本文通過三導(dǎo)聯(lián)采集人體的心電信號(hào)，依次通過前置放大、高通濾波、50HZ陷波、主放大和低通濾波電路，得到可以在示波器上較清楚顯示的心電圖。其中，第一級(jí)前置放大是CMRR很大的差動(dòng)放大器，此處采用儀用放大器AD620，放大倍數(shù)固定為10的電路；第二級(jí)是二階有源高通濾波器電路，所設(shè)計(jì)的截止頻率為0.05Hz；第三級(jí)是50hz陷波電路，能有效去除50HZ工頻干攏；第四級(jí)是主放大，放大倍數(shù)為100倍，采用TL084；第五級(jí)為低通濾波器電路，所設(shè)計(jì)的截止頻率為100Hz。該電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低溫漂和高信噪比等特點(diǎn),很好地滿足心電采集設(shè)備的要求，電路簡單可靠，可行性強(qiáng)。

1 引言

心血管疾病是人類死亡的主要疾病之一，許多患者心臟病發(fā)作后由于未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和搶救極易發(fā)生死亡。然而由于心律失常的出現(xiàn)常常是偶發(fā)的，使用通常的心電圖機(jī)等短程分析方法不易發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在較為有效的方法就是采用記錄2小時(shí)以至更長時(shí)間的心電圖并加以分析以期捕捉到心律失常波形。

心電放大電路設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求：⑴在測(cè)量過程中不允許影響正常的生理過程；⑵測(cè)得的生理信號(hào)不得失真；⑶最大可能地將信號(hào)與各種干擾分離；⑷一旦有電擊事故等危險(xiǎn)情況發(fā)生必須對(duì)病人提供有效地保護(hù)。其中，⑴、⑵、⑷直接與前置放大器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣有關(guān)，⑶主要靠后級(jí)的濾波電路實(shí)現(xiàn)，但是仍依賴前置級(jí)的成功設(shè)計(jì)。

本文研究設(shè)計(jì)了一種低功耗、結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高的心電放大器，在此基礎(chǔ)上可研制出便攜式動(dòng)態(tài)心電記錄儀。該儀器的最大優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、實(shí)用、低功耗且成本低廉，對(duì)各中小型醫(yī)院的危重病人的搶救和家庭監(jiān)護(hù)有較好的實(shí)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)的心電放大器包括前置放大電路、高通濾波電路、陷波電路、低通放大電路和主放大輸出電路五個(gè)部分。

2 心電信號(hào)的產(chǎn)生及特征

心臟是人體中血液循環(huán)的動(dòng)力源泉，依靠心臟的有節(jié)律性的搏動(dòng)，使得血液不斷在體內(nèi)循環(huán)，以維持正常的生命活動(dòng)。

圖2.1 正常心電圖的波形圖

心臟在搏動(dòng)之前，心肌首先發(fā)生興奮，在興奮過程中產(chǎn)生微弱的電流，該電流經(jīng)人體組織向各部分傳導(dǎo)，由于身體各部分的組織不同；各部分與心臟間的距離不同，因此在人體體表各部位，表現(xiàn)出不同的電位變化，這些電位變化可通過導(dǎo)線送至記錄裝置即心電圖機(jī)記錄下來，形成動(dòng)態(tài)曲線，這就是所謂心電圖(electrocardiogram，ECG)，也稱為體表心電圖。正常的人體心電圖可以反映心臟激動(dòng)電位的變化，是由一系列重復(fù)出現(xiàn)的下列各波、段和間期組成。

2.1 心電信號(hào)的特點(diǎn)

（1）微弱性：從人體體表拾取的心電信號(hào)很微弱，一般只有0.05mV～5mV。

（2）不穩(wěn)定性：人體電信號(hào)處于動(dòng)態(tài)變化之中。由于人體是一個(gè)與外界有密切關(guān)系的開放系統(tǒng)，加之內(nèi)部存在著器官間的相互影響，所以，無論來自外部或者內(nèi)部的刺激，都會(huì)使人體因適應(yīng)這種變化，而從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)，從而使人體信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，在對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、分析和處理時(shí)，應(yīng)該注意到它是隨時(shí)間變化的信號(hào)，應(yīng)按其頻譜特性，選擇適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)和顯示記錄裝置。

（3）低頻特性：人體心電信號(hào)的頻譜范圍主要集中在0.05～100Hz，分布的帶寬范圍有限，其頻率是比較低的。

（4）隨機(jī)性：人體心電信號(hào)是反映人體機(jī)能的信號(hào)，它是整個(gè)人體系統(tǒng)信息的一部分。由于人體的不均勻性以及可接收多通道輸入，信息易隨外界干擾而變化，從而使心電信號(hào)表現(xiàn)出隨機(jī)性。

2.2 心電信號(hào)的常見噪聲

心電信號(hào)具有微弱、低頻、和高阻抗等特性，極其容易受到干擾，所以分析干擾的來源，以便采取相應(yīng)的濾除措施，是數(shù)據(jù)采集重點(diǎn)考慮的一個(gè)問題。常見干擾有如下幾種：

（1）工頻干擾。由于供電網(wǎng)絡(luò)無所不在，因此50Hz的工頻干擾是最普遍的，也是心電信號(hào)的主要干擾來源。它主要通過人體和測(cè)量系統(tǒng)的輸入導(dǎo)線的電容性耦合，以位移電流的形式引入，其強(qiáng)度足以淹沒有用的心電信號(hào)。

（2）呼吸引起的基線漂移和ECG（心電信號(hào)）幅度改變。呼吸引起的基線漂移可以看成是一個(gè)以呼吸的頻率加入ECG信號(hào)的竇性成分(正弦曲線)。這個(gè)正弦成分的幅度和頻率是變化的。呼吸所引起的ECG信號(hào)的幅值的變化可以達(dá)到15％?；€漂移的頻率約是從0.1Hz一0.3Hz。

（3）高頻電磁場(chǎng)干擾。隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，各種頻段的無線電廣播、電視發(fā)射臺(tái)、通訊設(shè)備、雷達(dá)等的工作使空中的電磁波大量增加。這些高頻電磁干擾也可通過測(cè)量系統(tǒng)與人體連接的導(dǎo)線引入，可能引起測(cè)量結(jié)果的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使測(cè)量系統(tǒng)不能工作。

（4）電極極化干擾。心電的獲取是通過在人體體表放置電極來進(jìn)行的。與電極接觸的是電解質(zhì)溶液(導(dǎo)電膏、汗液或組織液等)，從而會(huì)構(gòu)成一個(gè)金屬—電解質(zhì)溶液界面，因電化學(xué)的作用，在二者之間會(huì)產(chǎn)生一定的電位差，稱之為極化電壓。極化電壓的幅度一般較高，在幾毫伏到幾百毫伏之間。當(dāng)兩電極狀態(tài)不能保持對(duì)稱時(shí)，極化電壓就會(huì)產(chǎn)生干擾，特別是在電極與皮膚接觸不良以致脫落的情況下更為嚴(yán)重。

（5）肌電干擾。興奮和收縮是肌肉的最基本功能，在神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，肌肉機(jī)械性活動(dòng)并伴隨有生物電活動(dòng)。這些生物電活動(dòng)產(chǎn)生的電位差隨時(shí)間變化的曲線即為肌電圖。肌電通常是一種快速的電變化，其頻率范圍為20—5000Hz。

（6）測(cè)量設(shè)備本身的干擾。信號(hào)處理所采用的電子設(shè)備本身也會(huì)產(chǎn)生儀器噪聲。這類干擾一般具有較高的頻率特性，容易通過低通濾波加以濾除。

3 心電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)用于心電監(jiān)護(hù)儀的心電放大器，心電信號(hào)的幅度范圍為0.01 mV～5mV，放大器的供電電壓為±5V，要求放大器與后續(xù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器相連接，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為0～5V。

主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）輸入阻抗：≥5MΩ

（2）輸入偏置電流：<2nA

（3）等效輸入噪聲：<30uVpp

（4）共模抑制比：50Hz正弦信號(hào)的共模抑制比≥90dB

（5）耐極化電壓：±300mV

（6）漏電流：<30uA

（7）頻帶：0.05～100Hz

具體要求：

（1）設(shè)計(jì)放大器電路；

（2）計(jì)算電路中個(gè)元器件的參數(shù)值；

（3）具體選擇電路中所用元器件的型號(hào)，并對(duì)選擇的關(guān)鍵元器件說明其選擇理由。

4 心電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)

本電路設(shè)計(jì)主要由五部分組成：前置放大電路，高通濾波電路、50Hz陷波電路、低通濾波電路和主放大輸出電路。系統(tǒng)框圖如下圖所示：

圖4.1 心電放大器系統(tǒng)框圖

從心電電極得到的心電信號(hào)先要經(jīng)過前置放大電路，被處理后的信號(hào)具有低噪聲、低漂移、低共模抑制比等性能。這時(shí)候的心電信號(hào)主要受到工頻、肌電等信號(hào)的干擾，可通過相關(guān)的信號(hào)調(diào)整電路對(duì)其進(jìn)行處理?，F(xiàn)分別對(duì)各單元電路設(shè)計(jì)如下：

4.2 前置放大電路

前置放大器是硬件電路的關(guān)鍵所在，設(shè)計(jì)的好壞直接影響信號(hào)的質(zhì)量，從而影響到儀器的特性。除了要求精度高穩(wěn)定之外，根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，前置級(jí)應(yīng)該滿足下述要求：

（1）高輸入阻抗。被提取的心電信號(hào)是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻的微弱信號(hào)，為了減少信號(hào)源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。一般情況下，信號(hào)源的內(nèi)阻為100kΩ，則放大器的輸入阻抗應(yīng)大于1MΩ。

（2）高共模抑制比（CMRR）。人體所攜帶的工頻干擾以及所測(cè)量的信號(hào)以外的生理信號(hào)的干擾，一般為共模干擾，前置級(jí)須采用CMRR高的差動(dòng)放大形式，以減少共模干擾的傳遞。

（3）低噪聲、低漂移。主要作用是對(duì)源信號(hào)的影響小，拾取信號(hào)的能力強(qiáng)，能夠防止輸出飽和、使輸出穩(wěn)定。

（4）高增益:心電信號(hào)的幅度范圍為0.5～5mV，頻響：0.05～100Hz，屬于微弱信號(hào)，因而需要的放大器增益較高。

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前置放大電路如下圖所示

圖4.2 前置放大電路圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求采用高精度儀用放大器AD620,。AD620是一種只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為1—1000的低功耗、高精度儀表放大器。盡管AD620由傳統(tǒng)的三運(yùn)放放大器發(fā)展規(guī)律而成,但一些主要性能卻優(yōu)于三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器設(shè)計(jì),電源范圍寬(±2.3V--±18V),設(shè)計(jì)體積小,功耗非常低(最大供電電流僅為1.3mA)因而使用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖4.3 AD620芯片引腳圖

所以設(shè)計(jì)出的前置級(jí)放大倍數(shù)為：

人體接地是造成觸電事故的一個(gè)重要原因，因此取消人體接地是最根安全用電措施。人體接地本來就是在沒有高質(zhì)量的放大器情況下采取少共模信號(hào)的應(yīng)急措施。測(cè)量心電圖時(shí)，如果病人右腳不接地，由于雜散分布電容的影響，病人身上將會(huì)產(chǎn)生很高的共模電壓。因此，最理想的方法是設(shè)計(jì)出一種既能減少共模干擾又能取消人體接地的電路。右腿驅(qū)動(dòng)的工作原理是將由人體體表獲得的共模電壓通過負(fù)反饋放大的方式輸回人體，從而達(dá)到抵消共模干擾的作用，從根本上抑制共模電壓。

右腿驅(qū)動(dòng)電路

圖4.4 加右腿驅(qū)動(dòng)的前置放大電路圖

4.3 高通濾波電路

由于心電信號(hào)微弱，需要多級(jí)放大，而多級(jí)直接耦合的直流放大器雖能滿足要求，但多級(jí)直接耦合的直流放大器容易引起基線飄移。此外，由于極化電壓存在的緣故，動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)的直流放大器更不能采用多級(jí)直接耦合。本裝置中，在兩級(jí)放大器之間采用RC耦合電路，即時(shí)間常數(shù)電路，在隔離直流信號(hào)的同時(shí)達(dá)到高通濾波的效果。我們?nèi)r(shí)間常數(shù)約為3.2s，這樣可確定電阻、電容值，在兩級(jí)之間組成高通濾波器?？傻棉D(zhuǎn)折頻率為：

本設(shè)計(jì)采用的高通濾波電路為二階壓控電源型高通濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其電路圖如下圖所示：

圖4.5 高通濾波器電路圖

4.4 50Hz陷波電路

心電信號(hào)由于頻率低、信號(hào)小、因此50Hz的工頻干擾特別嚴(yán)重。工頻干擾信號(hào)通過周圍儀器設(shè)備以及人體內(nèi)的分布電容混淆在心電信號(hào)之中，影響測(cè)量效果。為了去除人體或者測(cè)量系統(tǒng)中的工頻50Hz干擾，需要用帶阻濾波器（即陷波器）予以抑制。

由前面前置放大器的設(shè)計(jì)可知，本系統(tǒng)通過右腿電路和放大器AD620自身的特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電信號(hào)中的共模干擾較好抑制，但還是有部分50Hz工頻干擾順利通過了前置放大器，仍保留在了心電信號(hào)中。由于50Hz工頻干擾是心電信號(hào)中的主要干擾，并且它的頻率正好處在0.05～100Hz的頻帶范圍之內(nèi)，再加上其它的不穩(wěn)定因素，剩余的工頻干擾信號(hào)還比較強(qiáng)，因此，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路將它們?yōu)V除。所以，為了將心電信號(hào)頻帶范圍之內(nèi)的50Hz工頻干擾信號(hào)濾除，同時(shí)保證其它信號(hào)毫無衰減地通過，在本系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)一個(gè)陷波器（即帶阻濾波器），它負(fù)責(zé)完成抑制50Hz工頻干擾信號(hào)，而讓其他頻率通過。經(jīng)過研究比較，采用的是二階壓控電壓源帶阻濾波器（巴特沃斯響應(yīng)），其具體電路如下所示：

圖4.6 50Hz陷波電路圖

4.5 主放大電路

由于心電信號(hào)的幅度很小，一般只有１mv左右，而系統(tǒng)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的芯片的電壓輸入范圍是0～5V，因此，僅僅靠前置放大電路所實(shí)現(xiàn)的10倍放大還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要增加一級(jí)主放大電路來提高整個(gè)心電放大電路的增益。由于前置放大器已經(jīng)完成對(duì)心電信號(hào)的10倍放大，公式為：

因此，該電路還需要一個(gè)100放大的主放大電路，最終實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的1000倍放大，將1mv信號(hào)放大成1V的轉(zhuǎn)換要求。所設(shè)計(jì)的主放大電路如下圖所示：

圖4.7 主放大電路圖

4.6 低通濾波電路

由于電磁干擾越來越嚴(yán)重，所以心電信號(hào)在采集過程中不僅有50Hz的工頻干擾和低頻、直流分量的干擾，還有高于100Hz高頻諧波的嚴(yán)重干擾，有必要進(jìn)行低通濾波電路的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的低通濾波電路為二階壓控電源型低通濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其電路圖如下圖所示：

圖4.8 低通濾波器電路圖

根據(jù)傳遞函數(shù)得該電路的截止頻率與品質(zhì)因數(shù)表達(dá)式分別為：

5 Multisim電路仿真結(jié)果

5.1 前置放大電路仿真

輸入：幅值為2mv,頻率為80Hz的正弦波

圖5.1 前置電路仿真輸入輸出結(jié)果圖

從圖中我們可以看出放大倍數(shù)約為10倍，仿真結(jié)果與理論計(jì)算差不多。

5.2 高通濾波電路仿真

輸入：幅值為20mv,頻率為80Hz的正弦波

轉(zhuǎn)折頻率大概0.05Hz

圖5.2a高通濾波電路仿真波特圖

圖5.2b高通濾波電路仿真輸入輸出圖

從仿真結(jié)果可以看到高通濾波器對(duì)80Hz的正弦波無減少

5.3 50Hz陷波電路仿真

輸入：幅值為10mv,頻率為50Hz的正弦波，波特圖如下圖所示：

能有效減少50Hz工頻干擾

圖5.3a 50Hz陷波電路仿真波特圖
輸入信號(hào)幅值

圖5.3b 50Hz陷波電路仿真輸入輸出圖

從仿真結(jié)果可以看出對(duì)50Hz的正弦波信號(hào)有較好的抑制作用，符合設(shè)計(jì)要求。

5.4 主放大輸出電路仿真

輸入：幅值為10mv,頻率為50Hz的正弦波,輸出波形如下圖所示：

圖5.4 主放大電路仿真輸入輸出圖

從仿真結(jié)果可以知道大概放大了100倍，與理論設(shè)計(jì)相符合。

5.5 低通濾波電路仿真
轉(zhuǎn)折頻率大概在100Hz

圖5.5低通濾波電路仿真

5.6 總體電路仿真

輸入80Hz，2mV的正弦波信號(hào)，輸出波形和波特圖如下圖所示：

圖5.6a 總體電路波特圖

最初輸出信號(hào)的幅值

最終輸出信號(hào)的幅值

圖5.6b 總電路仿真輸入輸出圖

從總電路仿真可以看出輸入2mv,輸出2V.,放大了1000倍左右，符合設(shè)計(jì)要求。

6 硬件電路的調(diào)試和測(cè)量

6.1電路焊接

當(dāng)電路設(shè)計(jì)好后，準(zhǔn)備進(jìn)行電路的焊接。

（1）準(zhǔn)備器件：準(zhǔn)備好焊接時(shí)所需要的器材，理好要焊接的器件，分類放好；

（2）在用烙鐵前檢查烙鐵是否接地良好，把烙鐵頭用海綿洗干凈鍍上錫。焊接時(shí)溫度不要過高，時(shí)間不要過久。注意焊點(diǎn)的透滲性，點(diǎn)與點(diǎn)的間距，松香與焊錫膏的配合。

（3）焊接前先對(duì)電路進(jìn)行初步布局，做到心中有數(shù)，臨時(shí)布線會(huì)出現(xiàn)很多意想不到的問題。

（4）開始焊接主器件，并且邊焊接邊測(cè)試各個(gè)電源與地是否存在短路現(xiàn)象，焊接好一部分（功能模塊）后立即進(jìn)行測(cè)試，待正常后再焊接下一部分，直到所有的器件都焊接完畢；

（5）焊好后必須檢查所焊件是否有虛焊，沒焊，錯(cuò)焊，短路現(xiàn)象。

6.2 電路調(diào)試

（1）目測(cè)檢查

檢查各個(gè)元器件是否焊接正確（方向、極性，阻值）。檢查每個(gè)焊點(diǎn)是否焊好，應(yīng)無漏焊、虛焊、焊點(diǎn)均勻、光潔、焊錫適量、是否有短路

（2）電路板檢查檢查（用萬用表檢查）

對(duì)照電路原理圖，不插芯片，只是對(duì)電阻、電容進(jìn)行檢測(cè)，檢查、測(cè)量各個(gè)元器件管腳之間的連接是否正確。（每個(gè)芯片，每次上電之前都要進(jìn)行如下檢查）：檢查正電源與負(fù)電源之間是否短路；檢查正電源與地之間是否短路；檢查負(fù)電源與地之間是否短路；檢查運(yùn)放輸出與正電源、負(fù)電源、地之間是否短路。

檢查無誤后，在檢查各部分聯(lián)接正確無誤的情況下，插上芯片通電檢查，打開電源開關(guān)，進(jìn)行測(cè)試。

（3）.這是才是真正調(diào)試的開始，調(diào)試過程中，會(huì)出現(xiàn)很多問題，比如沒有信號(hào)輸出、信號(hào)失真等。在實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)試電路的第一件事情就是測(cè)試電源，這直接關(guān)系到芯片的安全和能否正常使用，待電源正常后再進(jìn)行下一步測(cè)試；電路要一級(jí)一級(jí)地進(jìn)行測(cè)量，上級(jí)接通之后再看下一級(jí)。

圖6.1 焊接中的電路圖

連接好的硬件示意圖如下：

圖6.2 焊接好的電路圖

6.3 電路各個(gè)模塊的調(diào)試

焊好電路后，要進(jìn)行電路板的調(diào)試。首先要對(duì)電路的各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)送入各個(gè)模塊的輸入端，通過檢測(cè)輸出波形，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器對(duì)各個(gè)模塊的性能進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)試。

（1）AD620模塊

當(dāng)輸入1mV，20Hz正弦波信號(hào)時(shí)，通過示波器可測(cè)試出信號(hào)經(jīng)AD620模塊后的輸出電壓大致為9.7mV，可計(jì)算出該模塊的放大倍數(shù)為9.7，比較接近理論值10倍。

（2）高通濾波模塊

將AD620模塊輸出的信號(hào)接入高通濾波模塊，用示波器測(cè)試其輸出電壓大致為9.7mV，高通濾波器對(duì)效果不錯(cuò)。

（3）陷波器模塊

在單模塊在測(cè)試過程中，首先陷波器輸入端輸入1V，50Hz的正弦波信號(hào)，用示波器測(cè)試其輸出電壓大致為36mV, 陷波器效果好。

（4）主放大器模塊

主放大器輸入端輸入10mV，20Hz的正弦波信號(hào)，用示波器測(cè)試其輸出電壓大致為960mV，可計(jì)算出該模塊的放大倍數(shù)比較接近理論值100。

（5）低通濾波模塊

將主放大輸出的信號(hào)接入低通濾波模塊，用示波器測(cè)試其輸出電壓大致為1V，低通濾波器效果不錯(cuò)。

將調(diào)試好的各模塊連接起來，輸入2mV，20Hz的正弦波信號(hào)，檢測(cè)到的信號(hào)波形如下圖所示：

圖6.3 得到的總體電路的信號(hào)波形

6.4 頻帶的測(cè)試

放大器的頻帶可分別由設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的低通及高通濾波器來確定。用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2mV的信號(hào)，通過改變輸入頻率來測(cè)得頻帶范圍大概為0.05Hz~100Hz，其中50Hz陷波處，信號(hào)幅值為160mV,測(cè)量結(jié)果如下圖所示：

從上圖可看出，除去采集過程中由于示波器或其他原器件帶來的誤差外，該心電采集放大電路的通頻帶大致符合設(shè)計(jì)要求，即通頻帶為：0.05Hz～100Hz。并且還可看出在50Hz附近有明顯的衰減。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

7.1 心電測(cè)量結(jié)果

將兩輸入端和地線分別通過心電電極和左手、右手還有右腿相連，通過示波器來觀察采集到的心電信號(hào)如下：

7.2 心電信號(hào)結(jié)果分析

（1）高輸入阻抗

測(cè)試方法：將輸出信號(hào)接地，電路上電后測(cè)量兩輸入信號(hào)之間的阻抗。

測(cè)試結(jié)果：測(cè)得地輸入阻抗大約為9.06M，指標(biāo)要求中，前級(jí)放大電路的輸入阻抗要大于5MΩ，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

（2）共模抑制比

共模抑制比(CMRR)是差動(dòng)放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)。為抑制信號(hào)中所攜帶的共模干擾，生物電放大器的共模抑制比一般要達(dá)到60dB到80dB，本設(shè)計(jì)要求為100dB。由于心電信號(hào)大多幾種在0-45Hz之間，因?yàn)檫x取其中的一個(gè)頻率17Hz來對(duì)其共模抑制比進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)試方法：信號(hào)輸入的兩個(gè)信號(hào)中，一個(gè)信號(hào)接地，另一個(gè)信號(hào)接入一個(gè)較小的信號(hào)（若信號(hào)過大，能有可能因?yàn)榉糯笠约半娫吹脑颍斐尚盘?hào)失真），測(cè)量信號(hào)的輸出，并計(jì)算出差模增益；信號(hào)輸入的兩個(gè)信號(hào)同時(shí)接輸入信號(hào)（由于信號(hào)會(huì)被抑制，因此此時(shí)應(yīng)選擇較大的輸入信號(hào)，我選擇的為12V），測(cè)量信號(hào)的輸出，并計(jì)算出共模增益。共模抑制比（CMRR）定義為放大器的開環(huán)差動(dòng)增益與共模增益之比。

測(cè)試結(jié)果：

經(jīng)檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的共模抑制比為94dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）放大倍數(shù)

測(cè)試方法：測(cè)試不同頻率時(shí)信號(hào)的差模輸出，輸出信號(hào)比上輸入信號(hào)，得其放大倍數(shù)。

測(cè)試結(jié)果：由前面計(jì)算可知，該心電放大器放大倍數(shù)理論上為1020倍，當(dāng)輸入2mV，20Hz正弦信號(hào)經(jīng)放大后在示波器上顯示如下圖：

圖7.3 輸入與輸出信號(hào)對(duì)比圖

實(shí)際側(cè)得的放大倍數(shù)為A=1.82/0.02=910倍。

4）偏置電流

要求所采用的偏置電流：<2nA。TL084CD的偏置電流為30pA，滿足偏置電流小于2nA的要求。

5）輸入噪聲

測(cè)試方法：將兩輸入端短接，然后接地，測(cè)量輸出端的峰-峰值，所得的信號(hào)就是噪聲。再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路的放大倍數(shù)，即可求得該電路的輸入噪聲。

通過測(cè)量可得，輸入短接后，輸出信號(hào)的峰-峰值為200mV,電路放大倍數(shù)為1000倍，因此該輸入噪聲為0.2uV，滿足噪聲小于30uVpp的要求。

6）頻率響應(yīng)測(cè)試方法：測(cè)電路的不同頻率時(shí)的輸出信號(hào)，輸入信號(hào)幅值為2mV，測(cè)試不同頻率下的幅值大小。如下表所示：測(cè)試結(jié)果：

由上表數(shù)據(jù)可以看出濾波器的通頻帶寬大概為：0.05Hz—100Hz。與理論值差不多。

8 總結(jié)與體會(huì)

通過這次焊接心電放大器的實(shí)驗(yàn)，我學(xué)會(huì)了關(guān)于電路的很多知識(shí)，很多東西不只是看就能得來的，必須要親自動(dòng)手焊接。而且在實(shí)驗(yàn)尤其是調(diào)試電路的過程中遇到很多問題，需要耐心和細(xì)致的檢測(cè)，一步一步的調(diào)試，在每次開始測(cè)量之前，都需要測(cè)量電源和地之間、電源與電源之間是否短路之后再插芯片……實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)很多的問題，這就需要扎實(shí)的焊接的基本功和豐富的經(jīng)驗(yàn)，這都是我以后需要加強(qiáng)的地方。該心電放大器基本實(shí)現(xiàn)了技術(shù)指標(biāo)。

通過實(shí)際設(shè)計(jì)心電放大電路，不斷地查閱文獻(xiàn)和書籍，不僅鞏固了基礎(chǔ)知識(shí)，還從中學(xué)到了很多東西，注意到了許多以前沒有注意到的問題。對(duì)有源濾波器、陷波器等基本的常見的電路的設(shè)計(jì)有了更深入的理解。同時(shí)，經(jīng)過這次心電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)，使得我們對(duì)心電信號(hào)有了一定程度的了解，并掌握了生物電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)的基本原理，對(duì)噪聲和干擾也有了新的認(rèn)識(shí)。當(dāng)然最重要的還是學(xué)會(huì)了對(duì)電路參數(shù)的測(cè)量方法，這在以后的實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，都是非常有用的。附錄（心電放大器全圖）