生物电放大器—心电图(ECG)前置放大器
生物电子学_4_放大
u02 ui2 ui2 ui1 ui1 u01
RF
Rw
RF
得 : u02
(1
RF Rw
)ui 2
RF Rw
ui1
- u01
RF Rw
ui 2
(1
RF Rw
)ui1
解得 :
u0
u02
u01
(1
2
RF Rw
)(ui 2
ui1 )
第一级电压增益
:
Ad1
1
2
RF Rw
生物（医学）电子学
U CM
Zi
Zi Zs2
由于Z s1 Z s2 , 共模电压转化成差模电 压
若Zi Z s1或Z s2
则U A U B
U CM
Z s2 Z s1 Zi
若Z s1 Z s2 5K , Zi 1M , U CM 10mV
则U
A
UB
10V
生物（医学）电子学
7
差动放大器电路分析
理想情况
生物（医学）电子学
30
EMG, EP前置放大器和主放大器电路
生物（医学）电子学
31
说明
选择场效应低噪声运放器件构成前置级 合理分配增益：
第一级：增益较大，100 第二级：增益为2
运放输入端不附加额外电阻，以避免引入噪声 RF , Rw尽可能小 去极化电压电容C1和光电耦合级位于信号主通道，
加负载
GND
生物（医学）电子学
I in
22
2. 电磁耦合
即采用变压器耦合
放大
ui
浮置电源
调制
载波发生 直流电源
解调
放大
u0
ad8232工作原理
AD8232工作原理
AD8232是一款用于生理信号测量的集成电路，主要用于心电图（ECG）监测应用。
它能够通过采集人体的心电信号并进行放大、滤波和处理，以提供可靠的心电数据。
AD8232的工作原理如下：
1.传感器：AD8232使用电极传感器来接触人体皮肤，并获取心电信号。
2.前置放大器：收集到的微弱心电信号经过前置放大器进行放大，以增加信
号的幅度并提高信噪比。
3.高通滤波器：心电信号中存在大量的低频噪声和基线漂移，高通滤波器被
用于去除这些干扰信号。
4.带通滤波器：带通滤波器用于选择心电信号的特定频段，以消除其他干扰
信号。
5.差分放大器：AD8232使用差分放大器来抑制共模干扰信号，只放大心电
信号的差分部分。
6.输出：经过处理后的心电信号通过输出端口提供给外部设备进行进一步分
析和显示。
通过以上工作原理，AD8232能够有效地提取和放大心电信号，使得医疗人员或研究人员能够获得准确和可靠的心电图数据，用于诊断、监测和研究等应用。
心电图机结构原理PPT课件
增加了膜外正电荷；膜内的A-虽有随K+外流的倾向，
但由于A-的分子较大，细胞膜对其几乎无通透性，
因而被阻隔于膜内，这就造成膜外为正、膜内为负
的极化状态。由K+外流造成的这种以膜为界的内负
外正的电位差，将成为阻止K+外流的力量。当促使
K+外流的浓度差和阻止K+外流的电位差这两种拮抗
力量达到平衡时，膜两侧的电位差将稳定于某一数
2021/3/12
2
心电基础知识
❖ 细胞的生物电现象： ❖ 细胞在生命活动中所产生的电变化，称
为生物电现象。 ❖ 生物电是以细胞为单位产生的，借助于
仪器，这些电变化可以客观地记录下来，如 临床上记录的心电图、脑电图、肌电图等。
2021/3/12
3
心电基础知识
❖ 1.静息电位
❖ （1）静息电位的概念
放
录
择
波
大
Байду номын сангаас
放
大
器
器
器
大
器
器
笔
器
控制开关（也起稳压作用）
笔温调节
稳压器
2021/3/12
电池
走纸电路
8
心电图机的原理及电路分析
❖ 1、导联选择器
❖ 在常规心电图机中，处于前置放大器的 输入电路内（将心电图机前置放大器以前的 部分叫做输入部分），用来选择不同的导联。
❖ *导联选择器：
❖ 用来选择从肢体或胸电极导出的心电信 号，形成某一心电图导联。
❖ 极化电压：金属板电极与电解质溶液（汗液） 接触时，金属离子有进入溶液的趋势，在金属表面 和溶液界面间形成电荷分布，形成电流。
2021/3/12
ECG监护仪前置放大电路的设计
ECG监护仪前置放大电路的设计黄敏松;行鸿彦;刘建成【摘要】基于传统的仪用放大器基本框架,设计了一种新的可用于心电信号放大的前置放大器.在3 dB带宽范围内,该放大器的增益达到了48.3 dB.等效的输出噪声电压值为5.34 nV/√Hz.根据生物电信号采集的特点,通过增加右腿驱动电路,提高了放大器的共模抑制比,对被测的生物体具有更安全的保护作用.仿真结果表明该放大器在增益、频率响应特性、共模抑制比等性能参数方面符合美国心脏协会(AHA)的建议要求,确保了输出心电信号的低失真,可用于ECG监护仪中.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)016【总页数】3页(P187-189)【关键词】前置放大器;ECG监护仪;共模抑制比;增益【作者】黄敏松;行鸿彦;刘建成【作者单位】南京信息工程大学,电子与信息工程学院,江苏,南京,210044;南京信息工程大学,电子与信息工程学院,江苏,南京,210044;南京信息工程大学,电子与信息工程学院,江苏,南京,210044【正文语种】中文【中图分类】TN7221 引言随着科技的发展和进步，各种各样的便携式心电监护产品如雨后春笋般不断涌现，广泛地应用于临床诊断以及离院病人的监护当中。
本文介绍的前置放大器是各种便携式心电监护仪中不可或缺的一部分，他除了获取心电信号外，还对心电信号做了初步处理。
在心电处理过程中，前置放大器对心电信号的影响最大，因此有必要设计出高增益、通带宽、高共模抑制比与及低噪声的前置放大器，以应用于临床监护中。
传统的生物电信号放大器主要采用同相并联3运放电路或同相串联2运放电路。
采用缓冲放大作为输入级，对改善后的信号进行差动放大，消除共模干扰成分[1]。
本方案在传统的同相并联3运放电路的基础上新增了一右腿驱动电路和反相电路，提高了该放大器的增益，增大了共模抑制比，提高了安全性能，可用于便携式心电监护仪的设计中。
2 心电信号的特征及其对前置放大器的要求2.1 心电信号特征心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，一般比较微弱。
新型心电信号前置放大电路设计
本栏目责任编辑：冯蕾网络通讯及安全·新型心电信号前置放大电路设计张磊．张辉（安徽大学大学计算机教学部，安徽合肥２３００３９）摘要：基于经典的仪表放大器基本框架，改选和设计了一种可用于心电信号采集的前王放大器。
根据心电信号采集的特点，通过增加射频滤波器、右腿驱动电路和高通负反馈滤波器等措施，提高了放大器的共模抑制比，对被洲的人体具有更安全的保护作用。
结果表明该放大器在频率响应特性、共模抑制比等性能参数方面符合标准，可用于ＥＣＧ监护仪中。
关键词：心电图；放大器；共模抑制比；增益；滤波中图分类号：删２文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００８）０１－１００４１－０４ＮｅｗＤｅｓｉｇｎｏｆＰｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒＣｉｒｃｕｉｔｆｏｒＥＣＧＳｉｇｎａｌＺＨＡＮＧＬｅｉ，ＺＨＡＮＧＨｕｉ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｌｌｅｇｅＣｏｍｐｕｔｅｒＴｅａｃｈｉｎｇ，Ａ１１ＩｌｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ２３００３９，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｅＵＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｌａｓｓｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ａｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｆｏｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＥＥＧｓｉｇｎａｌｓｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄａｎｄｄｅ—ｓｉｇｎｅｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅＥＣＧｓｉｇｎａｌｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｗｅａｄｄｒａｄｉｏｆｉｌｔｅｒ，ａｌｉｇｈｔ—ｌｅｇ—ｄｒｉｖｅｎｃｉｒｃｕｉｔ、ａｈｉｇｈ—ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒ、＾，ｉｄｌＣＭＲＫｏｆｔｈｅｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｈｉｇｈｅｒａｎｄｓａｆｅｒｆｏｒｔｈｅｄｅｔｅｃｔｅｄｐｅｒｓｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｒｅｖｅｒｓｅｆｅｅｄｂａｃｋａｎｄｏｎ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｔｈｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄＣＭＲ．Ｒ．ｍｅｅｔｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄ，ｍａｋｉｎｇｉｔｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒＥＣＧｍｏｎｉｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ；ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｒｅｊｅｃｔｉｏｎｒａｔｉｏ；ｇａｉｎ；ｆｉｌｔｅｒ１引言心电信号是在心脏有规律地收缩和舒张过程中，心肌细胞产生的动作电位综合而成的电信号。
物理实验技术中的生物电学测量方法与技巧
物理实验技术中的生物电学测量方法与技巧引言：生物电学是研究生物器官和生物组织内外部产生的电现象的学科，它在生物医学领域有着广泛的应用。
在物理实验技术中，生物电学测量方法和技巧是进行生物电信号记录和分析的关键。
下面将介绍一些常用的生物电学测量方法和技巧，供广大研究者参考。
一、脑电图（EEG）的测量方法与技巧脑电图是测量大脑电活动的一种方法，广泛应用于神经科学和临床医学研究中。
进行脑电图测量时，需要注意以下几个关键步骤和技巧：1. 电极的选择和定位：选择合适的电极类型和布局方式，并进行准确的电极定位，以保证信号的准确性和可靠性。
2. 避免干扰信号：在进行脑电图测量时，应尽量避免测量环境中存在的干扰信号，如电磁辐射、电源干扰等。
3. 信号放大和滤波：为了放大和记录脑电信号，需要使用合适的放大器，并设置合适的滤波器以去除噪音和干扰。
4. 数据分析和解释：对记录的脑电信号进行数据分析和解释，可以采用时频分析、相关性分析、特征提取等方法，以获取有用的信息。
二、心电图（ECG）的测量方法与技巧心电图是测量心脏电活动的一种方法，广泛应用于心血管疾病的诊断和监测。
进行心电图测量时，需要注意以下几个关键步骤和技巧：1. 导联的选择和安装：根据需要选择合适的心电图导联方式，并正确安装导联电极，保证信号采集的准确性。
2. 信号放大和滤波：使用合适的心电图放大器，设置适当的滤波器，去除噪音和干扰，增强信号质量。
3. R波检测与分析：对心电图信号进行R波检测，可以使用峰值检测和相关算法等方法，再对R-R间期、心率等进行分析和解释。
4. 心电图的分类和诊断：通过对心电图信号进行分类和诊断，可以判断心脏的功能和病理状态，为临床医学提供支持。
三、肌电图（EMG）的测量方法与技巧肌电图是测量肌肉电活动的一种方法，被广泛应用于运动生理学和康复医学领域。
进行肌电图测量时，需要注意以下几个关键步骤和技巧：1. 电极选择和安装：选择合适的肌电图电极类型，并正确安装电极，使其与肌肉充分接触，减小信号采集过程中的噪音和干扰。
心电图(ECG)设计面临的挑战及其应对措施
心电图(ECG)设计面临的挑战及其应对措施工程师们可以利用ADI解决方案来应对心电图子系统设计的重大挑战，包括安全、共模/差模干扰、输入动态范围要求、设备可靠性和保护、降噪以及EMC/RFI考虑。
心电图(ECG)是一种常见的医疗记录，在许多恶劣的环境中，它也必须清晰可读并保持精确。
无论是医院、救护车、飞机、轮船、诊所还是家里，干扰源无处不在。
新一代高度便携式ECG技术使我们能够在更多的环境条件下测量心脏的电活动。
随着ECG子系统越来越多地投入医院外应用，制造商面临着持续的降低系统成本并缩短开发时间，同时保持或提高性能水平的压力，这就给ECG设计工程师提出了相当严苛的要求：实现一种安全有效、能够应对目标使用环境挑战的ECG子系统。
本文说明通常所认为的ECG子系统设计的主要挑战，并提供关于如何应对的各种方法建议。
本文讨论的挑战包括安全、共模/差模干扰、输入动态范围要求、设备可靠性和保护、降噪以及EMC/RFI考虑。
挑战1：达到最高安全标准，确保ECG子系统安全有效安全始终是ECG设计师的头号关注对象。
设计师必须严防来自交流电源的电涌或过压，以及经过ECG电极的任何可能超过10 μA rms推荐限值的电流路径影响到病人和操作人员。
在ECG子系统本身或其它与病人或操作人员相连的医疗设备发生故障时，可能出现危险电压或电流，ECG设计的终极目标就是确保病人和操作人员安全，不会受此类电压或电流伤害。
图1. 交流电源耦合简图开始ECG设计之前，工程师必须确定其临床应用及在哪里使用和存放设备。
工程师必须评估所有可能导致电流施加于病人的设备误用情况和潜在外部连接。
当施加的电流（吸入或流出）小于10 μA rms时，即使在单一故障条件下，操作人员和病人的安全也不会有问题。
必须防止病人意外触电，并且保护ECG设备不受紧急使用心脏除颤器所产生的极端电压影响。
ECG系统必须符合联邦法律、国际标准和相关国家/地区指令的要求。
心电前置放大电路的研究_张舒
放大器的选择有一定的原则： 在满足给定输入、 负载、精度及环境要求条件下， 尽可能选用通用型、 低成本的运放。根据集成运放的选用原则， 分析实际 使用条件， 正确选择合适的运放， 做到经济合理。在 选用运放时， 必须考虑到如下问题：
６结论 通过对数据缓冲区的合理调度， 对ＤＳＰ的ＤＭＡ功能
的充分应用， 存储空间的优化， Ｃａｃｈｅ功 能 的 使 用 ， 以 及对运动搜索算法的适当选取和改进， 各个核心运算 程序模块的代码优化， 共同构成了高效的视频编码系 统 。该 系 统 最大 程 度 地 发 挥Ｂｌａｃｋｆｉｎ ＤＳＰ的 性 能 ， 保 证 了编码器的实时性， 并且达到相对最佳的性能。 参考文献 １ ＩＴＵ－ Ｒ ＢＴ．６０１／６５６． “Ｔｈｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｓｔａｎｄａｒｄ ａｃ－
传感器采集到的心电信号首先进入由电阻和电容 组成的无源低通滤波器， 滤波器的截止频率选在１０ｋＨｚ 左 右 。 由 于 信 号 中 混 有 各 种 干 扰 噪 声 会 影 响 ＥＣＧ的 有 用 信号， 因此需要对这些噪声进行滤波。噪声来源主要 有两类， 一类是各种电子设备辐射出的高频噪声， 一 类是市电的５０Ｈｚ噪声， 通常情况下后者影响尤为明显。 对 这 些 噪 声 的 滤 波 需 要 用 到 低 通 滤 波 器 。ＥＣＧ的 低 通 滤 波器通常情况下截至频率选择在１００Ｈｚ以下， 少数情况
332心电中间放大器的设计信号经高通滤波器隔直滤波后进入中间放大器又因前置放大限制了放大倍数因此二级放大需要有较大的倍数才能使心电信号足够大满足要求的同时为消除高频成分需经过低通滤波环节由于心电信号频率为005hz100hz故设定低通滤波器的截至频率为100hz
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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
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
622721511R U U R U U R U U o i i i i o -=-=- 从而导出（R6=R5）
)()(217
511i i i o U U R R U U -=- )()(2175022i i i U U R R U U -=
- 以上二式相加得
))(21()(217
521i i o o U U R R U U -+=- 由于
)(218
10o o o U U R R U --= 则其差模增益为
)21(7
581012R R R R U U U A i i o d +=-= 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。
模拟输入 输出
示波器
（波形） 万 用 表 交流档 直流档
正弦波
100μV/50H z
2.2954mV 1.7997mV
0V
0 1.7998mV
矩形波0.1mV/50H/90%0.6985mV0.2584mV 3
模拟输入输出放大倍数放大倍数计算值
正弦波
100μ
V/50Hz
2.2954mV22.9523
4；改变R11的数值使其零点漂移最小、记录下R11的数值；将三只运算放大器改设为理想运算放大器，记录有关数据、填入表2-3。
模拟输入为零（Vi=0）
输出(万用表直流档)
R11=10KΩR11=10.00827KΩ理想运放
正弦波0V/50Hz 1.7997mV-0.0809uV0四、电路分析、计算
R8=10K R10=10K R7=2K R5=22K
)
2
1(
7
5
8
10
1
2
R
R
R
R
U
U
U
A
i
i
o
d
+
=
-
==10
10
(1+2∗22
2
)=23
五、思考题
1、三运算放大器的组成原理。
集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路。
图1 运算放大器方框图
输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且常用双端输入，单端输出的形式；中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度，中间级的电路形式多为共射或共源接法，并带有源负载的高增益放大器；互补输出级有PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压和电流；偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置
电流，以稳定工作点。
集成运算放大器有三个引脚：一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’或‘IN+’表示；另一个为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号‘-’或‘IN-’表示。
输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。
实际的运算放大器通常必须有正负电源端，有的还有补偿端和调零端。
2、如何调节三运算放大器的增益？如电阻R11存在0.1%的误差，对放大器有何影响？
要调节增益的话，调节R7的阻值即可。
根据表2-3的实验结果可知，如果R11的阻值改变的话，就会影响放大器的零漂。
3、电路中氖灯的作用是什么？说明稳压二极管D1、D2的作用。
电路中氖灯的作用是保护作用，当两端的电压低于击穿电压时，氖灯的电阻接近于无穷，它对电路没有负载影响，当两端的电压超过其击穿电压，则氖灯迅速导通，使其两端的电压降低趋于零，从而保护了放大器。
D1、D2的作用是限制电压表两端的电压，起到保护电压表的作用。
4、怎样确定稳压二极管的稳压值？
（1）简易测试法：只需一块万用表即可，方法是：将万用表置于Rx10k挡，并准确调零。
红表笔接被测稳压管的正极，黑表笔接被测管的负极，待指针摆到一定位置时，从万用表直流10V电压刻度上读出其稳定数据，然后用下列公式计算稳压值：被测稳压值（V）=（10V-读数值）x1.5。
用此法可以测出稳压值为15V 以下的稳压管。
（2）外接电源测试法：用一台0V~3V稳压电源与一个1.5KΩ，电阻，按下图连接。
测量时，先将稳压电源的输出电压调在15V，用万用表电压挡直接测量ZD两端电压值，读数即为稳压二极管稳压值。
若测得的数值为15V，则可能该二极管并未反向击穿，这时可将稳压电源的输出电压调高到20V或以上，再按上述方法量。
六、心得体会
本次实验的目的是对三运算放大器应用的掌握，该放大器具有输入阻抗大，输出阻抗低等许多优点，而且其放大倍数易于调节，只用调节一个电阻即可。
在实验过程中,首先碰到的问题就是电路图的连接和器件的选择、放置，主要是因为ewb软件的应用不熟悉，不过最后还是解决了这个问题，其次碰到的问题就是电路图画好之后，得不到想要的参数和波形，最后在同学和老师的帮助下得到了示波器的波形和万用表测量的参数。
最后遇到的问题是通过改变R11的值来改变放大器的零漂问题，需要调试很多次，才能使放大器的零漂达到最小，我通过多次的调节才将零漂调到了实验要求的值，总之，实验过程中要特别的细心和耐心，才能得到预期的实验结果。
最后衷心的感谢我们的指导老师杨老师，在本次设计过程中，他给予了我们耐心、认真的指导、帮助和大力的支持，让我掌握了心电放大电路的原理和如何调节参数以及当电路图出现故障时的应对方法，让我们顺利的完成了此次试验。