【導讀】業(yè)知識設計一款同步采樣心電信號采集器。此采集器必須符合如下的要求：。體積小、精度高且價格低廉的便攜式設計原則；實現(xiàn)國際標準12導聯(lián)的心電生理信號同步采樣功能；心電采集數(shù)據(jù)的掉電非易失性存儲；與PC機的USB數(shù)據(jù)傳輸；實現(xiàn)對心電信號干擾的有效濾波，提高心電圖所示信息的準確性。集器真正成為可以用于人體心臟監(jiān)護與疾病診斷的醫(yī)療儀器。指導教師評語（①基礎理論及基本技能的掌握；②獨立解決實際問題的能力；USB接口直接和PC機連接，具有一定的獨立工作的能力。該系統(tǒng)體積較小，功耗。較低，性能良好，外圍設備支持豐富而且可擴展性較高。位置和電極與放大器的連接方式。論文給出了由本系統(tǒng)的通道數(shù)據(jù)獲得國際標準。接下來，論文提出了采集系統(tǒng)的硬件設計目標和微控制器選型。一級放大電路將信號放大10倍左右，輸出信號經(jīng)過去。直流”處理后進入二級放大電路放大50倍左右。取自人體體表的微弱心電信號經(jīng)。兩級放大后達到500倍左右的放大增益，便于ADC進行采樣。

　　

【正文】 1)組成三角形， 3個 30K 歐姆的電阻 R2 組成星形，如圖。 網(wǎng)絡的 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)是是加壓肢休導聯(lián)的相應參考點，星形的中點（ Wi)是威爾遜網(wǎng)絡中心端。 用威爾遜網(wǎng)絡配合導聯(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聯(lián)選擇電路，中間要經(jīng)過威爾遜網(wǎng)絡，威爾遜網(wǎng)絡 原理電路圖如圖所示 . 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 19 頁 19 一級放大電路設計 放大器的設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，頻率在 ～ 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。 基于上述要求，本設計采用 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）； 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 20 頁 20 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。 10KRRGIN+INVSS REFOUT+VDDRGINA128C2C1OUTIN+55+IN 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。本設計中 R4 調(diào)節(jié)在 5 KΩ 左右，這樣 G=11。前置級不設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該設計一個 RC濾波網(wǎng)絡，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 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 21 頁 21 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 運算放大器的設計和小 大小使其適合廣泛的應用。 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置任何收益從 1到 10,000元。 INA128提供了一個行業(yè)標準增益 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 二級放大電路設計 一級放大電路的放大率有限，輸出電平較低，因此設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。圖 中高通濾波電路的后端使用了運算放大器 LF411 作為一個電壓跟隨器，構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； 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 22 頁 22 低輸入偏置電流： 50pA； 低輸入噪聲電流： ； 很寬的增益范圍： 3MHz MIN； 高回轉率： 10V/ms MIN； 低供電電流： ； 高輸入阻抗 1012 歐姆； 快速穩(wěn)定到達 %的時間 2ms 47_+236LF411C2C150KR1100KR2100KR3IN1+5OUT5 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 LF41 R42 和 R66 構成的二級放大電路。心電信號的頻范圍在 之間，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，或者說它們中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 23 頁 23 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 快速建立時間為 ％ ： 2μs 簡化示意圖 圖 右腿驅(qū)動電路設計 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，設中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 24 頁 24 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。 7_+2346OP07C10KR1R262pFC1104pFC2104pFC3+55F1Fuse 1IN零電位輸入 右腿驅(qū)動電路 將威爾遜網(wǎng)絡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。但實際上，人體作為信號傳輸媒體，其傳輸特性不是純阻性，導聯(lián)引線也有分布電容，太強的反饋可能在某特定頻率上滿足自激條件，使電路不能正常工作。因此，適當降低 Av 使自 激的幅度條件得不到滿足，此右腿驅(qū)動電路中的 Av=100。 OP07C性能介紹 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 25 頁 25 超低偏移： 150μV最大 低輸入偏置電流： 低 Vio漂移： 超穩(wěn)定，時間： 2μV/month最高 電源電壓范圍： 177。 3V至 177。 22V 描述 該 OP07C是一個 非常高的精密運算放大器 一個偏置電壓最大 150μV 。 產(chǎn)品還低輸入電流（ ）和高 增益（ 400V/mV ）中，特別適合 OP07C 儀器的應用。 簡化示意圖 絕對最大額定值 符號 參數(shù) 值 單位 Vcc 電源電壓 +20 V Vid 差分輸入電壓 +30 V Vi 輸入電壓 +22 V Toper 操作溫度 40 to +105 ℃ Tstg 貯藏溫度 65 to +150 ℃ 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 26 頁 26 數(shù)字電路部分的設計 同步 ADC 的選型 AD7656 在單芯片內(nèi)集成 了 6 個 16 位、快速、低功耗、逐次逼近型 ADC。內(nèi)核采用 至 V 單電源供電，最高吞吐量可達 250 kSPS。該器件內(nèi)置低噪