毕业设计(论文)-心电放大器的设计

毕业设计(论文)-心电放大器的设计内容摘要：

备采集的心电图信息能够相互传输和交流。 第三节 本章小结 本章节主要介绍了心电放大仪器的设计思路，并着重介绍了本论文讨论的心电放大器部分的内容，基本上都是理论的简单了解。 不过从总体上来说，本论文研究的问题也更偏重于实际运用，所以本章显得略微简洁明了，只求为后续章节提供理论的依据。 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 8 第二章 心电放大器方案论证 及 电路 第一节 前置放大电路的设计 一 、 备选方案 前置放大器是硬件电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量，从而影响到仪器的特性。 除了 要求精度高稳定之外， 根据心电信号的特点，前置级应该满足下述要求： （ 1） 高输入阻抗。 被提取的心电信号是不稳定的高内阻的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。 一般情况下，信号源的内阻为 100kΩ，则放大器的输入阻抗应大于 1MΩ。 （ 2） 高共模抑制比（ CMRR）。 人体所携带的工频干扰以及所测量的信号以外的生理信号的干扰，一般为共模干扰，前置级须采用 CMRR 高的差动放大形式，以减少共模干扰的传递。 （ 3） 低噪声、低漂移。 主要作用是对源信号的影响小，拾取信号的能力强，能够防止输出饱和、使输出稳定。 三运放差 分电路 如图所示的同相并联三运放结构，这种结构可以较好地满足上面三条要求。 放大器的第I 级主要用来提高整个放大电路的输入阻抗。 第 II 级采用差动电路用以提高共模抑制比 图 三运放差分放大电路 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 9 电路中输入级由 A A4 两个同相输入运放电路并联，再与 A5 差分输入串联的三运放差分放大电路构成，其中 A A2 是增加电路的输入阻抗。 电路优点：差模信号按差模增益放大，远高于共模成分（噪声）；决定增益的电阻（ R Rp、 R3）理论上对共模抑制比 cmrrK没有影响，因此电阻的误差不重要。 电路对共模输入信号没有放大作用，共模电压增益接近于零。 这不仅与实际的共模输入有关，而且也与 A3 和 A4 的失调电压和漂移有关。 如果 A3 和 A4 有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作为共模信号出现，没有被放大，还能被第二级抑制。 这样对于A3 和 A4 的漂移要求就会降低。 A3 和 A4 前置放大级的差模增益要做得尽可能高，相比之下，第二级（ A5）的漂移和共模误差就可以忽略，对放大器的要求就可以大大降低。 当 R3=R4，R5=R6 时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即：    R4R6R2 R 1RA ppvd  由此可知，上述电路具有输入阻抗高，共模抑制比高等优点，可作为通用仪用放大器使用。 用 INA128 仪用仪表放大器来实现 一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。 绝大多数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。 集成化仪器放大器作为心电前置放大器时，由于极化电压的存在，前置放大器 的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。 可在前置放大器的输入端加上隔直电容（高通网络）来避免极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状态，但由于信号源的内阻高，且两输入端不平衡，隔直电容（高通网络）使等共模干扰转变为差模干扰，严重地损害了放大器的性能。 为了实现心电信号的放大，设计电路如下： 图 采用 INA128进行心电信号的放大 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 10 （ 1） 、 前级采用运放 A1 和 A2组成并联型差动放大器。 理论上，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。 另外，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。 （ 2） 、 阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。 同时，由于前置放大器 的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。 （ 3） 、 后级电路采用仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。 由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。 从理论上计算整个电路的共模抑制比为： 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－放大器的总共模抑制比； CMR1－第一级放大器的共模抑制比； CMR2 或 CMRR2－第二级放大器的共模抑制比； A1d、 A1c、 A2d 和 A2c－分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。 利用 AD620 来设计放大电路 AD620 是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为 1— 1000 的低功耗、高精度仪表放大器。 尽管 AD620 由传统的三运放放大器发展规律而成 ,但一些主要性能却优于三运放构成的仪表放大器设计 ,电源范围宽 (177。 177。 18V),设计体积小 ,功耗非常低 (最大供电电流仅为)因 而使用于低电压、低功耗的应用场合。 图 AD620芯片引脚图 图 、 分别是 AD620 的引脚图和结构简图。 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 11 AD620 的工作原理： AD620 是在传统的三运放组合方式改进的基础上研制的单片仪用放大器。 输入三极管 Q1 和 Q2 提供了唯一双极差分输入，因内部的超 β处理，它的输入偏移电流比一般情况低 10倍。 通过 Q1A1R1 环路和 Q2A2R2 环路的反馈，保持了 Q1， Q2 集成极电流为常量，所以输入电压相当于 加在外接电阻 Rg 的两端，从输入到 A1/A2 输出的差分放大倍数为   1RR2R1G g 。 由 A3 组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与 REF 管脚电位有关的单路输出。 由输入三极管集成电极电流和基极电阻确定的输入电压噪声减小到 9nV。 内部增益电阻R1 和 R2 被精确确定 ,使得运放增益精确地有 Rg 确定 : 1R49 .4KG g  或  1G49 .4 KR g  图 AD620 结构简图 AD620 由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点，特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合。 利用 MAX4194 来设计放大电路 MAX4194 具有轨 轨的特性，放大器输入端设计有高通滤波器，可以抑制极化电压，MAX4194 的失调电压不到 100uV，因此其电压增益可取较大值，获得较高 的共模抑制比。 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 12 图 芯片连接图 图 芯片引脚图 图 AD6 MAX4194 的输入缓冲电路图 如图所示是 AD6 MAX4194 的输入缓冲电路，可以提高输入阻抗，通过最右边的电阻网络取出共模信号，可以进行共模驱动，再经过反向放大可以做右腿驱动，能获得较高的共模抑制比。 二、最终方案 综合考虑， AD620 是一个最适合的放大器，它只要用一个外部电阻就可以进行 1— 1000的放大倍数，精度也较高，而且是 DIP 封装便于使用，所以在选择放大电 路的时候运用 AD620芯片。 带输入缓冲实用 AD620 芯片的具体电路如下 ： 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 13 参数选择： 实际电路中去掉由 22KΩ 的电阻和 220pF 的独石电容组成无源低通滤波器，在 N N2之前分别串联一个 10KΩ 的电阻，其作用是限流，然后选择了跟随器来稳定电压。 可以防止运放差动输入电压大于。 运放采用四运放 TL084。 RR 电阻网络中的电阻取10KΩ，选取的时候通过测量选取阻值基本一样的电阻。 第二节 共模信号抑制电路的设计 一 、 备选方案 有源屏蔽驱动电路 有源屏蔽驱动电路可以用来消除共模电压。 为病人 做心电检测时，电极与心电图机的前置放大器（或缓冲放大器）之间是由导联线连接的，导联线的中芯线与屏蔽之间存在着一定数量的分布电容 C 的存在，会降低整机的输入阻抗，由于各屏蔽分布电容数值不可能一致，造成各缓冲放大器的输入阻抗不平衡，致使放大器的共模抑制比降低。 有源屏蔽驱动电路是将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压 1： 1地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层 之间的共模电压为零，它消除了屏蔽电缆电容的影响，提高了电路的共模抑制能力。 屏蔽驱动对于减少 50Hz 共模干扰也很有用。 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 14 右腿驱动电路 体表驱动电路是专为克服人体承载的共模干扰（主要是 50Hz 共模干扰），提高 CMRR而设计的，原理是采用以人体为相加点的共模电压并联负反馈，其方法是取出前置放大级中的共模电压，经驱动电路倒相放大后再加回体表上，所以称为右腿驱动。 之所以是右脚还有另外一个原因，因为右脚比左脚离心脏更远，所以测试来更准确。 虽然 AD620 的共模抑制比较高，但当接入其他电路时，其共模抑制比会变得较低， 我们在提高共模抑制比的同时，也要考虑用直接降低共模信号的方法来提高其值，右腿驱动电路就是一个很好的降低抑制共模信号的方法，在右腿接入一反向放大器，并与仪表放大相连，可以将共模信号抑制 1＋ K倍（ K为反向放大增益），从而有效的降低了共模信号。 前置放大级 图 与并联型跟随输入前置放大器相配合的驱动电路 二 、最终方案 选择了方案二，因为这种方案更加通用有效。 而加上前置放大电路还需要讨论导联 输入， 导联线又称输入电缆线。 其作用是将电极板上获得的心电信号送到放大器的输入端。 心脏电兴奋传导系统所产生的电压是幅值及空间方向随时间变化的向量。 放在体表的电极所测出的 ECG 信号将随不同位置而异。 心周期中某段 ECG 描迹在这一电极位置不明显，而在另一位置上却很清楚。 为了完整描述心脏的活动状况，应采用多电极导联方式测量心电信号，基于现在的实验条件及要求，选择 3 导联方式：左臂（ LA），右臂（ RA）以及右腿（ RL）。 各导联线以不同颜色的标志来表示所接的部位。 为了减少连接时发生错误，国际统一规定字母和重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 15 导线色标为： R右 臂（红）； L左臂（黄）； RF右腿（黑）。 具体电路图如下，而测试时，将测试者的的左手与 LA端相连，而右手与 RA 相连。 右脚与 RL 端相连。 图 与并联型跟随输入前置放大器相配合的实际驱动电路 参数选择 ： 实际电路中考虑功耗问题 ， R6 取 10 KΩ， R8 取 10MΩ， K= R8/R6=100， R7=1MΩ为限流保护电阻，为使电路更简便去掉了起稳定作用的 CF。 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 16 第 三 节 心电放大器其他部分的设计 一 、 低通滤波电路及时间常数电路 图 简单二阶低通滤波器级跟随器 选用了二阶简单滤波 器。 二阶简单低通滤波器的截止频率的计算公式是。 参数选择：  5 .1 KR 1 2R 1 1R ，  ，所以截止频率由公式算得 6  RCf H 。 二 、 工频 50Hz 的陷波电路 带阻滤波器电路是用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过。 即是说， 虽然前端采用集成化器件已经有了很 高的共模抑制比，但由于它不能消除干扰以及后级电路再次引入 50Hz 工频干扰，在电路的最后部分仍需加入 50Hz 陷波器，其可以采用双T 带阻滤波器，其品质因数与反馈系数有一定比例关系，  14 1Q， 但并不是品质因数越大越好，品质因数越大，其β也越大，电路将出现不稳定甚至自激振荡。 RCfH 2 重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 17 根据理论图 ,   0 .9R4R3R4  , 引入负反馈改善选频作用。 而C321C2C1  , R1R22R5。