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。

(6)、提示电解质紊乱，例如血钾过高过低等。

(7)、在心脏手术中，心导管检查时，进行心电图监测，可以及时反映心律与心肌功能情况，借此指导手术进行，并提示必要的药物处理。

1.ECG原理

心电图原理就是吧人体心脏搏动过程中所产生的微弱信号提取出来，并且进行放大后描记下来的一种仪器。它所描记的图形就是心电图。

2.心电图设计

2.1心电信号的采集及预处理

心电信号的采。集白1903年发明第一台弦线型心电图仪后，很长一段时期内都是采用单通道放大器按l 2导联排列顺序依次采集心电信号。这种采集方式不能同步观察12导联同一心动周期的心电波形，既影响临床心电图诊断质量，也使自动分析技术复杂化。

近年，由于高性能放大集成块、高速模／数转换器以及高分辨的热敏描记器等高科技产品的出现，12导同步心电信号的采集、放大和描记技术已不存在问题。在技术上，商品化的12导同步心电图分析仪通常只采用8通道放大器，同时采集8导联心电信号，例如I，II，V1～V5，其余导联心电图可由Einthoven公式推导获得。例如ITI=II—I，aVR=1／2(I+II)，aVL=I一1／2 II，avF=II一1／2 T。这种采集技术降低了硬件成本。由于只需储存8导联心电信号，还可节省数据存储空间达30％。

（1) 模／数(A／D)转换和采样率

计算机只能分析数字信号，因此必须首先把采集到的心电模拟信号进行数字化处理，即A／D转换。信号数字化的精度取决于A／D转换的分辨率，常用“二进制位”(bit)表示。例如8位A／D仅只能把输入的模拟电压分辨成28即256级水平而lO位A／D的分辨率可达2“即1024级水平。另外，A／D输入l电乐窗选择过大也会影响到伶测低振幅信号的能力。目前，绝大多数商业化自动分析仪均采用土二iV电压翁和IO～12位A／D分辨率(可检测到1．25uV～juV电压变化)，以符合有关国际医学机构推荐的标准。

过去热笔式摘记的心电圈仪一般采用250点／s(5OHz)采样率。近年，有关权威性国际医疗机构推荐计算机化的心电图自5()()点／s(500IIz)，近年，有关权威性国际医疗机构推荐计算机化的心电图自动分析采样率标准至少为500点／s(500Hz)，以高保真地记录心电各波形的主要变化信息，包括各种切迹和挫折变化。图1为心电模拟信号转换为数字化表示的示意图。从图中可看出，采样点之间问隔越小，心电图波形的保真度性能就越好。采用扫描速度25mm／s时，250点／s采样意味着每间隔0.1mm(4ms)采集一个电压变化数字，数值的大小反映电压振幅的高低。如采用500点／s采样意味着每间隔0.05mm(2ms)采集一个电压变化数字，可以高保真地记录心电波形。

图1 心电模拟信号转换为数字化表示的示意图

（2）噪声抑制

处心电信号不可避免地受到各种类型的噪声干扰，抑制和排除噪声是信号预理的重要内容。

2.2 心电测量电路的特殊性

心电信号数据采集系统是对心功能进行自动检测的关键部件，要求该系统能在强的噪声背景下，通过体炭传感器不失真地将心电信号检测出来，放大至合适的幅度，送入A／D卡变成数字信号，供计算机分析处理，系统原理如图2所示。

图2 心电信号检测系统原理框图

体表心电信号的频率范围为O～250Hz，信号主要成分集中在0.05～100Hz；幅度为10 u v～4mv(典型值为1mV)，是一种低频率的微弱双极性信号。

人体牛物信号的测量条件相当复杂，包括肌电信号、呼吸波信号、脑电信号等体内干扰信号和以50Hz工频干扰为主的体外电磁场干扰信号对测量电路的影响使测量电路的设计难度提高，去除心电信号提取过程的干扰和噪声，进行心电信号的分析检测是心电测量仪器的重要功能之一。心电信号的放大质量直接影响着仪器的性能。

心电信号提取过程中的T扰信号主要来源于：

(1) 50Hz、220v交流电源是最直接的干扰源；生物电信号的强度远远小于50Hz的干扰，而且它存住于所有的测量环境中，其抑制方法比能量很的各种电磁辐射干扰同难：

（2) 测量系统本身也产生对内部、对外界其他电子设备的电磁干扰，造成互相干扰的电磁环境；

(3) 来自外部的干扰(有时还有系统内部生成的干扰)和系统本身对外界其他设备产生的干扰。

心电信号放大电路设计中的关键问题是；由于信号微弱，所以需求高放大倍数；同时由于信号源（人体）内阻大，所需放大器必须有很高的输入阻抗；又由于人体相当于一导体，将接受空间电磁场的各种干扰信号，这些干扰信号对放大器来说相当于共模信号放大器应具有较高的共模抑制比：最后由于人体信号的微弱性，所以要求放大器具有低嗓声和低漂移特性。

2.2．1心电采集放大电路概述

根据心电信号的特点，心电信号采集过程中一般把电信号通过不同的引导装置引出，将信号经过前级放大电路的初步放大后，再对信号进行二次放大，将放大后的信号进行滤波，完成信号的提取和放大过程。该部分的整体框图如图3所示，导联连接图如图4所示。

图3 心电信号提取电路框图

图4 心电信号放大器连接图

图4中的导联电极分别为：RA：右臂；LA：左臂；LL：左腿；RL：右腿。

第一路心电信号，即标准J导联的电极接法：RA接放大器反相输入端(一)，LA接放大器同相输入端(+)，RL作为参考电极，接心电放大器参考点。

第二路心电信号，即标准II导联的电极接法：RA接放大器反相输入端(一)，

LL接放大器同相输入端(+)，RL作为参考电极，接心电放大器参考点。

RA、LA、LL和RL的皮肤接触电极分别通过1．5m长的屏蔽导联线与心电信号放大器连接。

2.2.2 前置放大电路

由于生物体的电信号十分微弱，一般都是毫伏级，有的甚至是微伏级，所以必须经过前置放大器的放火，才能在示波器显示或记录仪上记录其波形。前级放大器的增益只能在几卜倍以内，以免干扰信号同时被放大，可选用仪表放人器。仪表放大器具有低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及体税小等优点．它既能对单端信号又能对差分信号进行放大。根据生物体信号大多都是差分信号的特点，下面以TI公司的INAl28为例，介绍仪表放大器的工作原理。如图5所示。

INAl28是一种低电压通用型仪表放大器，其特点如下：

(1)低失调电压：50 uVmax； (2)低漂移：0．5uV／℃max；

(3)低输入漂流：5nAmax；（4）高共模抑制比：120dBmin；

(5)宽通带：200kHz(G=100)；(6)输入过压保护：士4()V：

(7)宽电源电压范围：士2．25～士18v： (8)低静态电流：700LLA；

(9)8脚塑料DTP和SO一8封装。

lNAl28由于其性能优良，加之体积小，并可用一个外部电阻方便地从l到10000设定增益，使得它能够广泛应用于信号采集放大、医用仪器以及多通道系统等很多领域，可以在低至士2．25V的电源电压下工作并且静态工作电流很小，是便携式系统的理想器件。’

INAl2丑的应用电路如图5所示：经过传感器提取的信号经过电压保护电路输入到INAl28的输入端，反馈电阻设为Rg=10KQ，根据INAl28的放大倍数计算公式G=l+50 KQ／Rg，放大倍数约为6倍。

图5 构成的前置放大电路

在INA128的使用过程中，需要注意的问题主要有以下几个方面：

（1) 仪表放大器的正负电源处，应该接滤波电容，以消除电源带来的干扰，即图2中的Cl，C1：

（2)仪表放大器的输出参考电压端(5脚)应该可靠接地。因为该引脚对地的电阻值对器件的共模抑制比有很大的影晌，例如，5Q的阻值将导致共模抑制比衰减到80dB；

(3）仪表放大器INA 128的输入电压范围很宽，可达到正负18伏，但是只有在输入共模电压小了供电电压的I．25伏左右时．才有较为理想的共模抑制比，所以在信号很弱时，应该选择小范围的供电电压；

(4) 应尽量避免使用放大器的高增益段，尽管INA 128的增益根据反馈电阻的

值可以在1到1000之间变化，但是为了减小增益误差，弱信号最好采用多级放大。

前置放大器也可采用集成运放来构成，图6所示

图6 集成运放构成的前置放大电路

为了达到从强的噪声背景中提取心电信号的目的，这样的前置放大器主要由2个氖泡、4个三极管、4个运放和电阻构成。信号输入端的氖泡Nl、N2用于高压保护；输入端4个三级管两两反接，一方面使输入端电压保持在6～7V，另一方面保证了放火器输入端的高阻抗；电阻R3用于限流保护。这样的前置放大器的输入阻抗为10M欧，带宽1000Hz，增益为20倍，共模抑制比CMRR为90dB，CNRR决定于R6～Rll的匹配精度，运放A1、A2的匹配程度对其也有一定影响。

图7 中级放大器原理图

2.2.3 中级放大器，50Hz陷波器，后级放大器

中级放大器用来将前置放大电路的心电信号进行再次放大。该部分电路主要包括由图7中的Rl6～R1 8、P2、P3、c3及运放A5。本级采用增益可调的T型电阻网络．通过电位器P3来调整放大倍数，电位器P2调整输入端零电平的位置。该级

增益为40倍。

50Hz_[频干扰是心电信号的主要干扰源，因此必须用专门的电路去除它。陷波电路被广泛应用于抑制混在生物信号中的工频干扰，50Hz陷波器用于滤掉50Hz 工频干扰。图7的电路中采用有源双T陷波电路，由R20～R22和C4～C6构成，双T 网络具有选频作用，但其陷波特性差，且无带负载的能力，所以在双T网络的后面加运放A6构成有源双T带阻滤波器，并增加A7进行反馈，对陷波特性进行改善，这样可提高电路性能。

后级放大器的作用是进一步提高放大倍数，并且提供与A／D采集卡相匹配的电位及相应的保护电路。图7中的后级放大器的由R34～R37，和运放A8、A9组成级联放大器。

3 心电信号检测设计处理流程

人体体表心电信号的大小一般只有几百微伏到几个毫伏的信号强度，需要具有高输入阻抗的信号放大，为了消除工频干扰和其它高频噪声源，在心电信弓检测放大电路。卜需要充分考虑共模噪声的抑制和通频带的设置。心电信号的测量是针对心脏心肌细胞的电活动在体表各方向上的投影分量进行的，检测手段将包含心电电极和连接电栏(即换能器)、信号放大电路、滤波电路、相应的数字处王坐电路和相应的处理软件等，如图8所示，即由信号提取、信号放大、信号处理、计算机显示儿部分组成，这是一种直接的电信号测量方法。测量的准确与否将主要取决十电路的增益设计的准确性、信道的通频带宽度等。

图8 心电信号检测处理过程图

图9 心电信号柃测放大电路设计流程

图8中信号放大与信号处理部分电路的构成如图10所示，设计指标为：差模电压增益为1000，差模输入阻抗要求大于107欧，共模抑制比要求大于80dB，

通频带在0.05～200Hz之间。

差模电压增益：1000 差模输人阻抗：太平107欧姆共模抑制比；80dB

通频带：0.05Hz到200Hz之间

图10电信号放大处理电路构成图

4 心电检测电路中前置级放大的设计与仿真

1.用单运放构成同相比例放大器；

图11 单运放同相比例放大电路

其放大倍数的理论值为：

A v=(R1+R2)／R1=40(32dB)

运算放大器LF4llACH的参数为：Avo=50～200(V／mV)， Rid=1M欧，K1mr=100dB

图12 单运放差模放大倍数仿真图仿真结果为；

图13 单运救差模放大倍数仿真结果图共模放大倍数仿真图；

图14 单运放共模放大倍数仿真图

仿真结果为；

图15 单运放共模放大倍数仿真结果图

可见，共模放大倍数为7.977dB(Avc=2.5)，共模输入电阻为Ric=9l70hm;所以Kcmr=Avd／Avc：=40／2.5=16

5 结论

传统的手工设计电子电路，一般是根据经验和成熟的电路数据来预定电路参数，采用简化的电路和器件模型估算电路特性，通过搭建试验电路加以验证，这种方法费用高、效率低。随着计算机的发展，电路设计可以通过汁算机仿真过程来完成，用计算机仿真代替搭试验电路可以大大减轻方案验证阶段的工作量，并能保存仿真中产生的各种数据，为电路的硬件调试提供参考数据。

6 总结

随着科学技术的发展，各种医学仪器如监护仪，分析仪等都不断地被研制出来，并且性能也越来越好，对放大电路的性能要求也越来越高，为医学工作者准确把握病人的健康状况提供强有力的证据。由于实验采用的仪器设备相对简单，只用一路心电信号，导电接触能力不是很好，以及时问仓促和被测人有窦性心律等原因，实验效果实际心电图存在差异。本次设计仅从硬件电路的设计角度完成了心电信号的放大处理，实际上，放大以后的心电信号完全可以经A／D转换后，采用效果更好的数字处理技术来完成滤波和陷波，在这里就不再叙述。最后，感谢老师及同学们给我的帮助，由于时间仓促以及本人能力有限，本次设计还有许多错误和不足之处，希望老师提出更多宝贵意见。