简易心电图仪
黄小娜刘全才孙红梅指导老师：陈锟
摘要：本设计是由以下几个功能模块组成：直流稳压电源、前置放大电路、双T陷波电路、主放大电路、单片机最小系统等组成，实现了对心电弱信号的提取和放大，在示波器上能比较清晰的显示其波形。
通过单片机最小系统对波形进行存储和回放，并提供简单的人机交互界面，方便用户操作。
关键词：心电图仪双T陷波
一.方案比较与论证
1.微小信号放大
方案一采用低噪声，高精度的运算放大器来构建放大电路。
但是从人体表提取的信号除了人体心脏的电信号外，还包括人体自身通过各种渠道从环境中拾取工频50Hz交流电压，还包含肌电、呼吸等信号带来的干扰。
其中共模干扰引起的共模信号是主要的，从而影响系统对心电信号的分析。
因此，CMR（共模抑制比）是衡量心电图仪性能的主要指标之一。
心电图仪要求运算放大器的CMR≥80dB。
使用基本的差分放大电路可以抑制共模干扰，但是难以达到比较高的共模抑制比。
电路原理图如图1所示。
图1 三运放组成的差动电路
方案二采用常见的同相放大电路，对信号进行放大。
电路原理
图如图2所示。
根据理论公式进行计算可得电路的放倍数为
Av=V o/Vi=1+R1/R2。
选择不同的阻值可以得到不同的放大倍数，但
是此电路不适合小信号放大，也不能达到使电压放大倍数为1000倍
的要求。
图2 同相放大电路原理图
方案三采用低功耗，高精度的仪表放大器——INA128。
其具有
良好共模输入抑制能力，CMR大于120dB，可以满足心电图仪对运算放大器的CMR≥80dB的要求。
而且INA128电路连接简单，只需一个外接电阻就可以调节增益，可以完成1～10000放大倍率的设定，满足使电压放大倍数为1000倍的要求。
同时，INA128对直流电源的要求非常低，甚至只需2.25V的直流电源就可以正常工作，静态电流只有700uA,功耗非常低。
综合上述分析与比较，在微小信号放大部分选择仪表放大器
INA128。
2.心电信号处理部分
由于心电信号属于低频小信号，易受干扰，而且带宽范围较小，
为0.05Hz~100Hz,所以必须对所采集的信号进行高通，低通，陷波处理。
（1）滤波器的设计
方案一采用二阶无限增益多路反馈滤波器无限增益多路反馈电
路中的集成运放为反相输入接法，由于放大器的开环增益为无限大，故称这种网络为无限增益多路反馈。
其优点是使用元件较少，，但电路对元件的变化比较敏感，而且增益调节不太方便，对其他性能参数会有影响。
方案二采用压控电压源滤波器，集成运放为同相输入接法，
因此滤波器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，其优点是电路性能稳定，对元件变化的敏感度较小，增益容易调节。
综合上述分析与讨论，考虑到本设计的功能和性能要求，在
滤波器的设计上，选择压控电压源滤波器。
（2）陷波处理
本系统要除去工频50Hz的干扰，需要对混杂在心电信号里的50Hz作尽可能大的衰减处理。
因此采用双T网络陷波电路。
二.系统设计
1．总体框图
图3 总体框图
2．总体电路图
图4 右腿屏蔽驱动电路
图5 仪表放大电路
图6 高通滤波器
图7 100Hz低通滤波器
图8 500Hz低通滤波器
图9 50Hz陷波电路图10 末级放大电路
图11 电源电路
3．单元电路设计及参数计算
（1）稳压电源
对本设计而言，电源需要极小的纹波。
题目要求直流稳压电源输出交流噪声<3mv。
因此，在电源输入端接入电容，在电源的输出端接入两级LC滤波电路，可以减少纹波电压，使电源稳定工作。
（2）前置放大电路
前置放大电路如前所述，采用TI公司的INA128仪表放大器为核心，INA128的外部电阻设定脚上接入不同阻值的电阻，可以完成1～10000的放大倍率的设，其带宽在增益Av=100时，达到200kHz,具有高增益带宽积。
INA128的放大倍数Av=1+50kΩ/Rｇ.由于皮肤表面与电极之间可能会形成原电池，使电极之间存在固定的电位差，因此第一级差分放大的增益不能太高，否则容易饱和，而且如果在前置放大环节中增益取得过高，引入的噪声干扰也会很大。
所以在前置放大中取Av＝50，则Rｇ＝1.02 kΩ。
此外本系统还采用两个低噪声运放OP07组成右腿驱动电路来提高前置放大电路的共模抑制比，如图4所示。
（3）滤波电路
因为题目基本要求的带宽范围是0.05Hz～100Hz,而发挥部分的要求是心电信号放大器－3dB高频截止频率为500Hz,为了达到题目的要求，本系统设计了截止频率为0.03Hz的高通滤波器和截止频率分别为100Hz和500Hz的低通滤波器，在100Hz和500Hz的高通滤波器之间通过开关切换。
电路原理图如图所示。
（4）陷波电路
本系统要除去工频50Hz的干扰，因此要采用双T网络对混杂在心电信号里的50Hz信号作衰减处理。
电路原理图如图所示。
（5）波形的存储与回放
题目的发挥部分要求心电图仪具有存储、回放已测心电图的功能。
本系统通过单片机小系统完成，通过按键控制存储和回放。
在波形的输出端通过A/D 采样，送到单片机，单片机把数据送到RAM6264存储，需要回放波形的时候可以把数据送到D/A转换输出。
4．各单元电路仿真分析（略）
5．系统软件设计
图12 程序流程图
三．系统调试
1．硬件调试（略）
2．软件调试（略）
3．软硬联调（略）
四．指标测试
1．测试仪器（略）
2．指标测试（略）
五．结论（略）。