心电信号发大器

2011 ~ 2012 学年第二学期《心电放大器的设计》课程设计报告题目：心电放大器的设计专业：电子信息工程班级： 10信息本1 姓名：李闯鲍学贵张力王群陈浩马力余国军朱郑指导教师：倪琳电气工程系2011年5月12日1、任务书摘要心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。

据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。

因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视，准确地进行心电信号提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。

随着电子技术的迅速发展，医用电子监护系统近年来己在临床诊断中逐渐应用。

针对心电信号的特点进行心电信号的采集、数据转换模块的设计与开发。

设计一种用于心电信号采集的电路。

人体的心电信号是一种低频率的微弱信号，由于心电信号直接取自人体，所以在心电采集的过程中不可避免会混入各种干扰信号。

为获得含有较小噪声的心电信号，需要对采集到的心电信号做降噪处理。

目前对心电信号的降噪有多种方法，本文主要从滤波的方面介绍将噪声从信号中分离。

关键词：心电信号采集，降噪，多级放大，电源电路目录第一章绪论 (5)第二章研究基础 (6)2.1 人体心电信号的产生机理 (6)2.2 ECG的作用第三章硬件电路设计 (7)3.1 心电信号采集电路的设计要求 (7)3.2 心电采集电路总体框架 (7)3.3 采集电路模块 (9)3.3.1前置放大电路设计 (9)3.3.3滤波电路设计 (11)3.4电平抬升电路 (14)3.5 心电信号的50Hz带阻滤波器设计 (14)3.6电源电路设计 (15)第四章仿真 (7)第五章结论 (7)第六章参考文献 (7)第七章附录 (7)第一章绪论心脏是人体血液循环的动力泵，心脏搏动是生命存在的重要标志，心脏搏动的节律也是人体生理状态的重要标志之一。

心脏的基本活动包括电活动和机械活动，每个心动周期都是电活动在前，机械活动在后。

心电信号是心脏电活动的一种客观表示方式，是一种典型的生物电信号，具有频率、振幅、相位、时间差等特征要素，比其他生物电信号更易于检测，并具有一定的规律性。

一种心电信号采集放大电路的简单设计方法
心电信号采集放大电路是一种将人体心脏电信号放大的电路，一般采用放大器、滤波器、隔离器等组成。

以下为一种简单的设计方法：
1. 选择放大器芯片
选择一个合适的放大器芯片，一般选用高质量低噪声的运放芯片，如AD620、AD8226等。

这些芯片具有高增益、低噪声等特点，适合于心电信号的放大。

2. 设计放大器电路
使用选择的芯片设计放大器电路，将心电信号输入放大器的非反馈端，输出连接到反馈端。

可以根据需要调整电阻和电容值来获得合适的增益和滤波效果。

一般放大倍数在100-1000之间。

3. 加入滤波器电路
由于心电信号存在很多干扰信号，所以需要加入滤波器来滤除掉干扰信号，使得输出信号更加可靠。

常用的滤波器如低通滤波器、带通滤波器等。

4. 设计隔离器电路
为了避免放大电路与其他电路之间的交叉干扰，需要加入隔离
器电路，将输入和输出信号隔离开。

一般采用光电耦合器或变压器等。

5. 验证电路性能
制作完成后，需要对电路的性能进行验证。

可以使用示波器、信号发生器等测试设备来检测电路的增益、频率响应等性能参数，以确保电路可靠度、准确性和稳定性。

通过以上简单方法，可以设计一款高质量的心电信号采集放大电路。

心电信号测量原理
心电信号测量原理是指通过电极将心脏产生的电信号转化为电
压信号，并通过仪器进行放大、滤波、采样、数字化等处理，最终得到心电图。

心电信号的测量原理包括以下几方面：
1. 电极的选取：电极是将心脏产生的微弱电信号转化为电压信
号的重要组成部分。

常用的电极有皮肤表面电极和直接植入电极两种。

皮肤表面电极适用于无创测量，但信号质量不如直接植入电极。

2. 放大器的选择：由于心电信号非常微弱，需要通过放大器进
行放大。

放大器的选择应根据心电信号的频率范围、信噪比等因素进行。

3. 滤波器的应用：心电信号中包含许多噪声，需要通过滤波器
进行滤波。

常用的滤波器有低通滤波器和高通滤波器等。

4. 采样器的使用：为了将模拟信号转化为数字信号，需要使用
采样器进行采样。

合适的采样率和采样精度可以保证数字信号的质量。

5. 数字信号处理：通过数字信号处理技术，可以进一步提高心
电信号的质量，包括去噪、滤波、降采样等。

总之，心电信号测量原理是通过电极、放大器、滤波器、采样器和数字信号处理等技术，将心脏产生的微弱电信号转化为数字信号，从而得到心电图。

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心电信号放大器设计一、设计用于检测人体心电信号的放大器，要求如下：1、输入阻抗≥10MΩ。

2、共模抑制比≥80dB。

3、电压放大倍数1000倍。

4、频带宽度为0.5Hz~100Hz。

5、放大器的等效输入噪声（包括50Hz交流干扰）≤200μV。

二、设计方案分析1、心电信号的特点及检测人体的各种生理参数如心电、脑电、肌电等生物电信号都是属于强噪声背景下微弱的低频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。

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。

目前国际上均采用标准导联，即将电极捆绑在手腕或脚腕的内侧面，并通过较长的屏蔽导线与心电放大器相连接。

标准导联有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

其具体联接方法如图。

LAⅠ导联Ⅱ导联Ⅲ导联图1 标准导联联线方法2、心电信号放大器设计要求及组成根据心电信号的特点，对心电信号放大器的要求是高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声、低漂移、合适的通频带宽度和输出较大的动态范围等。

典型的心电信号放大器的组成如图所示，主要有前置放大、高通滤波、低通滤波、50Hz陷波器、电压放大等电路。

图2 心电信号放大器组成框图三、 主要单元电路参考设计 1、 心电信号输入电极电极（导联）对心电信号放大器的质量影响很大，采用的电极应该具有贴附力强、透 气性好、吸汗、电极导电性能好、极化电压低的优质电极。

心电放大器（交流供电）设计报告3004202336-1-张路遥技术指标：输入阻抗>1MΩ输入端短路噪声电压峰-峰值（P-P）<=10uVCMRR>=60db电压增益：>=1000倍50HZ干扰抑制滤波器：>=20dB带宽：0.05HZ~40HZ（以10HZ为基准，+0.4dB,-3.0dB）前言：在当今社会中,心脏病等心血管已经成为了世界范围内常见的疾病,号称“头号杀手”。

由于心脏病有突发性以及长久性，对心脏病人也需要长期的治疗和监护。

心脏是循环系统中重要的器官。

由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动。

心脏在机械性收缩之前，首先产生电激动。

心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电位。

如果在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电图机(即精密的电流计)的两端，它会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图。

图1标准的心电图心电图是检查心脏情况的一个重要方法，其应用范围包括以下几个方面：(1)分析与鉴别各种心律失常。

(2)查明冠状动脉循环障碍。

(3)指示左右房窜肥大的情况，协助判别心瓣膜病、高血压病、肺源性及先天性心脏病的诊断。

(4)了解洋地黄中毒、电解质紊乱等情况。

(5)心电监护已广泛应用于手术、麻醉、用药观察、航天、体育等的心电监测以及危重病人的抢救。

本设计为交流供电的心电放大器，是适用于临床监护的普通心电图机。

系统设计：总体介绍心电信号十分微弱，常见的心电频率一般在0—100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近，幅度小于5mV，心电电极阻抗较大，一般在几十千欧以上。

在检测生物电信号的同时存在强大的干扰，主要有电极极化电压引起基线漂移，电源工频干扰(50Hz)，肌电干扰(几百Hz 以上)，临床上还存在高频电刀的干扰。

电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可达几V甚至几十V，所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。

心电信号检测放大器实验报告直流供电天津大学精密仪器与光电子工程学院2004级生物医学工程1班贾乾3004202314第一章前言心脏是人体血液循环系统中的重要器官，依靠它的节律性搏动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动，使生命得以维持。

它的活动正常与否直接关系到人的生命安全。

人们不能凭着直观判断心脏健康与否，而是需要精确的仪器加以测量，通过对测得的心电波进行分析比较，最后做出诊断。

心电图典型波形如下图所示：心脏的生理功能与心电图存在着密切的有机联系，心脏生理功能失常许多可以从心电图中反映出来，这就是心电图为什么能得到广泛应用的原因，主要应用有：1．分析与鉴别各种心率失常。

2．一部分冠状循环功能障碍或急性所引起的心肌病变。

3．判断心脏药物治疗或其他疾病的药物治疗对心脏功能的影响。

4．指示心脏房室肥大情况，从而协助各种心脏疾病的诊断。

等等。

在国内外，关于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间，目前对于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间，目前对于心电图机的研制已经达到了一个相当高的水平。

尽管这样，在心电信号处理的方法和自动分析手段都存在着很多缺点，心电特征波形分析定位结果并不尽如人意，从理论上还有创新的余地。

第二章总体设计一．心电信号的基本特征：心电信号是一种较微弱的体表电信号，成年人的幅值约为0.5～4mV，频率在0.01~250Hz范围内，属于低频率，低幅值信号。

为了获得清晰而良好的心电波信号，中华人民共和国医药行业标准YY1139―2000对心电图机提出各种技术要求，主要有：1．输入阻抗单端输入阻抗不小于2.5MΩ。

2．输入回路电流各输入回路电流不大于0.1μA。

3．定标电压有1mV±5%的标准电压，用于对心电图机增益进行校准。

4．噪声水平所有折算到输入端的噪声应小于35μV。

5．频率特性幅度频率特性：以10Hz为基准，1Hz~75Hz（-3.0dB~+4.0dB）;6．抗干扰能力共模抑制比：KCMR>60dB以上。

心电信号放大器设计首先，心电信号放大器的设计需要选择合适的放大器电路结构。

常用的放大器电路结构有运算放大器反相放大器电路和差分放大器电路。

运算放大器反相放大器电路通过负反馈调节放大倍数，能够有效地抑制噪声，但需要注意其供电电压和输入电压的范围。

差分放大器电路可以消除共模干扰，适用于高精度的心电信号放大器设计。

其次，心电信号放大器的设计需要选择合适的放大倍数。

心电信号的幅值通常很小，一般在几微伏到几十微伏之间。

为了能够观测和分析心电信号，通常需要将其放大数倍。

但是放大倍数过大会使得放大器对干扰信号更加敏感，因此需要在放大倍数和信噪比之间进行平衡。

此外，心电信号放大器的设计还需要考虑到信号频率范围。

心电信号的频率范围通常在0.05Hz到100Hz之间，因此放大器的截止频率应该在这个范围内。

为了防止高频噪声的影响，可以在放大器电路中添加低通滤波器来滤除高频噪声。

另外，心电信号放大器的设计还需要考虑到输入阻抗和共模抑制比。

输入阻抗应该足够高，以确保不损失心电信号的幅值。

共模抑制比指的是放大器对共模干扰的抑制能力，应该足够高以保证仪器的精度和准确性。

最后，心电信号放大器设计还需要考虑到安全性。

心电信号放大器通常需要与人体接触，因此必须满足医疗器械的安全标准。

设计中需要考虑到输入信号的电离辐射、耐久性和防护等因素，并采取相应的安全措施。

综上所述，心电信号放大器设计需要考虑到放大器电路结构、放大倍数、频率范围、输入阻抗、共模抑制比和安全性等因素。

通过合理的设计和调试，可以得到准确、稳定且安全的心电信号放大器，为心电信号的观测和分析提供有力支持。

仪用放大器的介绍
仪用放大器的主要作用是放大输入信号，以便能够更好地被测量仪器
和设备处理。

仪器设备通常需要较大的输入信号才能进行准确测量和操作。

仪用放大器可以将微弱的输入信号放大到足够的幅度，以便被后续的处理
器或传感器读取和处理。

除了放大信号，仪用放大器还可以提供其他功能，如滤波、放大倍数
调节和信号偏移。

滤波是指通过对输入信号进行特定频率范围的选择性放
大或抑制来实现对信号的调节。

放大倍数调节是指通过调整放大倍数来改
变放大器的增益。

信号偏移则是通过改变输入信号的参考电平来改变输出
信号的偏移值。

仪用放大器有许多应用领域，包括医学设备、科学实验、通信设备和
音频设备。

在医学设备中，仪用放大器通常用于放大心电图、脑电图和肌
电图等生物电信号，以便医生能够准确地分析和诊断病情。

在科学实验中，仪用放大器可以用于放大各种实验信号，以便研究人员能够更好地理解和
探索自然现象。

在通信设备中，仪用放大器可以用于放大无线信号和光信号，以便更好地传输和接收数据。

在音频设备中，仪用放大器可以用于放
大音频信号，以便提供更好的音质和听觉体验。

以总结来说，仪用放大器是一种用来放大电信号的设备，具有高增益、低噪声和宽频响的特点。

它可以用于各种测量、实验和仪器设备中，以提
高信号质量和增加信号的幅度。

仪用放大器有许多应用领域，包括医学设备、科学实验、通信设备和音频设备。

通过使用仪用放大器，我们能够更
好地理解和应用电信号。

实验四心电放大器的性能分析——PSPICE在模拟电路分析设计中的应用心电放大器的背景知识对于心电放大器而言，使用者为医疗单位，有较好的工作环境；心电传感器测得的心电信号幅度一般在50µV~5mV之间，属于微弱信号，要求放大器具有低噪声、低漂移和较高的电压放大倍数；信号的频率范围一般为0.05Hz~200Hz，频带范围不是很宽；人体是心电信号的信号源，人体电阻、检测电极与皮肤的接触电阻等为信号源内阻，其值较大，一般为几十kΩ，因此要求放大器必须有很高的输入阻抗；同时人体相当于一个导体，易接受空间电磁场的各种干扰信号，这些干扰信号对放大器来说相当于共模信号，因此，心电放大器应具有较高的共模抑制比。

心电放大器如图1所示。

(图中运算放大器为LM324)一、实验目的1．了解PSPICE应用软件2．掌握PSPICE软件在电路分析设计中的应用3．熟悉心电放大器的特点和功能；进一步熟悉运算放大器的应用。

二、用PSPICE软件对心电放大器进行性能分析1．对心电放大器进行差模幅频特性分析，并记录仿真结果（幅频曲线、f L、f、电路差模增益、共模增益、差模输入阻抗）；分别改变R W1、R W2和C3、C4，对H上述结果有何影响？*2．对心电放大器进行瞬态特性分析，在图1中输入0.1mV，频率1Hz的正弦信号，增益调节电阻R w2分别为最大（220 kΩ）和100kΩ。

*3．对心电放大器进行参数灵敏度分析和容差分析上述心电放大器的幅频特性分析和瞬态特性分析是在电路元件取标称值下进行的，但是元器件的实际参数与标称值总是存在一定的误差，参数灵敏度分析及容差分析能为我们选择元器件参数精度提供依据。

（1）通过对差模增益的灵敏度分析，确定对电路差模增益影响较大的电阻。

（2）试分析电路电阻参数变化对差模增益和共模抑制比的影响。

（设电阻精度等级为1%）三．实验预习要求1．学习并了解PSPICE5.1软件的操作使用方法。

2．对心电图进行理论分析和性能指标计算。

心电放大器一、设计目的1.1学习三运放电路工作原理与设计方法;1.2 学习差模信号与共模信号;1.3熟悉巴特沃兹低通滤波器的设计。

二、设计内容与要求2.1设计心电放大电路，技术指标如下：2.1.1差模放大倍数AVD=100;2.1.2共模抑制60dB;2.1.3通频带0~30Hz。

2.1.4阻带截止深度40dB.三、心电放大器基本原理心电放大器即心电图( Electrocardiogram) 信号放大器。

将Ag2AgCI 电极贴在病人左臂、右臂和大腿上,从体表获得的心电信号经集成运放CF318 构成的前置放大器放大后,再经滤波处理,然后进入ADC 进行模数转换,送记录仪或液晶显示。

因此一高阻抗、高增益的放大器是准确获取心电信号的关键。

心电放大器模拟部分如下图所示：确定心电放大器的性能指标(1) 人体心电信号幅度一般在50μV～5 mV ,属于微弱信号,放大器输出信号一般在- 5～ + 5V ,因此,要求放大器的差模电压增益为100左右;(2) 信号的频率范围(通频带) 一般为0-30Hz;(3) 人体内阻、检测电极与皮肤的接触电阻为信号源内阻,阻值一般为几十kΩ,为了减轻微弱心电信号源的负载,要求放大器的差模输入阻抗大于10 MΩ; (4) 人体相当于一个导体,将接收空间电磁场的各种干扰信号,它们对放大器来说相当于共模信号,因此放大器的共模抑制比为60dB;(5) 要求具有低噪声和低漂移特性。

微小信号的放大方案设计:(1)采用多级集成运放实现差模电压的高增益,且各级增益均衡分配。

(2)三运放放大电路：由于输入阻抗、共模抑制比和噪声主要取决于前级,因此输入级采用集成运放CF318构成前置放大器,该运放能实现高输入阻抗和低噪声。

该放大电路分两级，第1 级:A1 、A2 及相应电阻构成前置放大器。

第二级采用差分式放大电路实现信号放大。

两级总的放大倍数为5倍。

电路图如下：该电路输出特性为：当 =100k, =k=51k, = =100k时，Vo=-5Vi该放大器第一级是具有深度电压串联负反馈的电路，所以它的输入电阻很高。