一种心电信号采集放大电路的简单设计方法.
心电图信号放大器
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～250Hz2) 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。
基于Multisim设计的心电采集放大电路
号进行跟随和反 向， 跟随信号作为屏蔽层信号输 出， 反
向信号作 为右腿驱动信号输人右腿 ， Ａ Ｄ ６ ２ ０的输 出信 号进行低通 、 高通滤波和 ５ Ｏ Ｈ ｚ 工频陷波后 即可输 出。
３ 模块 设计
２ 系统概述
３ ． １ Ａ Ｄ ６ ２ ０前 置 放大 电路
信． 皇， 技 术
３ ． ２ 右 腿驱 动
右腿驱动的基本原理是人体共模信号 的抵消 ， 人 体 右手和左手产 生的信号 中存 在一个较大 的共模 信
号， 这个信号就是人体的共模信号 ， 通过将左右手的共
模信号提取出来 ， 再反 向输人人体 ， 就可以起到共模抑
制 的作 用 。 有 两种 设 计思 路 ，一 种 就是 和 ８ 脚可等效为两路输入信号 ， 从
这两个脚之间就可以取 出共模信号 ， 假设输入信号为 ：
信号源的阻抗为数千欧到数百千欧 ，且存在着大量的
噪声 。 心 电采 集 系 统设 计 的合 理 与 否是 能 否得 到 干 净
左手和右手的信号从 Ａ Ｄ ６ ２ ０的输入端输人后 ， 经 内部电路和外部增益调节 电阻取 出共模信号 ，对此信
心电信号的关键 。 测量心电信号的条件是相 当复杂的 ， 除了受包括肌电信号 、 呼吸信号 、 脑 电信号 的干扰外还 受到 ５ ０ Ｈ ｚ 工频干扰 、 基线漂移 、 电极接触和其他 电磁
信 ． 皇 ， 技术
Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２ － ６ ３ ７ ５ ． ２ ０ １ ７ ． Ｏ １ ． ０ ０ ８
２ ０ １ ７ 年（ 第４ ６ 卷） 第ｌ 期
基于 Ｍ ｕ Ｉ ｔ ｉ ｓ ｉ ｍ设计 的心 电采集放大 电路
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。
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。
心电放大电路
交流心电放大器设计报告天津大学生物医学工程王博一概述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。
基本心电图如上所示，包含如下几个波段：P波――两心房除极时间P-R间期――心房开始除极至心室开始除极时间QRS波群――全心室除极的电位变化ST段――心室除极刚结束尚处以缓慢复极时间T波――快速心室复极时间普通心电图有一下几点用途1、对心律失常和传导障碍具有重要的诊断价值。
2、对心肌梗塞的诊断有很高的准确性，它不仅能确定有无心肌梗塞，而且还可确定梗塞的病变期部位范围以及演变过程。
3、对房室肌大、心肌炎、心肌病、冠状动脉供血不足和心包炎的诊断有较大的帮助。
4、能够帮助了解某些药物（如洋地黄、奎尼丁）和电解质紊乱对心肌的作用。
5、心电图作为一种电信息的时间标志，常为心音图、超声心动图、阻抗血流图等心功能测定以及其他心脏电生理研究同步描纪，以利于确定时间。
6、心电监护已广泛应用于手术、麻醉、用药观察、航天、体育等的心电监测以及危重病人的抢救。
本设计由于采用交流供电，其实际意义在于用在，心电监护以及心电的静态检测方面，因此在设计上就力求全面反应各个波段上的电位情况，并尽量减少噪声，以达到国家基本心电图机要求二系统设计心电信号十分微弱，频率一般在0.5—100Hz 之间，能量主要集中在17Hz 附近，幅度大约在10uV （胎儿）～5mV （成人）之间，所需放大倍数大约为500-1000倍。
而50hz 工频信号，极化电压，高频电子仪器信号等等干扰要求心电信号在放大的过程中始终要做好噪声滤除的工作，以下便给出一个整体化框图，力图从多个方面削减这些干扰三 具体实现 Vi+V O Vi －RL1 导联输入：导联线又称输入电缆线。
便携式心电监护仪中信号采集电路的设计
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工图纸的审查。完成了对作业人员的技术交底工作。 ３．５ 施工准备管理 项 目 部 严 格 执 行 项 目 组 提 出 的 工 程 指 导 思 想 “九 分 准 备 、一 分
施 工 ”， 做 好 工 程 的 准 备 工 作 ： 审 查 设 计 、编 制 施 工 方 案 、完 成 按 照 施 工方案在停产前实施项目， 完成施工作业队伍选择， 人员办理各类 手续， 教育培训培训完毕后， 对作业人员进行考核， 合格的作业人员 才能进入施工现场。
土建由于基础利旧， 需钻孔植筋， 除预备足够的钻孔设备外， 另 考虑预备螺栓重新套丝的设备， 以防螺栓丝扣破坏。考虑螺栓完全 损坏的技术预案。为抢出管道施工的时间， 能够预制的管道均考虑 离线预制。准备好雨天施工的劳防用品， 考虑可能出现的雨季时间 过长。做好设备出现问题处理的施工准备（ 作业人员及工器具） 。
１．系统设计 本文设计的信号采集电路的主要功能模块如图 １ 所示。
信 号 的 差 动 信 号 ， ＡＤ６２０ 的 增 益 范 围 为 １ － １０００ ， 由 其 放 大 增 益 关 系 式 ： Ｇ＝ ４９ ．４ＫΩ ， 可 推 算 出 各 种 增 益 Ｇ 所 需 要 使 用 的 电 阻 值 Ｒｇ 了 ，
１７Ｈｚ， 增 益 为 ７ ， 可 提 升 Ｒ 波 的 基 波 ， 并 可 抑 制 Ｐ 波 ， Ｔ 波 ， 肌 电 ， 工
频干扰和基线漂移。全波整流器将双相波形转变成负相波形， 消除
极 性 对 检 测 的 影 响 ， Ａ１１ 和 Ａ１２ 分 别 构 成 峰 值 检 测 器 ， 放 电 回 路 的 是
随着生活水平的提高， 健康监护越来越被人们所重视， 为适合 家庭等环境下的便利监护， 我们设计了这种便携式心电监护系统中 信号采集电路。在心电监护系统中， 最重要的部分是就心电信号的 采集电路， 通常采用对地对称的双电极差动放大器， 被测的心电信 号 采 用 差 动 输 入 方 式 ， 形 成 差 模 信 号 。而 心 电 信 号 的 微 弱 性 ， 在 采 集 的 过 程 中 存 在 着 诸 如 ５０Ｈｚ 的 工 频 干 扰 、极 化 电 压 的 干 扰 、热 噪 声 以 及仪器本身产生的噪声等多种干扰信号， 特别是工频干扰， 对后续 的特征波形的检出和分析影响很大， 有时甚至会淹没心电信号， 致 使无法检出和分析。因此要求信号采集电路的采集放大部分有足够 高 的 共 模 抑 制 比 （ ＣＭＲＲ ） ， 通 常 使 用 的 “三 运 放 ”放 大 器 可 提 供 很 高 的 输 入 阻 抗 以 及 足 够 的 ＣＭＲＲ ， 但 由 于 在 输 入 端 存 在 比 有 用 心 电 信 号 大 几 十 倍 的 直 流 信 号 ， 因 此 “三 运 放 ”的 第 一 级 增 益 就 不 能 设 的 很 大 ， 从 而 限 制 了 ＣＭＲＲ 。 同 时 ， 由 于 心 电 信 号 属 于 低 频 信 号 （ ０ ．０５ ￣ １００Ｈｚ） ， 为 了 去 掉 高 频 的 干 扰 ， 因 此 还 需 通 过 低 频 滤 波 。 本 文 采 用 一 种 新 型 的 心 电 信 号 放 大 器 ， 通 过 低 通 滤 波 和 ５０Ｈｚ 陷 波 来 采 集 心 电 信 号 ， 并 通 过 双 时 值 Ｒ 波 检 出 电 路 ， 检 出 Ｒ 波 。可 达 到 较 高 的 输 入 阻 抗 和 ＣＭＲＲ ， 以 及 较 高 的 信 噪 比 。
心电信号采集电路设计
一、心电图机概述1.1 医学仪器概述医学仪器主要用于对人的疾病进行诊断和治疗，其作用对象是复杂的人体，在医学仪器没有大量出现之前，医生主要凭经验通过手和五官来获取诊断信息，现在随着电子信息等技术的发展，医学仪器可以将人体的各种信息提供给医生观察和诊断。
由于生理信号均是微弱的信号，加之人体结构的复杂性和个体差异性，医学仪器在检测研究生物信息时，必须考虑到生物信息的特点，针对不同的生理参量采用不同的方法。
检测一些十分微弱的信息时，必须用高灵敏度的传感器或者电机，对于一些变化极为缓慢的生物信息，要求其检测系统具有很好的频率响应特性。
同时，对于检测到的信号，需要进行必要的处理，才能成为医生诊断的依据，现在能检测到的生理信号十分丰富，到了不用计算机就很难处理的地步。
所以对任何检测到的信号必须进行模/数转换，对不同的生理信息还要采用一些数学方法，如对非线性的生物信息，可通过拉普拉斯变换的办法，将其按线性处理；又如欲将检测到的以时间域表示的信息转换到频率域上，就得采用傅立叶变换的方法。
在生物信息处理过程中，当需要作信号波形分析时，又要用到模拟式频谱分析法（即滤波）和数字式频谱分析法。
另外，对于处理好的生理信号，必须以某种方式显示出来如打印在记录纸上或显示在显示屏幕上等。
图1.1从上述可以看到，医学仪器与其他仪器相比具有其特殊性。
一台完整的医学仪器一般由以下几部分构成：信息检测系统、信息处理系统、记录显示系统以及其他的辅助系统（如图1.1所示）。
检测系统主要包括被测对象、传感器或电极，它是医学仪器的信号源；信息处理系统的作用是对信息检测系统传送过来的信号进行处理，包括放大、识别（滤波）、变换等各种处理和分析，它也被认为是医学仪器的核心，因为仪器性能的优劣、精度的高低、功能的多少主要取决于它，可以说医学仪器自动化、智能化的发展完全取决于信息处理系统技术进步的程度；信息记录与显示系统的作用是将处理后的生物信息变为人们可以直接观察的形式。
一种心电信号采集电路的设计
一种心电信号采集电路的设计作者：李志坚黄国明肖熙吉吴伶锡来源：《现代电子技术》2013年第15期摘要：针对心电信号的特征，提出了一种心电信号采集电路的设计方法。
通过设计信号放大电路、滤波电路，并对其逐个测试和分析，获得了清晰准确的心电图。
该电路体积小、成本低、功耗小，可应用于便携式心电监护仪的设计。
所得到的心电图可以为医务人员对心脏疾病的诊断提供依据。
关键词：心电信号；信号处理；信号放大；信号滤波中图分类号： TN911.7⁃34；TH89 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）15⁃0146⁃03Design of ECG signal acquisition circuitLI Zhi⁃jian， HUANG Guo⁃ming， XIAO Xi⁃ji， WU Ling⁃xi（School of Physics and Electronic Science， Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201， China）Abstract： Aiming at the characteristic of the ECG signal， a design of ECG signal acquisition circuit is provided. The amplification and filtering circuit is designed， and they are tested and analyzed one by one， finally clear and accurate electrocardiogram is obtained. The circuit can be used in portable ECG monitor for its small size， low cost and low power consumption. The obtained electrocardiogram can provide the basis for doctors to diagnose cardiac disease.Keywords： ECG signal； signal processing； signal amplification； signal filtering0 引言心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病之一。
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1 人体心电信号的特点
心电信号属生物医学信号，具有如下特点：
(1)信号具有近场检测的特点，离开人体表微小的距离，就基本上检测不到信号；
(2)心电信号通常比较微弱，至多为mV量级；
(3)属低频信号，且能量主要在几百赫兹以下；
(4)干扰特别强。
干扰既来自生物体内，如肌电干扰、呼吸干扰等；也来自生物体外，如工频干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来串扰等；
(5)干扰信号与心电信号本身频带重叠(如工频干扰等)。
2 采集电路的设计要求
针对心电信号的上述特点，对采集电路系统的设计分析如下：
(1)信号放大是必备环节，而且应将信号提升至A／D输人口的幅度要求，即至少为“V”的量级；
(2)应尽量削弱工频干扰的影响；
(3)应考虑因呼吸等引起的基线漂移问题；
(4)信号频率不高，通频带通常是满足要求的，但应考虑输入阻抗、线性、低噪声等因素。
3 采集电路设计分析过程
3．1 前级放大电路设计
由于人体心电信号的特点，加上背景噪声较强，采集信号时电极与皮肤间的阻抗大且变化范围也较大，这就对前级(第一级)放大电路提出了较高的要求，即要求前级放大电路应满足以下要求：
高输入阻抗；高共模抑制比；低噪声、低漂移、非线性度小；合适的频带和动态范围。
为此，选用Analog公司的仪用放大器AD620作为前级放大(预放)。
AD620的核心是三运放电路(相当于集成了三个OP07运放)，其内部结构如图1所示。
该放大器有较高的共模抑制比(CMRR)，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小且具有调节方便的特点，是生物医学信号放大的理想选择。
根据小信号放大器的设计原则，前级的增益不能设置太高，因为前级增益过高将不利于后续电路对噪声的处理。
根据上面的分析，前级放大电路按图2设计，并先运用Multisim 2001仿真。
仿真过程采用O．5 MV，1．2 Hz的差分信号源为模拟心电输入来模拟电路的放大过程，结果满足要求。
3．2 次级放大电路(信号放大)
第二级放大电路主要以提高增益为目的，选用普通的AD OP07即可满足要求。
3．3 高通滤波器(消除基线漂移)
在电路部分加上简单的高通滤波环节，对隔断直流通路和消除基线漂移将会起到事半功倍的效果，本部分电路置于预放大与信号放大电路之间，一个简单的无源高通滤波电路如图3所示。
其特征频率(转折频率)计算为：
经过高通滤波后，可X以大大削弱0．03 Hz以下因呼吸等引起的基线漂移程度，心电信号低频端也就相应地取该频率。
3．4 补偿电路(抵消人体信号源中的各种噪声)
引入补偿电路，是为了抵消人体信号源中的干扰(包括工频干扰)。
引入补偿电路的方法：在前级放大电路的反馈端与信号源地端建立共模负反馈，为提高电路的反馈深度，将反馈信号放大后(仍采用OP07)接人信号源参考端，这样可以最大限度地抵消工频干扰。
引入的这种电路形式，根据其结构和功能，可形象地将其称为“反馈浮置跟踪电路”。
3．5 整个电路系统的框图结构
整个电路系统的原理框图及信号流程如图4所示。
3．6 实际电路系统原理图
最后的综合电路如图5所示。
图中U1单元为AD620前置放大；U2为反馈浮置跟踪部分；U3为第二级放大输出部分。
该电路的增益估算为：
第一级放大：
实际增益由于高通滤波及其他损耗的存在，要比理论估算值略小，但已满足放大输出的要求。
4 电路性能的实验验证
按图5搭建电路，采用虚拟仪器LabVIEW 8．2系统，通过NI的USB-6009DAQ采集电路输出的心电信号，结果如图6所示(为便于对比，采用了相同的坐标刻度)。
在图6中，图6(a)为不加反馈浮置部分时采集到的信号波形，可以看出，干扰很大，其中的主要干扰为50 Hz的工频干扰；图6(b)为加上反馈浮置电路部分后采集到的心电波形，其基线附近的仍有部分纹波干扰，但较图6(a)不加反馈浮置时得到的波形已大为改善，可见加上反馈浮置电路对降低人体中干扰信号有很大帮助。
至于仍残留的工频干扰，可在系统后续部分采用有关滤波技术进一步加以抑制，这里不再讨论有关工频干扰的进一步滤波问题。
5 结语
采用以AD620及OP07为核心的信号放大器来实现心电信号的放大，电路功耗小，灵敏度高，理论上最低只需3 V的电源，可由外接电池提供，容易实现基于移动式设备(如笔记本电脑)为核心的心电信号采集及处理，是一种实用的心电信号前端采集放大电路(信号的
进一步优化可在采集后由软件进行调理)。