心电信号放大器设计

I

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

II

1、任务书

课题名称 心电放大器的设计

指导教师（职称） 倪琳

执行时间 2011~ 2012 学年 第 二 学期 第 13 周

学生姓名 学号 承担任务

李闯 1009121037 前置放大电路设计

鲍学贵 1009121003 前置放大电路设计

张力 1009121089 带阻滤波器设计

王群 1009121061 带阻滤波器设计

陈浩 1009121007 滤波电路设计

马力 1009121049 电平抬升电路设计

余国军 1009121083 电源电路设计

朱郑 1009121099 仿真

设计目的

1、学习多级放大电路的设计方法；

2、掌握集成运放的应用。

设计要求

1、心电信号幅度一般在50V～5mV之间；

2、信号放大后的最大值在-5V～+5V之间；

3、拟定设计步骤；

4、根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元

件及参数；

5、要求绘出原理图；

6、撰写设计报告。

III 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。

心电采集系统中模拟电路的设计方案

心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，信号比较微弱，其频谱范围是0.05～

200Hz，电压幅值为0～5mV，信号源的阻抗为数千欧到数百千欧，并且存在着大量的噪声， 所以心电采集系统的合理设计是能否得到正确的心电信号的关键部件。心电信号的测量条件是相当复杂的，除了受包括肌电信号、呼吸波信号、脑电信号等体内干扰信号的干扰以外还受到50HZ 市电、基线漂移、电极接触和其他电磁设备的体外干扰，因此，在强噪声下如何 有效地抑制各种干扰将成为心电采集系统设计的关键。

1 心电采集系统简介

完整的心电采集系统包括模拟和数字两部分，其中模拟部分主要完成心电信号的拾 取、放大和滤波等，数字部分将对模拟部分获得的心电信号进行分析与处理，以便医护人员 得出正确的诊断结果，因此心电采集系统中的模拟电路在心电监护系统中具有重要作用。心电采集系统的总体结构。

由携带在人体上的专用电极拾取的心电信号首先经前置放大器初步放大，并在对各种干扰信号进行一定抑制后送入带通滤波器，以滤除心电频率范围以外的干扰信号，然后由主放

大器将滤波后的信号进一步放大到合适范围，再经50Hz 陷波器滤除工频干扰，得到模拟的

心电信号将被送入AD 转换系统进行模数转换，转换成数字信号后由中央处理单元负责后续

的分析处理。

2 前置放大电路

从人体体表拾取的心电信号一般只有几个毫伏，为了提高其分辨率以便于后端显示和 处理，首先需要对信号进行放大。在心电信号采集过程中，前置放大电路对心电信号的影响 最大，为提高心电信号的性能，前置放大电路的放大倍数不能选择得太大(一般小于20)， 否则会由于有较大的干扰信号(指电极的极化电压)，致使放大器产生阻塞现象。

对于心电信号而言，采集的信号属于差模信号，所以其放大器都采用差动放大电路结 构，使用最普遍的是采用低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比、高增益和抗干扰能力强的同 相并联差动放大电路，即通常所说的三运放仪表放大器，本系统采用通用的集成运放LM324 来构成这种放大器的。LM324 是一种4 集成运算放大器，由于价格低廉且使用方便，所以被 广泛应用于控制和信号放大处理之中。我们在实验室认真设计和反复实验，用LM324 构成的 电路成功实现了心电信号的放大处理，其主要技术指标都能满足要求。LM324 既可以单电源 使用，也可以双电源使用，电源电压可以从+5V 一直用到±15 V，而且驱动功耗低，每一组 运放差模增益可达到100dB。通过外围电路的合理设计，使得以LM324 为主要器件的放大电 路完全能满足高放大倍数、高稳定性的心电信号放大处理要求。

1

昆明理工大学信息工程与自动化学院学生实验报告

（ 2016 —2017 学年 第 一 学期 ）

课程名称：生物医学电子学 开课实验室：信自111 实验日期：2016.12.28

年级、专业、班 生医141 学号 201410407112

201410407114 姓名 刘海星

赵丽莎 成绩

实验项目名称 生物电放大器—心电图（ECG）前置放大器 指导教师

教师评语

教师签名：

年 月 日

一、实验目的

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电放大器的理解。

二、实验原理

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。

图2-1 心电图（ECG）前置放大器原理图

如图2-1所示，是典型的三运算放大器组成的差动放大器，根据A1、A2、A3的理想特性，R5、R6、R7中的电流相等，得到 2 622721511RUURUURUUoiiiio

从而导出（R6=R5）

)()(217511iiioUURRUU

)()(2175022iiiUURRUU

以上二式相加得

))(21()(217521iiooUURRUU

由于

)(21810oooUURRU

则其差模增益为

)21(7581012RRRRUUUAiiod

只要调节R7，就可改变三运算放大器的增益，而不影响整个电路的对称性。

三、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、设置各元器件参数、创建电路，接入示波器、，并保存电路。

2、激活仿真电路，用示波器、万用表，观察波形、读取实验数据，并记录于表2-1中。

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。