心电放大器设计（毕业设计44页、18291字）
摘要：心脏是人体循环系统的核心，心电信号的放大质量直接影响着分析仪器的性能和对人体心脏疾病的诊断。心电信号等各种生理参数都是复杂生命体发出的强噪声条件下的微弱信号，其幅度在10uV-5mV 之间，经过放大1000多倍才能被观察出来。频率范围为0.05Hz -100Hz，淹没在50Hz的工频干扰和人体其他信号之中。本设计根据心电信号特征设计一个性能良好的心电放大器,能够满足心电信号检测的要求。首先从人体体表采集心电电位的变化，经前置后，通过滤波和放大，得到的心电信号能够在示波器上显示出比较清晰的波形。在设计中采用低功耗、高精度的仪用放大器，即AD620作为放大器的前置级。为了提高前置级的共模抑制能力，采用了共模信号的抑制电路—右腿驱动和浮地跟踪。经前置放大器后，运用低通和高通滤波器的串联，对心电信号有效频率外的干扰进行滤波。并且采用双T网络构成的陷波器，对50Hz的工频干扰进行抑制。最后通过一个主放大将心电信号进一步放大，便于后面波形的显示。整个电路设计简洁，经过调试，运行良好，能够达到心电放大器的要求。
关键词：心电信号；前置放大器；滤波；50Hz工频干扰

The Design of Electrocardiogram Amplifier

Abstract：Heart is the core of the cyclical system of human body .The amplifying quality of elctrocardiac signal directly influences the function of the instrument and the diagnosis of the heart diseases. The electrocardiac signal is a kind of weak signal in the strong noise made by complicated organism .The amplitude of the electrocardiac signal is from 10uV to5 mV, and it can be observed only after enlarged by1000.The frequency changes from 0.05Hz to 100Hz, and it is inundated in 50Hz electric frequency signal and other body’s signals. This design requests according to heart electrical signal characteristic to design a well performance electrocardiogram amplifier, which can satisfy the requests of measuring the electricity signal of heart. Firstly, the original electrocardiac signal is colleted from the human body surface, passes the preamplifier, which can constrain disturbance , then passes the filter and the enlargement, and at last we can obtain the heart electrical signal, which can be demonstrated on the oscilloscope. This design uses an AD620 which features low power consumption and high precision as the preamplifier. The design adopts the circuit for constraining the in-phase signal, in order to improve the system’s CMRR. Followed the front amplifier are a high pass filter and a low pass filter, which can get rid of the disturbance. A dual T network forms a rejecter to suppress the disturbance of the industrial 50Hz frequency. After that, the signal gets pass a main amplifier to be further enlarge, so that it can be displayed later. The design of whole circuit is succinct. The result of debugging proves that the circuit performs well and the heart electricity amplifier can achieve the request.

Key words： electrocardiogram,  amplifier,  filter,  50Hz-frequency interference

目   录

第1章  前言 1
1.1 课题背景及目的意义 1
1.2 国内外发展状况 1
1.3 心电信号及心电图 2
1.3.1 心电信号的形成 2
1.3.2 心电信号传导 3
1.3.3 心电图简介 3
1.4 论文的主要内容 4
第2章  总体方案设计 6
2.1心电信号的特征 6
2.2心电信号检测中的干扰分析 6
2.3心电放大器的设计方案 8
2.3.1心电放大器的主要设计目标 8
2.3.2总体方案确定 8
2.4小结 10
第3章  前置放大级的设计 11
3.1心电信号的采集 11
3.1.1导联 11
3.1.2 心电采集过程中应注意的问题 11
3.2 前置级的分析 11
3.3 前置级方案分析 13
3.4 心电前置级的设计 17
3.5共模抑制电路 18
3.5.1 右腿驱动 18
3.5.2 浮地跟踪 19
3.5小结 21
第4章  滤波电路的设计 22
4.1滤波电路 22
4.1.1低通滤波器的设计 23
4.1.2高通滤波器的设计 24
4.1.3 调试结果 26
4.2  50HZ陷波器的设计 26
4.2.1 调试结果 28
4.3 小结 28
第5章  主放大的设计 30
5.1主放大器 30
5.2 调试结果 31
5.3 小结 32
第6章  电路的调试与总结 33
总结 35
致谢 36
参考文献 37
附录1 整体电路图 38
附录2 系统实物图 39
 
第1章  前言
1.1 课题背景及目的意义
心电信号实时准确的提取与分析可以检测心脏状况，对病人病况的及时诊断，药物疗效的跟踪有着重要的意义。心脏病作为一种常见多发慢性疾病，出于其病情隐蔽，发展缓慢，发病危险性高的特点，对心脏病患者，特别使中老年患者的危害极大，威胁着人类的健康和生活。心血管疾病已经越来越成为威胁人类健康的主要因素，及时发现和预防在心血管疾病的治疗中已成为越来越重要的手段。医学实践表明，对于心脏的防治，最有效的手段就是预防和保健，在对心脏病患者进行检测的基础上，尽早发现一场病变情况，及早进行治疗，以控制病情的进一步发展。因此，对人体生理电信号的实时监测和分析系统的研究就更加迫切，更加具有现实意义。
近年来，随着医学的进步与科学技术的发展，人们对疾病的诊治与健康的保障提出了越来越高的要求，人体心电信号的检测与分析手段在经历了数十年的不断改进与发展之后，取得了长足的进步，在今天的医学领域中越来越显露出其必要性与重要性，心电信号的检测与分析不仅是心脏病自动诊断的重要手段，也是人体及其他疾病手术及健康状况检测的重要手段之一。
    心电信号的放大质量直接影响着分析仪器的性能和对人体心脏疾病的诊断。因此，要对心电信号进行精确测量，将微弱信号放大几千倍才能观察的到,所以必须设计出性能优良的放大器。
1.2国内外发展状况
  心电信号是人类最早研究并应用于医学临床的生物电信号之一，与其他生物电信号相比,它更易于检测并具有较直观的规律性。自1903年Einthoven发明了采用石英丝的心电电流计，从体表真实记录出心脏的电流活动以来，经过近百年的发展和完善，心电势已经成为发现无症状心电节律，诊断心脏病，监护外科手术和药物疗效的常规检查手段。心电图发明以来，无论在生物医学方面，还是在工程学方面，心电信号的记录、处理与诊断技术均得到飞速发展，并积累了相当丰富的临床资料。当前，心电信号的处理仍是生物医学工程研究的重要对象之一。
早在18世纪就已经发现肌肉收缩时会产生电现象，但由于当时的科学水平低，不能定量研究由心肌收缩所产生的电压，直到1931年Einthoven发明了原始的ECG导联系统。随后在1934年Wilson提出把肢体电极镭(右臂)、LA(左臂)和LL(左腿)经过三个相等的且大于5K的电阻连接在一起，组成一个平均电位的中心端，即威尔逊中心端。这样就能在心电周期内获得一个比较稳定的电压，作为体表上的基准值。
此后心电图机虽然有较大的发展，但原理上都还是沿用以前理论。心电信号的放大电路部分，便是心电图机的核心部分，它决定了心电图机功能的实现。
目前国内外应用于医疗仪器放大器的研制已成为改进仪器性能的关键，出现了适应各种仪器的不同种类的放大器，如全集成化放大器超低噪声生物电前置放大器、全程控生物放大器等。
1.3 心电信号及心电图
1.3.1 心电信号的形成
心脏是有大量心肌细胞组成的一块心肌，[2]心肌细胞除极和复极的电生理现象是心脏运动的基础。有心脏内部产生的一系列非常协调的电刺激脉冲，分别使心房，心室的肌肉细胞兴奋，使之有节律的舒张和收缩。这些运动在体表的不同部位形成不同的电位差，通常从体表检测到的心电信号就是这种电位差信号。正常情况下，窦房结自律细胞的节律性兴奋活动是心肌电兴奋的源头，任一时刻心肌兴奋传导所达的面，或者说任一时刻发生去极的心肌构成的面称为去极面。兴奋的传导也就是去极面在心肌中的推进。因此，常把兴奋的传导过程称为去极波的传导过程。任一时刻的去极面就是去极波的波前。心脏是一个不规则空间体，心肌纤维传导兴奋的能力差异又很大，特别是在心肌中存在一系列特殊分化了的心肌细胞组成的传导系统，所以兴奋传导过程中去极面的大小和空间方位是时刻变换的为了理解心电活动规律，必须对心脏的传导系统有一个概括的了解。人体心脏的原发性起博兴奋点—窦房结位于上腔静脉和右心房的交界处。在正常时，有窦房结的起博细胞每分钟自发地产生 50～100 次可传导的动作电位。
这种电兴奋以有序方式通过心房内的传导束，首先激活右心房，然后是左心房。兴奋通过房室结时，稍有延迟，然后进入希氏束，左、右束支到达普金野（Purkinje）氏网，普金野氏网是个大而特化的传导细胞系统，它分布在两个心室内膜下，电兴奋通过普金野氏网迅速激动心室壁的普通工作性心肌细胞。这样，电兴奋波传播到整个心脏，从而完成一次正常的心博动。
这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面上来，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化。