心电图信号放大器
心电放大器的设计与仿真
电子线路CAD短学期设计报告学院：电子信息学院学号： ********班级： 15040211姓名：***日期： 2017年3月11日一、实验目的通过一个实例来说明Pspice对设计方案和具体电路进行分析的过程，理解电路的自上而下的设计方法。
二、实验原理设计一个心电图信号放大器。
已知:(1）心电信号幅度在50μV～5mV之间，频率范围为0.032Hz～250Hz。
(2）人体内阻、检测电极板与皮肤的接触电阻(即信号源内阻)为几十千欧。
(3）放大器的输出电压最大值为-5V～+5V。
1、确定总体设计目标由已知条件（1)可知该放大器的输入信号属于微弱信号,所要求的放大器应具有较高的电压增益和低噪声、低漂移特性。
由已知条件（2)可知,为了减轻微弱心电信号源的负载,放大器必须有很高的输入阻抗。
另外，为了减小人体接收的空间电磁场的各种信号(即共模信号)，要求放大器应具有较高的共模抑制比。
因此，最后决定的心电放大器的性能指标如下：差模电压增益：1000(5V/5mV)；差模输入阻抗： >10MΩ；共模抑制比：80dB；通频带：0.05Hz～250Hz。
2、方案设计根据性能指标要求,要采用多级放大电路，其中前置放大器的设计决定了输入阻抗,共模抑制比和噪声,可选用BiFET型运放,本设计采用了LF4111型运放(其中Avo=4 10 ,Rid≈4 10 Ω,Avc=2)，由于单极同相放大器的共模抑制比无法达到设计要求(可通过Pspice 仿真波形看出)，本设计采用了由三个LF411型运放构成的仪用放大器。
第二级放大器的任务是进一步提高放大电路的电压增益，使总增益达到1000。
其次为了消除高、低噪声，需要设计一个带通滤波器。
因为滤波器没有特殊要求，本设计可采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波器构成的带通滤波器。
3、详细设计根据上述设计方案，确定了心电放大电路的原理图，如图5-1所示。
A1、A2、A3及相应的电阻构成前置放大器，其差模增益被分配为40，其中A1、A2构成的差放被分配为16，其计算公式为：Avd1=(Vo1-Vo2)/Vi=(R1+R2+R3)/R1，Avd2=Vo3/(Vo1-Vo2)=-R6/R4=1.6。
心电信号放大系统.
院系：电子与电气工程学院课程名称：电子系统设计班级：姓名：学号：指导老师：心电信号放大系统摘要人体的心脏是循环系统的核心，心脏的活动是由生物电信号引发的机械收缩。
在人体这个三维空间导体当中，这种生物电信号可以波及人体各个部分，在人体体表产生规律性的电位变化。
在人体体表的一定位置安放电极，按时间顺序放大并记录这种电信号，可以得到连续有序的曲线，这就是心电图。
这次主要分析了心电信号放大系统的特征。
心电信号的各种生理参数都是复杂生命体(人体)发出的强噪声条件下的弱信号(除体温等直接测量的参数外)，心电信号的幅度在l o肛V～4mV之问，频率范围为O．05一l 00Hz，淹没在50Hz的工频干扰和人体其他信号之中，检测过程及方法较复杂。
去除信号检测过程的干扰和噪声、进行心电信号的分析是心电仪器的重要功能之一，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。
这次设计了一个心电信号检测放大电路仿真，充分考虑了人体心电信号的特点，采用前置差动放大+带通滤波器+50Hz陷波器(带阻滤波器)组成的模式，并且利用Mu l t i s i m软件对相应的电路进行仿真，仿真结果表明电路的放大滤波性能很好，硬件电路搭建后的实验结果也表明，电路能够很好地完成人体心电信号的检测放大。
心电图日前已广泛应用于诊断疾病、体检、手术麻醉、用药观察、航天航空、潜水、登山运动、科考，以及各种危重病人的抢救、突发公共卫生事件等领域，是医生和科研的一件利器。
它的主要应用集中在七个方面，分别说明如下：(1)、对鉴别各种临床上暂时不能确诊的心律失常最有实际意义。
(2)、帮助确定心肌病变。
如心肌梗塞、心肌炎、心绞痛及慢性冠状动脉供血不足等。
(3)、急性心包炎、缩窄性心包炎的辅助诊断。
(4)、提示心房、心室肥厚扩大的情况，从而协助临床诊断。
例如风湿性膜病、肺心病及先灭性心肼：瘸等。
(5)、提示药物的影响。
例如洋地黄、奎尼丁、吐根碱和某些抗癌药物(如阿霉素)等，在用药过程中如影响心脏，心电图可及时反映。
心电图用放大器的设计注意事项
心电图用放大器的设计注意事项心电图是一种测量心脏电活动的重要工具，而放大器的设计对于心电图的准确性和可靠性起着至关重要的作用。
以下是心电图用放大器设计时需要注意的几个关键方面：1.噪声控制：心电图信号较小且容易受到噪声的干扰，因此放大器设计应具备良好的噪声控制能力。
首先，需要选择低噪声运算放大器作为信号放大的核心。
此外，还可采取隔离、滤波和屏蔽等措施来减少噪声的干扰。
2.带宽要求：心电图信号的带宽通常在0.05Hz至100Hz之间，因此放大器必须具备足够的带宽来传输这些信号。
通常情况下，放大器的带宽应大于信号最高频率的两倍。
3.阻抗匹配：放大器的输入和输出阻抗必须能够与心电图采集设备相匹配，以避免信号损失和阻抗不匹配引起的偏差。
一般来说，输入阻抗应大于10MΩ，输出阻抗应小于100Ω。
4.增益控制：放大器的增益应具备一定的可调节范围，以便根据实际需要选择适当的放大倍数。
增益过高可能导致信号饱和和失真，增益过低则会使信号变得难以辨识。
5.安全考虑：心电图放大器设计时必须注意电源和地线的绝缘，以防止电击等安全问题发生。
此外，在输入端和输出端都应添加适当的保护电路，以避免静电、电压过载和电流过大等问题。
6.线性度和准确性：心电图信号的准确性对于诊断和分析非常重要，因此放大器设计应具备良好的线性度和准确性。
线性度方面，放大器应具备宽动态范围和低非线性失真。
准确性方面，应尽可能减小系统误差，如偏移电压、漂移和失调。
7.低功耗：心电图放大器通常需要长时间连续工作，因此低功耗设计至关重要。
采用低功耗的运算放大器和设计合理的电源管理措施，可延长电池寿命、减少能源消耗，同时降低设备温升和噪声。
8.抗干扰能力：心电图信号容易受到外界的干扰，如电源噪声、高频干扰和交叉干扰等。
放大器设计时应添加合适的抗干扰电路，如滤波器、隔离器和屏蔽，以分离并抑制这些干扰源。
总之，心电图用放大器的设计需要充分考虑信号质量、噪声控制、带宽要求、阻抗匹配、增益控制、安全和可靠性等因素。
心电信号测量原理
心电信号测量原理
心电信号测量原理是指通过电极将心脏产生的电信号转化为电
压信号，并通过仪器进行放大、滤波、采样、数字化等处理，最终得到心电图。
心电信号的测量原理包括以下几方面：
1. 电极的选取：电极是将心脏产生的微弱电信号转化为电压信
号的重要组成部分。
常用的电极有皮肤表面电极和直接植入电极两种。
皮肤表面电极适用于无创测量，但信号质量不如直接植入电极。
2. 放大器的选择：由于心电信号非常微弱，需要通过放大器进
行放大。
放大器的选择应根据心电信号的频率范围、信噪比等因素进行。
3. 滤波器的应用：心电信号中包含许多噪声，需要通过滤波器
进行滤波。
常用的滤波器有低通滤波器和高通滤波器等。
4. 采样器的使用：为了将模拟信号转化为数字信号，需要使用
采样器进行采样。
合适的采样率和采样精度可以保证数字信号的质量。
5. 数字信号处理：通过数字信号处理技术，可以进一步提高心
电信号的质量，包括去噪、滤波、降采样等。
总之，心电信号测量原理是通过电极、放大器、滤波器、采样器和数字信号处理等技术，将心脏产生的微弱电信号转化为数字信号，从而得到心电图。
- 1 -。
心电图机原理
心电图机原理
心电图机是一种用于记录心脏电活动的仪器，它能够将心脏的电信号转化为可视化的图形，帮助医生诊断心脏疾病。
心电图机的原理主要包括信号采集、信号放大和图像显示三个部分。
首先，心电图机通过电极来采集心脏的电信号。
一般来说，心电图机有12个电极，它们分别贴在患者的胸部、手臂和腿部，以获取不同位置的心脏电信号。
这些电信号是由心脏肌肉的电活动产生的，通过电极采集到的信号将被传输给心电图机的信号放大器。
其次，信号放大是心电图机的关键部分。
心脏电信号的幅度非常微弱，一般只有几毫伏，因此需要经过放大才能够被准确地记录下来。
信号放大器会将采集到的心脏电信号放大数百倍甚至数千倍，以便后续的处理和显示。
这样一来，即使微弱的心脏电信号也能够清晰地显示在心电图上。
最后，经过信号放大之后，心电图机会将放大后的心脏电信号转化为图像进行显示。
这些图像通常是由一系列的波形组成，这些波形代表了心脏在不同阶段的电活动。
通过分析这些波形的形状、振幅和间距，医生可以判断心脏的功能状态，诊断心脏病变，甚至预测心脏疾病的发展趋势。
总的来说，心电图机的原理是通过采集、放大和显示心脏的电信号，将其转化为可视化的图像，帮助医生诊断心脏疾病。
通过对心电图的分析，医生可以了解患者的心脏健康状况，制定相应的治疗方案，提高治疗的准确性和效果。
因此，心电图机在临床诊断中发挥着重要的作用，成为了不可或缺的医疗设备之一。
心电信号放大器设计
心电信号放大器设计一、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、 心电信号输入电极电极（导联）对心电信号放大器的质量影响很大，采用的电极应该具有贴附力强、透 气性好、吸汗、电极导电性能好、极化电压低的优质电极。
心电信号检测放大器实验报告
心电信号检测放大器实验报告直流供电天津大学精密仪器与光电子工程学院2004级生物医学工程1班贾乾14第一章前言心脏是人体血液循环系统中的重要器官，依靠它的节律性搏动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动，使生命得以维持。
它的活动正常与否直接关系到人的生命安全。
人们不能凭着直观判断心脏健康与否，而是需要精确的仪器加以测量，通过对测得的心电波进行分析比较，最后做出诊断。
心电图典型波形如下图所示：心脏的生理功能与心电图存在着密切的有机联系，心脏生理功能失常许多可以从心电图中反映出来，这就是心电图为什么能得到广泛应用的原因，主要应用有：1．分析与鉴别各种心率失常。
2．一部分冠状循环功能障碍或急性所引起的心肌病变。
3．判断心脏药物治疗或其他疾病的药物治疗对心脏功能的影响。
4．指示心脏房室肥大情况，从而协助各种心脏疾病的诊断。
等等。
在国内外，关于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间，目前对于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间，目前对于心电图机的研制已经达到了一个相当高的水平。
尽管这样，在心电信号处理的方法和自动分析手段都存在着很多缺点，心电特征波形分析定位结果并不尽如人意，从理论上还有创新的余地。
第二章总体设计一．心电信号的基本特征：心电信号是一种较微弱的体表电信号，成年人的幅值约为～4mV，频率在~250Hz范围内，属于低频率，低幅值信号。
为了获得清晰而良好的心电波信号，中华人民共和国医药行业标准YY1139―2000对心电图机提出各种技术要求，主要有：1．输入阻抗单端输入阻抗不小于Ω。
2．输入回路电流各输入回路电流不大于μA。
3．定标电压有1mV±5%的标准电压，用于对心电图机增益进行校准。
4．噪声水平所有折算到输入端的噪声应小于35μV。
5．频率特性幅度频率特性：以10Hz为基准，1Hz~75Hz（~+）;6．抗干扰能力共模抑制比：KCMR>60dB以上。
8．50Hz干扰抑制滤波器：≥20dB9．其他医学仪器除了与其他仪器一样能满足环境实验的要求外，还要严格的安全性要求，这些由国际GB10793专门规定。
心电图放大器课程设计
心电图放大器课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解心电图放大器的基本原理，掌握其主要组成部分及功能。
2. 学生能掌握心电图放大器的电路分析方法，了解不同类型放大器的特点。
3. 学生了解心电图信号的特点，能解释心电图放大器在生物医学工程中的应用。
技能目标：1. 学生能运用所学知识，设计简单的心电图放大器电路。
2. 学生能使用相关仪器和设备进行心电图放大器的测试与调试。
3. 学生具备分析心电图信号的能力，能对心电图放大器的性能进行评估。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对生物医学工程的兴趣，提高对心电图放大器在医疗领域重要作用的认识。
2. 学生在学习过程中，培养团队合作精神，学会分享与交流。
3. 学生树立严谨的科学态度，提高对实验操作的安全意识。
课程性质：本课程为电子信息工程及相关专业的高年级学生设计，注重理论与实践相结合，以培养学生的实际操作能力和创新能力为目标。
学生特点：高年级学生已具备一定的电子电路基础和实际操作能力，对生物医学工程有一定了解，求知欲强，具备独立思考和解决问题的能力。
教学要求：结合课程性质和学生特点，本课程要求教师以实例为主线，引导学生掌握心电图放大器的基本原理和设计方法，注重培养学生的实践能力和创新能力。
在教学过程中，关注学生的个体差异，激发学生的学习兴趣，提高学生的综合素质。
通过本课程的学习，使学生能够将所学知识应用于实际工作中，为未来的职业生涯打下坚实基础。
二、教学内容1. 心电图放大器原理- 心电图信号特点- 放大器基本原理- 心电图放大器的主要性能指标2. 心电图放大器电路分析- 电压放大电路- 电流放大电路- 滤波电路- 信号检测与处理电路3. 心电图放大器设计方法- 放大器级联设计- 电路参数计算与选取- 仿真软件应用4. 心电图放大器应用与调试- 心电图放大器的实际应用案例- 调试方法与技巧- 性能测试与评估5. 教学内容的安排与进度- 第1周：心电图信号特点、放大器基本原理- 第2周：心电图放大器的主要性能指标、电压放大电路- 第3周：电流放大电路、滤波电路- 第4周：信号检测与处理电路、放大器级联设计- 第5周：电路参数计算与选取、仿真软件应用- 第6周：心电图放大器应用与调试、性能测试与评估教材章节关联：教学内容与教材第3章“生物医学信号检测与处理”和第4章“心电图放大器”相关内容相对应，涵盖了课本中关于心电图放大器的基本原理、电路分析和设计方法等方面的知识。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
实验三心电图信号放大器
采用自上而下的设计顺序，一般设计过程为： 1)确定总体设计目标； 2)方案设计；3)详细设计；4)调试；5)印刷电路板设计；6)整机测试。
每个步骤不是完全独立的，在实际的设计过程中,各个步骤经常是交叉进行，特别是2)、3)、4)步。
下面通过一个实例来说明Pspice对设计方案和具体电路进行分析的过程，通过仿真计算，可发现设计上的错误或不合理之处，然后重新调整设计方案或修改电路元件参数，再仿真，直到设计电路的技术指标满足要求为止。
设计一个心电图信号放大器。
已知: (1）心电信号幅度在50μV～5mV之间，频率范围为0.032Hz～250Hz。
(2）人体内阻、检测电极板与皮肤的接触电阻(即信号源内阻)为几十千欧。
(3）放大器的输出电压最大值为-5V～+5V。
1) 确定总体设计目标；
由已知条件1)可知该放大器的输入信号属于微弱信号,所要求的放大器应具有较高的电压增益和低噪声、低漂移特性。
由已知条件2)可知,为了减轻微弱心电信号源的负载,放大器必须有很高的输入阻抗。
另外，为了减小人体接收的空间电磁场的各种信号(即共模信号)，要求放大器应具有较高的共模抑制比。
因此，最后决定的心电放大器的性能指标如下：差模电压增益：1000(5V/5mV)
差模输入阻抗：>10MΩ
共模抑制比：80dB
通频带：0.032Hz～250Hz
2) 方案设计:
根据性能指标要求,要采用多级放大电路，其中前置放大器的设计决定了输入阻抗,共模抑制比和噪声,可选用BiFET型运放,本设计采用了LF4111型运放(其
Avo=4⨯105,Rid≈4⨯1011Ω,Avc=2)，由于单极同相放大器的共模抑制比无法达到设计要求(可通过Pspice仿真波形看出)，本设计采用了由三个LF411型运放构成的仪用放大器。
第二级放大器的任务是进一步提高放大电路的电压增益，使总增益达到1000。
其次为了消除高、低噪声，需要设计一个带通滤波器。
因为滤波器没有特殊要求，本设计可采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波器构成的带通滤波器。
图5-1 心电放大器原理图
3) 详细设计
根据上述设计方案，确定了心电放大电路的原理图，如图5-1所示。
A1、A2、A3及相应的电阻构成前置放大器，其差模增益被分配为40，其中A1、A2构成的差放被分配为16，其计算公式为：Avd1=(Vo1-V o2)/Vi=(R1+R2+R3)/R1，Avd2=V o3/(V o1-Vo2)=-R6/R4=1.6。
为了避免输入端开路时放大器出现饱和状态,在两个输入端到地之间分别串接两个电阻R11、R22，其取值很大，以满足差模输入阻抗的要求。
第二级由A4及相应的电阻、电容构成。
在通带内，其被分配的差模增益应为(1000/40=25)，即Avd3=vo/vo3=1+R10/R9=25
取R9=1KΩ，R10=24KΩ。
C1、R8 构成高通滤波器，要求f
L
=0.032Hz。
取R8=1MΩ，
则可算出C1=4.58μF，取标称值电容C1=4.7μF，算得f L=1/(2л⨯C1⨯R8)=0.034Hz。
C2，
R10构成低通滤波器,要求f
H
=250Hz。
取R10=24KΩ,可算出C2=0.03316μF,取标称值电容
C2=0.033μF，最后算出f
H
=1/(2л⨯C2⨯R10)=251.95Hz。
可见满足带宽要求。
4)计算机仿真调试
本调试要完成两个任务:
(1) 功能分析与指标测量。
(2) 参数灵敏度分析及容差分析。
由直流小信号分析(即.TF语句)得到差模输入电阻为4⨯107Ω,共模输入电阻为2⨯107Ω。
可见满足性能指标要求。
由幅频特性分析(.AC语句)得到前置放大器的差模幅频特性和共模幅频特性如图5-2、5-3 所示。
可测得差模增益Avd=40，频宽BW=345151Hz,共模增益Avc=7.95⨯10-6。
可见, 共模抑制比为40/（7.95⨯10-6）≈5⨯106=134dB，满足性能指标要求。
由幅频特性分析得到第二级带通放大器的幅频特性如图5-4所示,可测得
Av≈25,f
L ≈0.032Hz,f
H
=250Hz.满足设计要求。
图5-2 前置放大器的差模幅频特性图5-3 前置放大器的共模幅频特性
图5-4 第二级带通放大器的幅频特性
通过蒙特卡罗容差分析，得到如下结论：只有在电阻R1～R7的精度为0.5%时，才能保证共模增益小于4×10-3，共模抑制比才能大于80dB，由此看出，仪用放大器的共模抑制比取决于电阻精度和A1与A2的匹配程度(对A1与A2的参数进行分析也能得到同样的结果)。
但是要购买到精度这样高的电阻并不容易，实际上简单而有效的办法是在相应的支路上串接一个精密电位器，如图1中的Rp1、Rp2等，通过调节电位器将电路调整到最佳匹配状态。
通过计算机仿真调试后，最后还应在实验板上搭建实际电路进行实验调试。
具体调试方法和过程在实验课中解决，这里不在叙述。
输入网单文件如下：
A AMP
VI 1 2 AC 1
*VIl 1 0 AC 1
*VI2 2 0 AC 1
R11 1 0 20000000
R12 2 0 20000000
R1 3 5 2K
R2 3 6 24K
R3 5 7 24K
R4 6 13 10K
R5 7 12 10K
R6 13 14 16K
R7 12 0 16K
R8 17 0 1000000
R9 18 0 1K
R10 18 19 24K
C1 14 17 4.7U
C2 18 19 0.033U
X1 1 3 8 9 6 LF411
X2 2 5 10 11 7 LF411
X3 12 13 15 16 14 LF411 X4 17 18 20 21 19 LF411 Vc1 8 0 8
Ve1 9 0 -8
Vc2 10 0 8
Ve2 11 0 -8
Vc3 15 0 8
Ve3 16 0 -8
Vc4 20 0 8
Ve4 21 0 -8
.LIB EV AL.LIB
.AC DEC 10 1.0m 1.0MEG
.TF V（14）VI
*.TF V（14）VI1
.PROBE
.END。