本文通過三導聯采集人體的心電信號，依次通過前置放大、高通濾波、50HZ陷波、主放大和低通濾波電路，得到可以在示波器上較清楚顯示的心電圖。其中，第一級前置放大是CMRR很大的差動放大器，此處采用儀用放大器AD620，放大倍數固定為10的電路；第二級是二階有源高通濾波器電路，所設計的截止頻率為0.05Hz；第三級是50hz陷波電路，能有效去除50HZ工頻干攏；第四級是主放大，放大倍數為100倍，采用TL084；第五級為低通濾波器電路，所設計的截止頻率為100Hz。該電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低溫漂和高信噪比等特點,很好地滿足心電采集設備的要求，電路簡單可靠，可行性強。

1 引言

心血管疾病是人類死亡的主要疾病之一，許多患者心臟病發作后由于未能及時發現和搶救極易發生死亡。然而由于心律失常的出現常常是偶發的，使用通常的心電圖機等短程分析方法不易發現，現在較為有效的方法就是采用記錄2小時以至更長時間的心電圖并加以分析以期捕捉到心律失常波形。

心電放大電路設計應滿足以下基本要求：⑴在測量過程中不允許影響正常的生理過程；⑵測得的生理信號不得失真；⑶最大可能地將信號與各種干擾分離；⑷一旦有電擊事故等危險情況發生必須對病人提供有效地保護。其中，⑴、⑵、⑷直接與前置放大器設計的優劣有關，⑶主要靠后級的濾波電路實現，但是仍依賴前置級的成功設計。

本文研究設計了一種低功耗、結構簡單、性價比高的心電放大器，在此基礎上可研制出便攜式動態心電記錄儀。該儀器的最大優點是電路簡單、實用、低功耗且成本低廉，對各中小型醫院的危重病人的搶救和家庭監護有較好的實用價值。本文設計的心電放大器包括前置放大電路、高通濾波電路、陷波電路、低通放大電路和主放大輸出電路五個部分。

2 心電信號的產生及特征

心臟是人體中血液循環的動力源泉，依靠心臟的有節律性的搏動，使得血液不斷在體內循環，以維持正常的生命活動。

圖2.1 正常心電圖的波形圖

心臟在搏動之前，心肌首先發生興奮，在興奮過程中產生微弱的電流，該電流經人體組織向各部分傳導，由于身體各部分的組織不同；各部分與心臟間的距離不同，因此在人體體表各部位，表現出不同的電位變化，這些電位變化可通過導線送至記錄裝置即心電圖機記錄下來，形成動態曲線，這就是所謂心電圖(electrocardiogram，ECG)，也稱為體表心電圖。正常的人體心電圖可以反映心臟激動電位的變化，是由一系列重復出現的下列各波、段和間期組成。

2.1 心電信號的特點

（1）微弱性：從人體體表拾取的心電信號很微弱，一般只有0.05mV～5mV。

（2）不穩定性：人體電信號處于動態變化之中。由于人體是一個與外界有密切關系的開放系統，加之內部存在著器官間的相互影響，所以，無論來自外部或者內部的刺激，都會使人體因適應這種變化，而從一種狀態變化到另一種狀態，從而使人體信號發生相應的變化。因此，在對心電信號進行測量、分析和處理時，應該注意到它是隨時間變化的信號，應按其頻譜特性，選擇適當的放大系數和顯示記錄裝置。

（3）低頻特性：人體心電信號的頻譜范圍主要集中在0.05～100Hz，分布的帶寬范圍有限，其頻率是比較低的。

（4）隨機性：人體心電信號是反映人體機能的信號，它是整個人體系統信息的一部分。由于人體的不均勻性以及可接收多通道輸入，信息易隨外界干擾而變化，從而使心電信號表現出隨機性。

2.2 心電信號的常見噪聲

心電信號具有微弱、低頻、和高阻抗等特性，極其容易受到干擾，所以分析干擾的來源，以便采取相應的濾除措施，是數據采集重點考慮的一個問題。常見干擾有如下幾種：

（1）工頻干擾。由于供電網絡無所不在，因此50Hz的工頻干擾是最普遍的，也是心電信號的主要干擾來源。它主要通過人體和測量系統的輸入導線的電容性耦合，以位移電流的形式引入，其強度足以淹沒有用的心電信號。

（2）呼吸引起的基線漂移和ECG（心電信號）幅度改變。呼吸引起的基線漂移可以看成是一個以呼吸的頻率加入ECG信號的竇性成分(正弦曲線)。這個正弦成分的幅度和頻率是變化的。呼吸所引起的ECG信號的幅值的變化可以達到15％。基線漂移的頻率約是從0.1Hz一0.3Hz。

（3）高頻電磁場干擾。隨著無線電技術的發展，各種頻段的無線電廣播、電視發射臺、通訊設備、雷達等的工作使空中的電磁波大量增加。這些高頻電磁干擾也可通過測量系統與人體連接的導線引入，可能引起測量結果的不穩定，嚴重時會使測量系統不能工作。

（4）電極極化干擾。心電的獲取是通過在人體體表放置電極來進行的。與電極接觸的是電解質溶液(導電膏、汗液或組織液等)，從而會構成一個金屬—電解質溶液界面，因電化學的作用，在二者之間會產生一定的電位差，稱之為極化電壓。極化電壓的幅度一般較高，在幾毫伏到幾百毫伏之間。當兩電極狀態不能保持對稱時，極化電壓就會產生干擾，特別是在電極與皮膚接觸不良以致脫落的情況下更為嚴重。

（5）肌電干擾。興奮和收縮是肌肉的最基本功能，在神經系統的控制下，肌肉機械性活動并伴隨有生物電活動。這些生物電活動產生的電位差隨時間變化的曲線即為肌電圖。肌電通常是一種快速的電變化，其頻率范圍為20—5000Hz。

（6）測量設備本身的干擾。信號處理所采用的電子設備本身也會產生儀器噪聲。這類干擾一般具有較高的頻率特性，容易通過低通濾波加以濾除。

3 心電信號采集電路設計要求

設計一個用于心電監護儀的心電放大器，心電信號的幅度范圍為0.01 mV～5mV，放大器的供電電壓為±5V，要求放大器與后續計算機系統中的A/D轉換器相連接，A/D轉換器的輸入電壓范圍為0～5V。

主要技術指標：

（1）輸入阻抗：≥5MΩ

（2）輸入偏置電流：<2nA

（3）等效輸入噪聲：<30uVpp

（4）共模抑制比：50Hz正弦信號的共模抑制比≥90dB

（5）耐極化電壓：±300mV

（6）漏電流：<30uA

（7）頻帶：0.05～100Hz

具體要求：

（1）設計放大器電路；

（2）計算電路中個元器件的參數值；

（3）具體選擇電路中所用元器件的型號，并對選擇的關鍵元器件說明其選擇理由。

4 心電信號采集電路設計

4.1系統框圖的設計

本電路設計主要由五部分組成：前置放大電路，高通濾波電路、50Hz陷波電路、低通濾波電路和主放大輸出電路。系統框圖如下圖所示：

圖4.1 心電放大器系統框圖

從心電電極得到的心電信號先要經過前置放大電路，被處理后的信號具有低噪聲、低漂移、低共模抑制比等性能。這時候的心電信號主要受到工頻、肌電等信號的干擾，可通過相關的信號調整電路對其進行處理。現分別對各單元電路設計如下：

4.2 前置放大電路

前置放大器是硬件電路的關鍵所在，設計的好壞直接影響信號的質量，從而影響到儀器的特性。除了要求精度高穩定之外，根據心電信號的特點，前置級應該滿足下述要求：

（1）高輸入阻抗。被提取的心電信號是不穩定的高內阻的微弱信號，為了減少信號源內阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。一般情況下，信號源的內阻為100kΩ，則放大器的輸入阻抗應大于1MΩ。

（2）高共模抑制比（CMRR）。人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的信號以外的生理信號的干擾，一般為共模干擾，前置級須采用CMRR高的差動放大形式，以減少共模干擾的傳遞。

（3）低噪聲、低漂移。主要作用是對源信號的影響小，拾取信號的能力強，能夠防止輸出飽和、使輸出穩定。

（4）高增益:心電信號的幅度范圍為0.5～5mV，頻響：0.05～100Hz，屬于微弱信號，因而需要的放大器增益較高。

本次實驗設計的前置放大電路如下圖所示

圖4.2 前置放大電路圖

根據系統設計要求采用高精度儀用放大器AD620,。AD620是一種只用一個外部電阻就能設置放大倍數為1—1000的低功耗、高精度儀表放大器。盡管AD620由傳統的三運放放大器發展規律而成,但一些主要性能卻優于三運放構成的儀表放大器設計,電源范圍寬(±2.3V--±18V),設計體積小,功耗非常低(最大供電電流僅為1.3mA)因而使用于低電壓、低功耗的應用場合。

圖4.3 AD620芯片引腳圖

所以設計出的前置級放大倍數為：

人體接地是造成觸電事故的一個重要原因，因此取消人體接地是最根安全用電措施。人體接地本來就是在沒有高質量的放大器情況下采取少共模信號的應急措施。測量心電圖時，如果病人右腳不接地，由于雜散分布電容的影響，病人身上將會產生很高的共模電壓。因此，最理想的方法是設計出一種既能減少共模干擾又能取消人體接地的電路。右腿驅動的工作原理是將由人體體表獲得的共模電壓通過負反饋放大的方式輸回人體，從而達到抵消共模干擾的作用，從根本上抑制共模電壓。

右腿驅動電路

圖4.4 加右腿驅動的前置放大電路圖

4.3 高通濾波電路

由于心電信號微弱，需要多級放大，而多級直接耦合的直流放大器雖能滿足要求，但多級直接耦合的直流放大器容易引起基線飄移。此外，由于極化電壓存在的緣故，動態心電圖機的直流放大器更不能采用多級直接耦合。本裝置中，在兩級放大器之間采用RC耦合電路，即時間常數電路，在隔離直流信號的同時達到高通濾波的效果。我們取時間常數約為3.2s，這樣可確定電阻、電容值，在兩級之間組成高通濾波器。可得轉折頻率為：

本設計采用的高通濾波電路為二階壓控電源型高通濾波器拓撲結構，其電路圖如下圖所示：

圖4.5 高通濾波器電路圖

4.4 50Hz陷波電路

心電信號由于頻率低、信號小、因此50Hz的工頻干擾特別嚴重。工頻干擾信號通過周圍儀器設備以及人體內的分布電容混淆在心電信號之中，影響測量效果。為了去除人體或者測量系統中的工頻50Hz干擾，需要用帶阻濾波器（即陷波器）予以抑制。

由前面前置放大器的設計可知，本系統通過右腿電路和放大器AD620自身的特性，實現了對心電信號中的共模干擾較好抑制，但還是有部分50Hz工頻干擾順利通過了前置放大器，仍保留在了心電信號中。由于50Hz工頻干擾是心電信號中的主要干擾，并且它的頻率正好處在0.05～100Hz的頻帶范圍之內，再加上其它的不穩定因素，剩余的工頻干擾信號還比較強，因此，必須設計相應的電路將它們濾除。所以，為了將心電信號頻帶范圍之內的50Hz工頻干擾信號濾除，同時保證其它信號毫無衰減地通過，在本系統中必須設計一個陷波器（即帶阻濾波器），它負責完成抑制50Hz工頻干擾信號，而讓其他頻率通過。經過研究比較，采用的是二階壓控電壓源帶阻濾波器（巴特沃斯響應），其具體電路如下所示：

圖4.6 50Hz陷波電路圖

4.5 主放大電路

由于心電信號的幅度很小，一般只有１mv左右，而系統進行模數轉換的芯片的電壓輸入范圍是0～5V，因此，僅僅靠前置放大電路所實現的10倍放大還遠遠不夠，還需要增加一級主放大電路來提高整個心電放大電路的增益。由于前置放大器已經完成對心電信號的10倍放大，公式為：

因此，該電路還需要一個100放大的主放大電路，最終實現心電信號的1000倍放大，將1mv信號放大成1V的轉換要求。所設計的主放大電路如下圖所示：

圖4.7 主放大電路圖

4.6 低通濾波電路

由于電磁干擾越來越嚴重，所以心電信號在采集過程中不僅有50Hz的工頻干擾和低頻、直流分量的干擾，還有高于100Hz高頻諧波的嚴重干擾，有必要進行低通濾波電路的設計。本設計采用的低通濾波電路為二階壓控電源型低通濾波器拓撲結構，其電路圖如下圖所示：

圖4.8 低通濾波器電路圖

根據傳遞函數得該電路的截止頻率與品質因數表達式分別為：

5 Multisim電路仿真結果

5.1 前置放大電路仿真

輸入：幅值為2mv,頻率為80Hz的正弦波

圖5.1 前置電路仿真輸入輸出結果圖

從圖中我們可以看出放大倍數約為10倍，仿真結果與理論計算差不多。

5.2 高通濾波電路仿真

輸入：幅值為20mv,頻率為80Hz的正弦波

轉折頻率大概0.05Hz

圖5.2a高通濾波電路仿真波特圖

圖5.2b高通濾波電路仿真輸入輸出圖

從仿真結果可以看到高通濾波器對80Hz的正弦波無減少

5.3 50Hz陷波電路仿真

輸入：幅值為10mv,頻率為50Hz的正弦波，波特圖如下圖所示：

能有效減少50Hz工頻干擾

圖5.3a 50Hz陷波電路仿真波特圖
輸入信號幅值

圖5.3b 50Hz陷波電路仿真輸入輸出圖

從仿真結果可以看出對50Hz的正弦波信號有較好的抑制作用，符合設計要求。

5.4 主放大輸出電路仿真

輸入：幅值為10mv,頻率為50Hz的正弦波,輸出波形如下圖所示：

圖5.4 主放大電路仿真輸入輸出圖

從仿真結果可以知道大概放大了100倍，與理論設計相符合。

5.5 低通濾波電路仿真
轉折頻率大概在100Hz

圖5.5低通濾波電路仿真

5.6 總體電路仿真

輸入80Hz，2mV的正弦波信號，輸出波形和波特圖如下圖所示：

圖5.6a 總體電路波特圖

最初輸出信號的幅值

最終輸出信號的幅值

圖5.6b 總電路仿真輸入輸出圖

從總電路仿真可以看出輸入2mv,輸出2V.,放大了1000倍左右，符合設計要求。

6 硬件電路的調試和測量

6.1電路焊接

當電路設計好后，準備進行電路的焊接。

（1）準備器件：準備好焊接時所需要的器材，理好要焊接的器件，分類放好；

（2）在用烙鐵前檢查烙鐵是否接地良好，把烙鐵頭用海綿洗干凈鍍上錫。焊接時溫度不要過高，時間不要過久。注意焊點的透滲性，點與點的間距，松香與焊錫膏的配合。

（3）焊接前先對電路進行初步布局，做到心中有數，臨時布線會出現很多意想不到的問題。

（4）開始焊接主器件，并且邊焊接邊測試各個電源與地是否存在短路現象，焊接好一部分（功能模塊）后立即進行測試，待正常后再焊接下一部分，直到所有的器件都焊接完畢；

（5）焊好后必須檢查所焊件是否有虛焊，沒焊，錯焊，短路現象。

6.2 電路調試

（1）目測檢查

檢查各個元器件是否焊接正確（方向、極性，阻值）。檢查每個焊點是否焊好，應無漏焊、虛焊、焊點均勻、光潔、焊錫適量、是否有短路

（2）電路板檢查檢查（用萬用表檢查）

對照電路原理圖，不插芯片，只是對電阻、電容進行檢測，檢查、測量各個元器件管腳之間的連接是否正確。（每個芯片，每次上電之前都要進行如下檢查）：檢查正電源與負電源之間是否短路；檢查正電源與地之間是否短路；檢查負電源與地之間是否短路；檢查運放輸出與正電源、負電源、地之間是否短路。

檢查無誤后，在檢查各部分聯接正確無誤的情況下，插上芯片通電檢查，打開電源開關，進行測試。

（3）.這是才是真正調試的開始，調試過程中，會出現很多問題，比如沒有信號輸出、信號失真等。在實驗過程中調試電路的第一件事情就是測試電源，這直接關系到芯片的安全和能否正常使用，待電源正常后再進行下一步測試；電路要一級一級地進行測量，上級接通之后再看下一級。

圖6.1 焊接中的電路圖

連接好的硬件示意圖如下：

圖6.2 焊接好的電路圖

6.3 電路各個模塊的調試

焊好電路后，要進行電路板的調試。首先要對電路的各個模塊進行調試，將函數信號發生器產生的信號送入各個模塊的輸入端，通過檢測輸出波形，調節滑動變阻器對各個模塊的性能進行檢測和調試。

（1）AD620模塊

當輸入1mV，20Hz正弦波信號時，通過示波器可測試出信號經AD620模塊后的輸出電壓大致為9.7mV，可計算出該模塊的放大倍數為9.7，比較接近理論值10倍。

（2）高通濾波模塊

將AD620模塊輸出的信號接入高通濾波模塊，用示波器測試其輸出電壓大致為9.7mV，高通濾波器對效果不錯。

（3）陷波器模塊

在單模塊在測試過程中，首先陷波器輸入端輸入1V，50Hz的正弦波信號，用示波器測試其輸出電壓大致為36mV, 陷波器效果好。

（4）主放大器模塊

主放大器輸入端輸入10mV，20Hz的正弦波信號，用示波器測試其輸出電壓大致為960mV，可計算出該模塊的放大倍數比較接近理論值100。

（5）低通濾波模塊

將主放大輸出的信號接入低通濾波模塊，用示波器測試其輸出電壓大致為1V，低通濾波器效果不錯。

將調試好的各模塊連接起來，輸入2mV，20Hz的正弦波信號，檢測到的信號波形如下圖所示：

圖6.3 得到的總體電路的信號波形

6.4 頻帶的測試

放大器的頻帶可分別由設計系統中的低通及高通濾波器來確定。用函數信號發生器產生2mV的信號，通過改變輸入頻率來測得頻帶范圍大概為0.05Hz~100Hz，其中50Hz陷波處，信號幅值為160mV,測量結果如下圖所示：

從上圖可看出，除去采集過程中由于示波器或其他原器件帶來的誤差外，該心電采集放大電路的通頻帶大致符合設計要求，即通頻帶為：0.05Hz～100Hz。并且還可看出在50Hz附近有明顯的衰減。

7 實驗結果及分析

7.1 心電測量結果

將兩輸入端和地線分別通過心電電極和左手、右手還有右腿相連，通過示波器來觀察采集到的心電信號如下：

7.2 心電信號結果分析

（1）高輸入阻抗

測試方法：將輸出信號接地，電路上電后測量兩輸入信號之間的阻抗。

測試結果：測得地輸入阻抗大約為9.06M，指標要求中，前級放大電路的輸入阻抗要大于5MΩ，滿足實驗要求。

（2）共模抑制比

共模抑制比(CMRR)是差動放大電路的主要技術指標。為抑制信號中所攜帶的共模干擾，生物電放大器的共模抑制比一般要達到60dB到80dB，本設計要求為100dB。由于心電信號大多幾種在0-45Hz之間，因為選取其中的一個頻率17Hz來對其共模抑制比進行測量。

測試方法：信號輸入的兩個信號中，一個信號接地，另一個信號接入一個較小的信號（若信號過大，能有可能因為放大以及電源的原因，造成信號失真），測量信號的輸出，并計算出差模增益；信號輸入的兩個信號同時接輸入信號（由于信號會被抑制，因此此時應選擇較大的輸入信號，我選擇的為12V），測量信號的輸出，并計算出共模增益。共模抑制比（CMRR）定義為放大器的開環差動增益與共模增益之比。

測試結果：

經檢驗，實驗所測得的共模抑制比為94dB，滿足設計要求。

（3）放大倍數

測試方法：測試不同頻率時信號的差模輸出，輸出信號比上輸入信號，得其放大倍數。

測試結果：由前面計算可知，該心電放大器放大倍數理論上為1020倍，當輸入2mV，20Hz正弦信號經放大后在示波器上顯示如下圖：

圖7.3 輸入與輸出信號對比圖

實際側得的放大倍數為A=1.82/0.02=910倍。

4）偏置電流

要求所采用的偏置電流：<2nA。TL084CD的偏置電流為30pA，滿足偏置電流小于2nA的要求。

5）輸入噪聲

測試方法：將兩輸入端短接，然后接地，測量輸出端的峰-峰值，所得的信號就是噪聲。再根據系統設計電路的放大倍數，即可求得該電路的輸入噪聲。

通過測量可得，輸入短接后，輸出信號的峰-峰值為200mV,電路放大倍數為1000倍，因此該輸入噪聲為0.2uV，滿足噪聲小于30uVpp的要求。

6）頻率響應測試方法：測電路的不同頻率時的輸出信號，輸入信號幅值為2mV，測試不同頻率下的幅值大小。如下表所示：測試結果：

由上表數據可以看出濾波器的通頻帶寬大概為：0.05Hz—100Hz。與理論值差不多。

8 總結與體會

通過這次焊接心電放大器的實驗，我學會了關于電路的很多知識，很多東西不只是看就能得來的，必須要親自動手焊接。而且在實驗尤其是調試電路的過程中遇到很多問題，需要耐心和細致的檢測，一步一步的調試，在每次開始測量之前，都需要測量電源和地之間、電源與電源之間是否短路之后再插芯片……實驗中會出現很多的問題，這就需要扎實的焊接的基本功和豐富的經驗，這都是我以后需要加強的地方。該心電放大器基本實現了技術指標。

通過實際設計心電放大電路，不斷地查閱文獻和書籍，不僅鞏固了基礎知識，還從中學到了很多東西，注意到了許多以前沒有注意到的問題。對有源濾波器、陷波器等基本的常見的電路的設計有了更深入的理解。同時，經過這次心電信號采集電路的設計，使得我們對心電信號有了一定程度的了解，并掌握了生物電信號采集電路設計的基本原理，對噪聲和干擾也有了新的認識。當然最重要的還是學會了對電路參數的測量方法，這在以后的實際電路設計中，都是非常有用的。附錄（心電放大器全圖）