心电放大器的设计与仿真
心电放大器的设计
2011 ~ 2012 学年第二学期《心电放大器的设计》课程设计报告题目：心电放大器的设计专业：电子信息工程班级： 10信息本1 姓名：李闯鲍学贵张力王群陈浩马力余国军朱郑指导教师：倪琳电气工程系2011年5月12日1、任务书摘要心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。
据统计，心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。
因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视，准确地进行心电信号提取，为医生提供有效的辅助分析手段是重要而有意义的课题。
随着电子技术的迅速发展，医用电子监护系统近年来己在临床诊断中逐渐应用。
针对心电信号的特点进行心电信号的采集、数据转换模块的设计与开发。
设计一种用于心电信号采集的电路。
人体的心电信号是一种低频率的微弱信号，由于心电信号直接取自人体，所以在心电采集的过程中不可避免会混入各种干扰信号。
为获得含有较小噪声的心电信号，需要对采集到的心电信号做降噪处理。
目前对心电信号的降噪有多种方法，本文主要从滤波的方面介绍将噪声从信号中分离。
关键词：心电信号采集，降噪，多级放大，电源电路目录第一章绪论 (5)第二章研究基础 (6)2.1 人体心电信号的产生机理 (6)2.2 ECG的作用第三章硬件电路设计 (7)3.1 心电信号采集电路的设计要求 (7)3.2 心电采集电路总体框架 (7)3.3 采集电路模块 (9)3.3.1前置放大电路设计 (9)3.3.3滤波电路设计 (11)3.4电平抬升电路 (14)3.5 心电信号的50Hz带阻滤波器设计 (14)3.6电源电路设计 (15)第四章仿真 (7)第五章结论 (7)第六章参考文献 (7)第七章附录 (7)第一章绪论心脏是人体血液循环的动力泵，心脏搏动是生命存在的重要标志，心脏搏动的节律也是人体生理状态的重要标志之一。
心脏的基本活动包括电活动和机械活动，每个心动周期都是电活动在前，机械活动在后。
心电信号是心脏电活动的一种客观表示方式，是一种典型的生物电信号，具有频率、振幅、相位、时间差等特征要素，比其他生物电信号更易于检测，并具有一定的规律性。
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。
人体心电测试电路设计
人体心电测试电路设计1.电极设计：人体心电测试电路的第一步是正确地设计电极用于连接测试仪器和人体。
首先，需要有两个电极（一正一负）用于检测心电信号，并将其连接到测试仪器上。
这些电极通常是金属片，可以通过电导胶粘贴在人体皮肤上，以确保稳定的信号接收。
2.放大器设计：心电信号是非常微弱的，因此需要一个放大器来增加其幅度，以便更容易测量和分析。
这种放大器通常使用差分放大器电路来检测电极之间的电压差异，并放大到一个可以进行测量的合适幅度。
此外，放大器还需要具有适当的带宽，以便能够捕捉到心电信号的相关频率。
3.滤波器设计：为了减少噪声和过滤电源干扰等不需要的信号，需要在放大器之后添加滤波器。
滤波器可以根据需要选择不同的截止频率，并抑制在该频率范围之外的信号。
常用的滤波器类型包括低通滤波器、带通滤波器和高通滤波器。
4.调理电路设计：此阶段的设计将进一步处理滤波后的心电信号，以适应后续的数字分析或显示。
可能需要对信号进行放大、平滑或调整增益等处理，以确保其质量和合适的幅度范围。
5.ADC（模数转换器）设计：心电信号通常是模拟信号，需要将其转换为数字信号进行处理。
模数转换器（ADC）可以对模拟信号进行取样和量化，并将其转换为数字信号。
设计中需要选择合适的ADC进行信号转换，并根据需要选择合适的分辨率和采样率。
6.数字分析和显示：一旦心电信号被转换为数字信号，可以使用计算机或其他设备进行进一步的分析和显示。
这些数字信号可以通过滤波、傅里叶变换、心电图绘制等算法进行分析，并通过电脑、智能手机或其他设备进行显示。
综上所述，人体心电测试电路设计是一个复杂而精细的过程，其中涉及到电极设计、放大器设计、滤波器设计、调理电路设计、ADC设计以及数字分析和显示。
设计人员需要综合考虑电路的精度、稳定性、抗干扰能力和功耗等因素，以确保获得准确、可靠的心电信号测试结果。
同时，需要遵循相关的医疗电子设计标准和法规，以确保电路的安全性和可靠性。
一种心电信号采集放大电路的简单设计方法
一种心电信号采集放大电路的简单设计方法
心电信号采集放大电路是一种将人体心脏电信号放大的电路，一般采用放大器、滤波器、隔离器等组成。
以下为一种简单的设计方法：
1. 选择放大器芯片
选择一个合适的放大器芯片，一般选用高质量低噪声的运放芯片，如AD620、AD8226等。
这些芯片具有高增益、低噪声等特点，适合于心电信号的放大。
2. 设计放大器电路
使用选择的芯片设计放大器电路，将心电信号输入放大器的非反馈端，输出连接到反馈端。
可以根据需要调整电阻和电容值来获得合适的增益和滤波效果。
一般放大倍数在100-1000之间。
3. 加入滤波器电路
由于心电信号存在很多干扰信号，所以需要加入滤波器来滤除掉干扰信号，使得输出信号更加可靠。
常用的滤波器如低通滤波器、带通滤波器等。
4. 设计隔离器电路
为了避免放大电路与其他电路之间的交叉干扰，需要加入隔离
器电路，将输入和输出信号隔离开。
一般采用光电耦合器或变压器等。
5. 验证电路性能
制作完成后，需要对电路的性能进行验证。
可以使用示波器、信号发生器等测试设备来检测电路的增益、频率响应等性能参数，以确保电路可靠度、准确性和稳定性。
通过以上简单方法，可以设计一款高质量的心电信号采集放大电路。
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。
心电图仪电路设计及仿真
心电图仪电路设计及仿真摘要:本文设计了心率监测的一种方法,由于人体心电信号属于低频微弱信号,故经导联输入后,从体表获得的心电信号经滤波滤除高频干扰后,再经50 Hz陷波器进一步抑制电源干扰,最后通过MSP430单片机的A／D转换,得到数字化的心电信号。
实验表明本文设计的心电图仪显示的心电信号清晰稳定,基本满足临床监护以及病理分析等要求。
关键词:心电放大电路陷波电路低噪声1 引言众所周知,目前心血管疾病是危害人类健康的一种较常见疾病,而检测心电信号是诊断心血管疾病的主要依据,因此实时监测病人心电活动,设计采集病人心电信号的系统具有重要的意义。
2 心电信号的特点由于心电信号属医学生物信号,一般具有以下两个个特点:其一心电信号的随机性较强,即信号无法用确定的函数进行描述,所以用统计的方法通过大量测量数据中看其规律;其二噪声背景强,即要抗干扰。
心电信号的频带范围一般是0.05～100 Hz。
所以要对心电信号进行精确测量,必须设计出性能优良的放大器。
3 心电信号的传感、放大及滤波3.1 心电输入电级采集记录心电信号,采用电极导电性能好、电极应贴附力强、透气性好、吸汗、极化电压低的优质电极,此外还应该具有拆卸方便、对皮肤刺激小、佩戴舒适等特点。
通常采用表面镀有AgCI可拆卸的一次性软电极,还需要在电极上涂有优质导电膏。
3.2 心电信号的放大本设计中的放大器主要是用来放大心点信号。
放大器的放大倍数大约为5000倍左右,主要是为了满足模拟滤波和A/D采样的需要。
本设计的放大采用二次放大。
第一次放大倍数为10倍,是为了满足模拟滤波器滤波的。
如果信号太小,滤波器根本达不到所要滤波的效果;太大则会使滤波器电路电流过大,影响滤波效果。
主放大电路(二次放大)的倍数位500倍,使其满足单片机A/D采样的最佳效果。
本次放大器设计选用高精度的INAl05做为主体器件,具有低输入偏置电流、低噪音、较高建立时间、低功耗等特性,其共模抑制比可达130dB,所以非常适合作为医疗仪器在前置放大器上使用。
心电放大器PSPICE辅助设计
第25卷第4期2006年4月实验室研究与探索RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORYVol.25No.4 Apr.2006心电放大器PSPICE 辅助设计熊晓君(上海理工大学电气工程学院,上海200031)摘 要:以C MOS 运放LMC6035构成的前置放大器和有源高通-低通滤波器为主要部件的心电放大器,可实现输出电压高增益、低噪声、高灵敏度,保证心电信号清晰稳定,满足临床监护以及病理分析的要求。
在设计过程中运用电子线路C AD 仿真软件对心电放大器进行功能分析,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。
关键词:心电放大器;前置放大器;带通滤波器;仿真中图分类号:TN 722.3文献标识码:A 文章编号:1006 7167(2006)04 0430 03Design of an Electrocardiogram AmplifierXIONG Xiao jun(C ollege of Electrical Eng.,Shanghai Univ.of Science and Technology,Shanghai 200031,China)Abstract :The design of electrocardiogram amplifier(ECG)is mainly composed of a preamplifier and a band pass filter,which is made up of four LMC6035C MOS operational amplifiers,some resistances and some capacitances.It can achieve high gain,high sensitivity and lo w noise.It can make electrocardiogram clear and stable.In the designing process,it is simulated to analyse its characters,to test its functions by using Orcad PSPICE9.0.The software can help us optimize the electrocircuit design and shorten the development period.Key words :ECG;preamplifier;band pass filter;simulation收稿日期:2005 06 15作者简介:熊晓君(1968-),女,江西樟树人,讲师,上海理工大学电气工程学院。
心电信号放大器设计
成绩：2015-2016学年01 学期“电力电子电气传动与可编程控制技术（1）”BUCK变换器的设计与仿真姓名：专业：班级：学号：2015 年12 月一、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。
共模抑制比≥80dB。
2、电压放大倍数1000倍。
3、频带宽度为0.5Hz~100Hz。
4、放大器的等效输入噪声（包括50Hz交流干扰）≤200μ、5V。
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。
RARARA LA LALALLLLLLRL导联Ⅰ导联Ⅱ导联Ⅲ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。
．前高低带电输出信号输入信号通通置压阻滤放滤放滤波大波大波屏蔽层屏蔽驱动右腿右腿驱动图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。
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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。
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
=0.05Hz。
取R8=1MΩ，则可算出C1=4.58μF，取标称值电容
C1=4.7μF，算得fL=1/(2л C1 R8)=0.034Hz。
C2，R10构成低通滤波器,要求f =200Hz。
取R10=24KΩ,可算出C2=0.03316μF,取标称值电容C2=0.033μF，最后算出f =1/(2л C2 R10)=251.95Hz。
可见满足带宽要求。
4，实验原理图
图 5-1 心电放大器原理图
三、预习内容
完成心电图信号放大器原理图的初步设计
四、实验内容
计算机仿真调试，试计算： 电压增益；
上限频率，下限频率和带宽； 差模输入电阻； 共模抑制比。
<Doc>
<Rev Code>
<Title>
A 1
1
Saturday , March 11, 2017
Title
Size Document Number Rev
Date:
Sheet
of
五，实验步骤
1、由直流小信号分析得到差模输入电阻为4⨯10^7Ω,共模输入
电阻为2⨯10＾7Ω。
可见满足性能指标要求。
2、由幅频特性分析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。
3、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=200Hz.满足设计要求。
4、由差模输入阻抗仿真图5-5所示，可满足差模输入阻抗 >10M
Ω的要求。
5、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。
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
图 5-5 差模输入阻抗仿真图
六，总结
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。