 參數(shù)選擇： 實際電路中去掉由 22KΩ 的電阻和 220pF 的獨石電容組成無源低通濾波器，在 N N2之前分別串聯(lián)一個 10KΩ 的電阻，其作用是限流，然后選擇了跟隨器來穩(wěn)定電壓?？梢苑乐惯\放差動輸入電壓大于 。運放采用四運放 TL084。 RR 電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻取10KΩ，選取的時候通過測量選取阻值基本一樣的電阻。 第二節(jié) 共模信號抑制電路的設(shè)計 一 、 備選方案 有源屏蔽驅(qū)動電路 有源屏蔽驅(qū)動電路可以用來消除共模電壓。 為病人 做心電檢測時，電極與心電圖機的前置放大器（或緩沖放大器）之間是由導(dǎo)聯(lián)線連接的，導(dǎo)聯(lián)線的中芯線與屏蔽之間存在著一定數(shù)量的分布電容 C 的存在，會降低整機的輸入阻抗，由于各屏蔽分布電容數(shù)值不可能一致，造成各緩沖放大器的輸入阻抗不平衡，致使放大器的共模抑制比降低 。 有源屏蔽驅(qū)動電路是將差動式傳感器的兩個輸出經(jīng)兩個運算放大器構(gòu)成的同相比例差動放大后，使其輸入端的共模電壓 1： 1地輸出，并通過輸出端各自電阻（阻值相等）加到傳感器的兩個電纜屏蔽層上，即兩個輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓驅(qū)動，而不是接地，電纜輸入芯線和屏蔽層 之間的共模電壓為零，它消除了屏蔽電纜電容的影響，提高了電路的共模抑制能力。屏蔽驅(qū)動對于減少 50Hz 共模干擾也很有用。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 右腿驅(qū)動電路 體表驅(qū)動電路是專為克服人體承載的共模干擾（主要是 50Hz 共模干擾），提高 CMRR而設(shè)計的，原理是采用以人體為相加點的共模電壓并聯(lián)負反饋，其方法是取出前置放大級中的共模電壓，經(jīng)驅(qū)動電路倒相放大后再加回體表上，所以稱為右腿驅(qū)動。之所以是右腳還有另外一個原因，因為右腳比左腳離心臟更遠，所以測試來更準確。 雖然 AD620 的共模抑制比較高，但當(dāng)接入其他電路時，其共模抑制比會變得較低， 我們在提高共模抑制比的同時，也要考慮用直接降低共模信號的方法來提高其值，右腿驅(qū)動電路就是一個很好的降低抑制共模信號的方法，在右腿接入一反向放大器，并與儀表放大相連，可以將共模信號抑制 1＋ K倍（ K為反向放大增益），從而有效的降低了共模信號。 前置放大級 圖 與并聯(lián)型跟隨輸入前置放大器相配合的驅(qū)動電路 二 、最終方案 選擇了方案二，因為這種方案更加通用有效。而加上前置放大電路還需要討論導(dǎo)聯(lián) 輸入， 導(dǎo)聯(lián)線又稱輸入電纜線。其作用是將電極板上獲得的心電信號送到放大器的輸入端。 心臟電興奮傳導(dǎo)系統(tǒng)所產(chǎn)生的電壓是幅值及空間方向隨時間變化的向量。放在體表的電極所測出的 ECG 信號將隨不同位置而異。心周期中某段 ECG 描跡在這一電極位置不明顯，而在另一位置上卻很清楚。為了完整描述心臟的活動狀況，應(yīng)采用多電極導(dǎo)聯(lián)方式測量心電信號，基于現(xiàn)在的實驗條件及要求，選擇 3 導(dǎo)聯(lián)方式：左臂（ LA），右臂（ RA）以及右腿（ RL）。 各導(dǎo)聯(lián)線以不同顏色的標(biāo)志來表示所接的部位。為了減少連接時發(fā)生錯誤，國際統(tǒng)一規(guī)定字母和重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 導(dǎo)線色標(biāo)為： R右 臂（紅）； L左臂（黃）； RF右腿（黑）。 具體電路圖如下，而測試時，將測試者的的左手與 LA端相連，而右手與 RA 相連。右腳與 RL 端相連。 圖 與并聯(lián)型跟隨輸入前置放大器相配合的實際驅(qū)動電路 參數(shù)選擇 ： 實際電路中考慮功耗問題 ， R6 取 10 KΩ， R8 取 10MΩ， K= R8/R6=100， R7=1MΩ為限流保護電阻，為使電路更簡便去掉了起穩(wěn)定作用的 CF。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 第 三 節(jié) 心電放大器其他部分的設(shè)計 一 、 低通濾波電路及時間常數(shù)電路 圖 簡單二階低通濾波器級跟隨器 選用了二階簡單濾波 器。二階簡單低通濾波器的截止頻率的計算公式是 。 參數(shù)選擇： ???? 5 .1 KR 1 2R 1 1R ， ???? ，所以截止頻率由公式算得 6 ???????? RCf H ? 。 二 、 工頻 50Hz 的陷波電路 帶阻濾波器電路是用來抑制或衰減某一頻段的信號，而讓該頻段以外的所有信號通過。即是說， 雖然前端采用集成化器件已經(jīng)有了很 高的共模抑制比，但由于它不能消除干擾以及后級電路再次引入 50Hz 工頻干擾，在電路的最后部分仍需加入 50Hz 陷波器，其可以采用雙T 帶阻濾波器，其品質(zhì)因數(shù)與反饋系數(shù)有一定比例關(guān)系， ? ??14 1Q?， 但并不是品質(zhì)因數(shù)越大越好，品質(zhì)因數(shù)越大，其β也越大，電路將出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至自激振蕩。 RCfH ?2 ?重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 根據(jù)理論圖 , ? ? 0 .9R4R3R4 ???? , 引入負反饋改善選頻作用。而C321C2C1 ?? , R1R22R5