心电前置放大器设计
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1、心电介绍
2、心电干扰
2.1 肌电干扰
2.2 交流干扰
3、心电采集电路设计思路
3.1 第一级差动放大
3.2 第二级低通滤波
3.3 第三级功率放大
4、心电采集电路及其仿真结果
心电信号采集电路设计
摘要：通过三导联采集人体的心电信号，然后三级放大，得到可以在示波器上较清楚显示的心电图。

其中三级放大为：第一级是CMRR很大的差动放大器，此处采用仪用放大器AD620；第二级是二阶有源低通滤波器，所设计的截止频率为120Hz；第三级是二级放大电路，前一级是放大倍数固定为10的电路，后一级是
放大倍数可调的放大电路。

一、心电介绍
心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，与其他生物电信号相比，该信号也比较容易检测同时具有直观的规律性。

一般人体心电信号的幅值约20μV~5mV，频带宽度为0.05Hz~100Hz，由于心电信号取自于活体，所以信号源内阻较高，且存在着较强的背景噪声和干扰。

在检测人体生物电信号时，需要采用所谓的生物电测量电极，又称引导电极来实现的，通过引导电极将生物电信号引入到放大器的输入端。

对于心电信号的检测，临床上为了统一和便于比较所获得心电信号波形，对测定心电信号（ECG）的电极和引线与放大器的联接方式有严格的统一规定，称之为心电图的导联系统。

此处我们采用三导联。

二、心电干扰
心电干扰分为两种，一种是肌电干扰，一种是交流干扰。

肌电干扰一般是35HZ，交流干扰一般是50HZ。

而心电信号的频率范围是在0.05-100HZ之间。

所以肌电干扰和交流干扰极易混入心电信号，并被放大，需要对它们进行抑制处理，以保证心电图记录的质量。

2.1肌电干扰
肌电干扰是指由于人体肌肉颤动所引起的噪声信号。

这种噪声信号是不规则的。

肌电干扰信号的频率在10-3000Hz之间，电压从几十微伏到几毫伏之间。

在做心电图检查时，一般常见35Hz肌电干扰信号。

它产生的原因主要有以下几个方面：
1．病人精神过于紧张，引起肌电干扰；2．环境温度过低，病人发冷寒颤，引起肌电干扰；3．病人活动或病床不舒适，引起肌电干扰；4．心电图机电极绑带或电极夹过紧，引起肌电干扰。

2.2交流干扰
1、50Hz交流干扰通常是指来自外界以及心电图机自身的电源50Hz交流干扰信号。

这种干扰信号是规则的。

50Hz交流干扰通常分为以下几种：[1]交流磁场干扰；[2]泄漏电流干扰；[3]阻抗耦合干扰；[4]静电干扰；[5]地环路干扰；[6]仪器内部50Hz干扰等等。

2、交流磁场干扰是指在人体附近存在的电流电路与病人回路之间通过电磁耦合而产生的交流磁场干扰。

如：照明设备、沿天花板和墙壁及地面排布的电源线等设备产生的干扰磁场穿过一定面积的输入加路时，产生感应电动势并与心电信号叠加，造成干扰。

3、泄漏电流干扰是指因绝缘强度下降产生的泄漏电流而引起的泄漏电流干扰。

如：在梅雨季节时，电源线、墙壁、及病床等因湿度增加而使其绝缘强度下降，
使泄漏电流增加。

4、阻抗耦合干扰是指因位移电流所产生的电位差而引起的阻抗耦合干扰（一般为电阻型）。

如：病房环境中的电源线，不管有无电流通过，电流线与心电图机导联线间总存在静电耦合电容。

由电容耦合所引起的位移电流所产生的电位差所引起的干扰。

三、心电采集电路设计思路
通过三导联采集到心电信号。

心电前置放大电路由三级组成，第一级是CMRR 很高的差动放大电路，主要用来抑制共模干扰，这一级放大倍数是8倍左右。

第二级是一个两阶低通滤波的电路。

最后一级是二级放大电路，第一级固定为10倍放大，第二级是可调放大倍数的放大电路。

3.1 第一级差动放大电路
这里主要选择了仪用放大器AD620，AD620的核心是三运放电路(相当于集成了三个OP07运放)。

这该放大器有较高的共模抑制比(CMRR)，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小且具有调节方便的特点，是生物医学信号放大的理想选择。

根据小信号放大器的设计原则，前级的增益不能设置太高，因为前级增益过高将不利于后续电路对噪声的处理。

因此在这一级选择放大8倍。

电路图设计如下：
其中，8号线相当于是右腿输入，11号线相当于是左手的输入，10号线相当于是右手的输入。

C1、C2、C3构成的电路是射频信号干扰滤波器。

在现实的测量环境中, 存在射频信号干扰,可能会导致后级的仪表放大器内部的射频整流,将导致仪表放大器不能正常工作。

特别当信号传输线路较长并且信号强度低的情况, 此时射频干扰的影响就更加严重,结果得不到有用的心电信号,必须处理不断增加的RFI, 降低仪
表放大器电路中的RFI整流误差。

本系统解决方案是设计一个用于防止RFI整流误差的差分低通滤波器电路。

OP07和周围电阻电容构成的电路。

是为了进一步提高前置放大器的共模抑制比和抗干扰能力，采用右腿驱动电路，从根本上降低空间电场在人体上产生的干扰。

元器件选择情况
C1 CT 47nF（插装）C2 CT 1nF（插装）C3 CT 1nF（插装）
C4 CT 10nF（插装）R3 8.25kΩ1/4W 1% R4 24.9kΩ1/4W 1% R5 24.9kΩ1/4W 1% R6 10kΩ1/4W 1% R7 1MΩ1/4W 5% 3.2 第二级滤波电路
此处是一个二阶有源低通滤波器，我选择TL082，由于它的频率响应范围比较大，滤波器中选用它，滤波效果会比较好。

电路图如下：
此处是一个二阶低通滤波器，这里选择的是巴特沃茨型，截止频率为120Hz 的滤波器。

计算方法如下：
元器件选择情况
R8 56kΩ1/8W 5% 金属膜（插装）R9 56kΩ1/8W 5% 金属膜（插装）C5 CT 16nF（插装）C6 CT 33nF（插装）
3.3 第三级功率放大电路
在第三级中，选择了OP07作为放大器，因为OP07有非常小的输入电压漂移，而且有很高的开环增益。

故最后一级的电压放大电路选择是OP07。

电路图如下：
这里用的是同相放大器，因为同相放大器有大的输入阻抗。

其中的电容作用是为了消除自激振荡，滑动电阻的作用是为了能调节放大倍数，使心电的输出更好。

R1 1kΩ1/4W 5% R2 9kΩ1/4W 5% R3 1kΩ1/4W 5%
R4 3296 W203 C1 CT 10pF（插装）C2 CT 10pF（插装）
四、心电采集电路及其仿真结果第一级差动放大电路
仿真结果
第二级二阶有源低通滤波器仿真结果
第三级功率放大电路仿真结果
总的电路图仿真结果。