心电放大器的设计与仿真

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电子线路CAD （短学期） 心电放大器的设计与仿真

电子科学与技术 12041836 吴佐安

1、概论：

心血管疾病是人类死亡的主要疾病之一，许多患者心脏病发作后由于未能及时发现和抢救极易发生死亡。然而由于心律失常的出现常常是偶发的，使用通常的心电图机等短程分析方法不易发现，现在较为有效的方法就是采用记录24小时以至更长时间的心电图并加以分析以期捕捉到心律失常波形。本文研究设计了一种低功耗、结构简单、性价比高的心电放大器，在此基础上可研制出便携式动态心电记录仪。该仪器的最大优点是电路简单、实用、低功耗且成本低廉，对各中小型医院的危重病人的抢救和家庭监护有较好的实用价值。

2、系统概述：

2．1在进行系统介绍之前，要明白的几个概念： 2．1．1心电图

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。

A 、模拟心电图

B 、标准的心电图

心电图可分为普通心电图、24小时动态心电图、His 束电图、食管导联心电图、人工心脏起搏心电图等。应用最广泛的是普通心电图及24小时动态心电图。

2．1．2心电导联

为了记录心电，将探测电极安置于体表相隔一定距离的两点，此两点即构成一个导联，

两点的连线代表连轴，具有方向性。临床常用的导联方式有肢体导联和胸前导联，肢体导联又有标准导联和加压单极肢体导联之分。

临床中广泛应用的是标准十二导联系统，分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个标准导联，aVR 、aVL 、aVF 三个加压导联以及V1-V6六个胸极导联。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ主要是反应左手、右手以及左腿任两电极间的电压差，无探查电极和无关电极之分，是双极导联。双极导联就是拾取两个测试点的电位差。aVR-V6是单极导联，就是拾取某一点相对参考的电位。由一个无关电极和探查电极所组成，其P 波明显，利于诊断心律失常（V1）和左前壁心肌缺血（V5、V6）。标准导联的特点广泛地反映了心脏的大概情况，如：后壁心肌梗塞、心律失常等，往往Ⅱ、Ⅲ导联可以记录到清晰的波形。

2．2心电信号的特点及对放大电路的要求

心电信号的特点：信号十分微弱，常见的心电频率一般在0.05～100Hz 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，一般在几百千欧以上。在检测生物电信号的同时存在强大的干扰，主要有电极移动引起基线漂移(一般小于1Hz) ，电源工频干扰(50Hz)，肌电干扰(几百Hz 以上) 。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(80dB以上) 。电极移动引起基线漂移是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mV ，因此，心电放大器的前级增益不能过大。由于信号源内阻可达几十K Ω、乃至所以，心电放大器的输入阻抗必须在几M Ω以上。同时在有源低通滤波器中要求能够有效地滤除与心电信号无关的高频信号，最后在设计要求对某一频段的信号能够抑制或衰减。通过系统调试，最后得到放大、无噪声干扰的心电信号。

3、心电放大器

3.1 介

心电放大器即心电图(Electrocardiogram)信号放大器。将Ag/AgCI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高精度、低功耗CMOS 运放LMC6035构成的前置放大器放大后, 再经滤波处理后进行信号位移, 然后进入ADC 进行模数转换, 送记录仪或液晶显示。因此一个高阻抗、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可以采用如图1所示的硬件结构。

C 、心电放大器原理框图

3.2 定心电放大器的性能指标

(1)人体心电信号幅度一般在50V~5mV,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1000左右;

(2)信号的频率范围(通频带) 一般为0.05~200Hz;

(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k, 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10M;

(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80dB;

(5)要求具有低噪声和低漂移特性。 3.3 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)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CMOS 运放LMC6035构成前置放大器, 该运放能实现高输入阻抗和低噪声。

第1级:A1、A2、A3及相应电阻构成前置放大器。本级总的差模增益为40。

选用对称的电阻参数可保证放大器有较好的抗共模干扰能力, 同时为避免输入端开路时放大器出现饱和状态, 满足差模输入阻抗大于10M 要求, 在两个输入端到地之间分别串接两个20M 电阻R11、R12。

(3)由于200Hz 以上的干扰信号较强而0.05Hz 以下的干扰信号相对较弱, 故在滤波电路中, 采取先低通滤波取出200Hz 以下的信号, 然后接高通的方式, 这样就能滤除极化电压信号得到心电信号。

第2级:A4及电阻、电容组成带通滤波器。为满足带宽要求, 其中高通滤波器由C1、R8构成, 下限频率为fL=0.05Hz。而低通滤波器由C2、R10构成, 上限频率为fH=200Hz。

由于在滤波电路中采用了RC 高通滤波电路, 该电路具有较高的输出阻抗, 所以后级放大采用了同相放大电路, 该级差模增益为25, 从而保证整个电路放大倍数为1000倍左右。

另外, 由于带通滤波器的特性参数对元器件的精度很敏感, 因此在设计中需用精密的阻容元件多级级联来获得较好的效果。

0Vdc

D 、整体电路原理图

4、PSPICE 仿真分析

PSPICE 是美国MicroSim 公司开发的电子线路设计仿真软件, 也是当今世界上较流行的通用电路分软件, 具有强大的分析计算能力和较高的精度。现使用OrCAD/PSPICE9软件对心电放大器设计电路进行功能分析及指标测量。

E 、仿真输出波形

(1)通过瞬态分析(TransientAnalysis)可知, 该放大器能完成正常的放大功能, 当输入信号在0.05~5mV时, 输出波形没有失真, 放大器的差模电压增益为Uo/Ui=1000。

(2)通过直流小信号传递函数值分析(SmallsignalDCTransfer)可知该放大器的差模输入电阻为40M, 共模输入电阻为10M 。

(3)交流扫描分析(ACSweep)可验证小信号电压

或电流的幅度与相位频率响应。该放大器的幅频响应特性曲线(见图F), 可见在通频带内输出信号很稳定。

F 、幅频响应特性曲线

5、结语

想要获得清晰稳定的心电信号, 心电放大器中前置放大器与滤波器的设计很关键。而利用电子电路设计仿真软件对电路进行设计、分析, 获得电路的技术指标, 再进行参数修改和电路优化设计, 从而可快速、精确地评价电路设计的正确性, 节省实际测试费用, 缩短设计开发周期。