医学信号检测前置放大及滤波电路设计其他信号word文档

新型心电信号前置放大电路设计
摘要：基于经典的仪表放大器基本框架，改进和设计了一种可用于心电信号采集的前置放大器。

根据心电信号采集的特点，通过增加射频滤波器、右腿驱动电路和高通负反馈滤波器等措施，提高了放大器的共模抑制比，对被测的人体具有更安全的保护作用。

结果表明该放大器在频率响应特性、共模抑制比等性能参数方面符合标准，可用于ECG监护仪中。

关键词：心电图；放大器；共模抑制比；增益；滤波
中图分类号：TP342文献标识码：A文章编号：1009－3044(2008)01－10041－04
(责任编辑：背包走天下)。

生物医学信号前置放大及滤波电路设计一、方案选择及电路设计：1．总体电路图此电路由前置放大电路和滤波电路构成，框架图如1-1。

前置放大滤波显示1-1总框架图图1-2 心电信号前置放大及滤波电路图2．前置放大电路：1）前置放大电路的要求：由于生物电信号源产生的信号幅度小，频率低，而且生物电信号源内阻高，存在较强的背景噪声和干扰，而生物电放大器是为了测量生物电位而专门设计的放大器，其最主要的作用就是把微弱的生物电位信号的幅度放大，以便进一步处理、记录或显示。

因此要求生物电放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪声、低温漂、合适的频带宽度和动态范围等特性。

而放大器的输入阻抗、噪声、漂移及共模抑制比等特性的好坏主要由前置放大器所决定。

为了克服测量生物电时伴随的较强的模干扰，在生物电放大器的前置级通常采用差动放大以提高共模抑制比。

放大级通常包括初级差分放大和运放构成的主放大级,在本次实验中，初级差分放大采用的是三运放前置放大电路，主放大极由一个集成运放和电阻构成2）前置放大电路的构成：本次设计使用三运放前置放大器,它具有以下优点:(1) 输入阻抗高,由运放输入阻抗决定;(2) 可适当减少R4和R1,从而使CMRR 增大,而不影响输入阻抗与增益;(3) R2和R3失配仅影响CMRR 和Ac;如图1.3所示：图1.3 前置放大电路电路图它的第一级是有两个运放A1和A2组成，信号由两个同相输入差分放大器，因而有很高的的输入阻抗，可达1M Ω以上；第二级是由A3构成的基本差分放大器。

由于理想运放输入阻抗近似为零，A1和A2输入端的两个电阻R2与电位器R1相并联，所以可以得到：45)3221(R R R R Ad ⨯⨯+==303）电路分析① 参数设置：R4=500Ω ,R2=2KΩ ,R1=4K Ω ,R3=2kΩ，R5=5K Ω② 高输入阻抗：由于人体的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减小信号源内阻的影响，必须提高放大器的输入阻抗，输入阻抗是指开环运行时，从两个输入端看进去的动态阻抗，它等于两个输入端之间的电压的变化和引起的输入电流的变化的比值。

一、生物医学信号的基本特征 (3)1、频率特性 (3)2、幅值特性 (3)3、信号源阻抗高 (3)4、强噪声和干扰 (3)二、对生理参数放大器的要求 (3)1、增益高 (3)2、输入阻抗高 (3)3、噪声极低 (3)4、共膜抑制比高 (3)5、基线漂移小 (3)6、频带适当 (3)7、隔离阻抗大 (3)三、滤波器的选择与参数设定 (4)1、考虑是否采用电子元件 (4)2、考虑截止频率附近的幅频、相频特性 (4)3、考虑通带和阻带所处范围（幅频特性） (4)（1）放弃使用带通滤波器 (4)（2）采用高、低通滤波器叠加滤波 (5)（3）增加陷波器。

(7)四、设计流程图 (7)五、设计电原理图 (8)六、设计具体说明 (8)1、同相并联型差动放大器 (8)（1）电路构成 (8)（2）高共模抑制比 (9)（3）差模电压放大倍数 (9)（4）作用 (9)2、反相放大器 (9)（1）放大倍数 (10)（2）作用 (10)3、四阶高通滤波器 (10)4、四阶低通滤波器 (11)5、陷波器 (11)6、整体参数选用情况 (12)（1）具有较高输入阻抗 (12)（2）放大器差动增益 (13)（3）具有较高共模抑制比 (13)（4）等效输入噪声 (14)（5）频带范围 (14)7、设计的仿真情况 (14)七、思考 (15)八、设计心得 (16)九、参考文献 (16)课程设计说明书一、生物医学信号的基本特征1、频率特性绝大多数生物医学信号处在DC至10kHz之间，并具有较宽的频带。

我们认为ECG处在0.5Hz至100Hz。

2、幅值特性绝大多数生物医学信号非常微弱。

ECG在mV级。

3、信号源阻抗高生物电信号源自活体，内阻在kΩ、MΩ级。

4、强噪声和干扰（1）干扰（来自测量系统外部的无用信号）：人体属于电的良导体，而且“目标”大，难以屏蔽，很容易接受外部电磁波干扰。

普遍存在的工频50Hz干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围之内，完全淹没微弱的生物电信号。

心电信号前端放大器设计一、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.心电信号前置级放大电路由于心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号，所以要求前置放大器应具有高输入阻 抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力等特点，选择仪表放大器即可满足要求。

脑电信号放大检测电路设计脑电信号放大检测电路设计1 引言脑电信号(EEG]是由脑神经活动产生并且始终存在于中枢神经系统的自发性电位活动，含有丰富的大脑活动信息，是大脑研究、生理研究、临床脑疾病诊断的重要手段。

通过对脑电信号进行记录，以提供临床数据和诊断的依据。

因此脑电信号的提取具有非常重要的临床意义。

2 设计时常遇到的技术困难(1)脑电信号十分微弱，一般只有50μV 左右，幅值范围为5μV～100 μV。

因此它要求放大增益比一般仪器要高得多;(2)脑电信号频率低，其范围一般在0.5 Hz~35Hz，这使得放大器的低频截止的选择非常困难，当受到尖峰脉冲干扰或导联切换的时候，放大器容易出现堵塞现象;(3)存在工频50 Hz和极化电压等强大的背景干扰。

其中工频50Hz干扰主要以共模形式存在，幅值较大，所以脑电信号放大器必须具有很高的共模抑制比。

而极化电压干扰的存在使得脑电放大器的前级增益不能过大;(4)由于人体是一个高内阻信号源，内阻可达几十千欧乃至几百千欧，而且它的内阻抗既易于变化，又可能各支路不平衡，所以，脑电信号放大器的输入阻抗必须在几兆欧以上。

可见，要设计出高质量的脑电信号放大器，要求前置放大器必须具有输入阻抗高、共模抑制比高(CMBR)、噪声低、非线性度小、抗干扰能力强以及合适的频带和动态范围等性能，这使得放大器的设计存在较大的困难，但这也是整个脑电信号采集系统设计能否成功最重要的关键性的一个环节。

3 信号放大检测电路设计脑电信号放大检测电路。

由该图可知，该部分主要由缓冲级、前置差分放大电路、50 Hz工频陷波电路、电压放大电路、低通滤波器电路、电平调节电路、线性光耦合电路等组成。

在人体和脑电前置放大器之间设置缓冲级主要是为了实现更高的输入阻抗，电平调节电路是为了满足A/D转换器输入量程的需要。

3.1 前置差分放大电路3.1.1 电路组成及特性前置放大是整个脑电图仪的关键环节。

本设计在“三运放”的基础上，通过采用新型的电路结构，巧妙地利用了仪器放大器共模抑制比与增益的关系(见表1)，并结合阻容耦合电路、共模驱动技术、浮地跟踪电路等，可以在抑制直流干扰的情况下提供较高的共模抑制比，具有对外围无源器件参数不敏感的特点。

医用电子学实验报告班级：生物医学工程121班姓名：xxx学号：xxxxxxx实验一 心电图（ECG ）前置放大器一、 实验目地1、掌握三运算放大器组成差动放大器的原理。

2、掌握元器件参数变化对放大器性能指标的影响。

3、加深对生物电信号和生物放大器的理解。

二、 实验设备EWB5.12仿真软件三、 实验原理及设计思路下图是用三个运算放大器构成的一个实用的人体心电信号检测的前置放大器，两个氖灯作为电压限幅器。

一旦两端的电压超过其击穿电压，则氖灯迅速导通，使其两端的电压降低接近于0伏，从而保护放大器，R11用来调节电路的共模抑制比。

图2-1三电极心电前置放大器按图2-1连接，开关置于图中位置时（输入信号为100u/50Hz 正弦信号），进行模拟仿真后，实验结果如图2-2所示：电流表直流档 电流表交流档 图2-2图2-1所示，是典型的三运算放大器组成的差动放大器，根据A 1、A 2、A 3的理想特性，R 5、R 6、R 7中的电流相等，得到01112202576i i i i U U U U U U R R R ---==从而导出（R 6=R 5）5011127()()i i i R U U U U R -=- 5202127()()i i i R U U U U R -=- 以上二式相加得501021272()(1)()i iR U U U U R -=+- 注意到10001028()R U U U R =-- 则差模增益为010521872(1)d i i U R R A U U R R ==+-只要调节R 5，就可以改变三运算放大器的增益，而不影响整个电路的对称性。

三运算放大器组成差动放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗和可变增益等一系列优点，它是目前最典型的生理参数测量用的前置放大器，且已在各类生物医学仪器中获得广泛应用。

四、实验内容及步骤1、 用EWB 软件按图2-1三电极心电前置放大器电路图接线、设置各元件参数、创建电路，接入示波器，并保存电路。

实验报告指导教师：实验地点：实验时间：一、实验室名称：医疗仪器实验室二、实验项目名称：心电信号的采集及前置放大三、实验学时：2学时四、实验原理：心电信号的采集使用了标准I导联，电路中RL、RA、LA三处为三个音频插座，由三个心电电极夹接入，分别夹在右腿、右手、左手。

由右手与左手输入的信号经AD620差动放大，得到心电信号。

夹在右腿的电极起到一个反馈作用，向身体输入信号，起到平稳心电信号的作用。

电路中的普通运放有两个，所以采用了二运放芯片NE5532。

使用的医用放大器芯片AD620是一款经常使用的医用放大器芯片，其特点是精度高，放大倍数准确，能够将十分微小的信号放大，常用于医用仪器的设计。

AD620的放大倍数由RQ1到RQ4控制，G=(49.4kΩ/R G)+1。

五、实验目的：1．初步学会人体心电的测量方法。

2．学习使用较为精密的医用放大器芯片。

六、实验内容：调试心电测量电路，测量人体心电，观察标准模块输出，自行制作模块观察效果区别。

七、实验器材（设备、元器件）：心电采集实验箱、电脑、心电电极夹、电阻、AD620、NE5532，连接线、电烙铁、电路板制作工具、螺丝刀八、实验步骤：1．利用板上的信号源调试电路（1）利用板上的电源为模块供电。

（2）利用板上的信号源为模块提供信号。

（3）用示波器观察模块信号输出端，查看波形。

2．测量人体的心电（1）将底板上的开关拨到ECG端。

（2）连接心电电极夹。

（3）检测人体心电并用示波器观察输出波形。

3.自制模块根据实验提供模块电路原理图自制PCB图，制作模块取代标准模块重复实验。

九、实验制作电路及观测结果分析：1．实验原理图：图 1.1 Altium Designer原理图图1.2 PCB版图2．仿真结果图在输入部分通过函数发生器模拟生理信号，对电路进行仿真查看结果图2.1 加入了函数发生器和模拟示波器后的结果通过仿真结果可以看出RA、LA分别加入了30mv和40mv的正弦信号，在示波器结果中可以看到输出信号约为106.903mv, 放大倍数约为10.7，与实验理论值的放大倍数10.6接近，能够达到预期的效果3．结果分析：心电信号前置放大电路模块实物如下图所示。

本栏目责任编辑：冯蕾网络通讯及安全·新型心电信号前置放大电路设计张磊．张辉（安徽大学大学计算机教学部，安徽合肥２３００３９）摘要：基于经典的仪表放大器基本框架，改选和设计了一种可用于心电信号采集的前王放大器。

根据心电信号采集的特点，通过增加射频滤波器、右腿驱动电路和高通负反馈滤波器等措施，提高了放大器的共模抑制比，对被洲的人体具有更安全的保护作用。

结果表明该放大器在频率响应特性、共模抑制比等性能参数方面符合标准，可用于ＥＣＧ监护仪中。

关键词：心电图；放大器；共模抑制比；增益；滤波中图分类号：删２文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００８）０１－１００４１－０４ＮｅｗＤｅｓｉｇｎｏｆＰｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒＣｉｒｃｕｉｔｆｏｒＥＣＧＳｉｇｎａｌＺＨＡＮＧＬｅｉ，ＺＨＡＮＧＨｕｉ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｌｌｅｇｅＣｏｍｐｕｔｅｒＴｅａｃｈｉｎｇ，Ａ１１ＩｌｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ２３００３９，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｅＵＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｌａｓｓｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ａｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｆｏｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＥＥＧｓｉｇｎａｌｓｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄａｎｄｄｅ—ｓｉｇｎｅｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅＥＣＧｓｉｇｎａｌｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｗｅａｄｄｒａｄｉｏｆｉｌｔｅｒ，ａｌｉｇｈｔ—ｌｅｇ—ｄｒｉｖｅｎｃｉｒｃｕｉｔ、ａｈｉｇｈ—ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒ、＾，ｉｄｌＣＭＲＫｏｆｔｈｅｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｈｉｇｈｅｒａｎｄｓａｆｅｒｆｏｒｔｈｅｄｅｔｅｃｔｅｄｐｅｒｓｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｒｅｖｅｒｓｅｆｅｅｄｂａｃｋａｎｄｏｎ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｔｈｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄＣＭＲ．Ｒ．ｍｅｅｔｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄ，ｍａｋｉｎｇｉｔｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒＥＣＧｍｏｎｉｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ；ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｒｅｊｅｃｔｉｏｎｒａｔｉｏ；ｇａｉｎ；ｆｉｌｔｅｒ１引言心电信号是在心脏有规律地收缩和舒张过程中，心肌细胞产生的动作电位综合而成的电信号。

七、下图为医用ECG监测电路。

（28分）（1）分析该电路所使用的方法和技术手段；（2）计算AD620的放大倍数；（3）设计图中0.03H Z HIGH-PASS FILTER（可用无源HPF，设：R=3.2MΩ）；（4）设计图中G=143倍的OUTPUT AMPLIFIER.( 设：Rf=680KΩ)（5）计算ECG监测电路的放大倍数，合多少分贝？A D620放大倍数：(1) AD620仪用放大器、右腿驱动、保护电路、0.03H Z高通滤波器、电池供电。

（10分）(2) 7 （3分）(3) RC高通滤波器R=3.2MΩC=1.6μF 电路图（5分）(4) 同相放大器Au=1+Rf/R=143Rf=680KΩR=4.789KΩ[4.7KΩ+100Ω(可调)] 电路图（5分）(5) 1001、60dB （5分）七、心电放大电路如图所示。

（25分）（1）分析心电放大电路采用的方法和技术手段（2）推导出u o3的计算公式（3）进行与A4级相关的计算；（4）计算总电压放大倍数；（5）如何调整电压放大倍数。

（1）采用仪用放大器及滤波器（HPF、LPF）组成9分（2）----（5）各4分八、下图为心电信号检测前置放大器（26分）(1) 分析该电路所使用的方法和技术手段；(2) 分析各元器件（电阻、电容、二极管等）的作用；(3) 进行电阻、电容所构成电路的性能指标的计算；(4) 计算MAX4194（A 1）的放大倍数，合多少分贝？(5) 计算324（A 2、A 3）的放大倍数。

附：MAX4194结构、封装顶视图D 1~D 4：1N4148R G =100ΩR 1= R 2=50K ΩR 3= R 4=10M ΩR 5=10K ΩR 6=10M ΩR F =10K Ω R 0=100K Ω C F =4700pF C 1= C 2=0.022μF C 3= C 4=0.68μF注：电极阻抗按47K Ω计算（图中未画出）(1) 仪用放大器（MAX4194）、右腿驱动、屏蔽驱动、屏蔽电缆、保护电路、低通滤波器、高通滤波器、电池供电。