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1、心电信号检测电路的介绍摘要：本文是我设计的一个心电信号的测试电路，它能够测量出人体心电信号的波形。虽没有成熟心电图机那么精准，但是也能够反应出一定的信号。鉴于不够精准方面的问题，本电路仍需进一步改进。一、心电检测电路设计目的1.掌握心电的产生原理和导联方式2.要求掌握心电测量电路的硬件实现方法3.熟悉差动放大电路、滤波电路在心电检测电路中的作用。二、心电检测电路设计原理1心电图的产生心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在兴奋过程中产生微弱的电流，该电流经人体组织向各部分传导，由于身体各部分的组织不同，各部份与心脏间的距离不同，因此在人体体表各部位，表现出不同的电位变化，这些电位变化可通过导线送至
2、一种特制的记录装置心电图机记录下来，形成动态曲线，这就是所谓心电图（Electrocardiogram，ECG），也称为体表心电图。心电信号是反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化，心肌细胞的生物电变化是产生心电图的源泉，但是心电图曲线与单个细胞的膜电位曲线有明显的差别。心脏各部分兴奋时与心电图波形的对应关系如下图所示。图中P波代表左右两心房兴奋除极过程所产生的电压变化；P-R期间代表心房开始除极传经房室结、希氏束至心室开始除极前的时间；QRS综合波代表室间隔与左右两心室除极过程所产生的电压变化；ST段代表心室除极后缓慢恢复极化过程所形成的微弱电压变化；T波代表心室肌迅速恢复极化过程
3、的电压变化；U波是在T波后的一个很小的正向波，代表心肌激动的“负后电位”。图 心脏兴奋与相应的心电图波形2体表心电图导联（Electrocardiogram Lead）将两个电极安放在人体表面的任何两点，分别同心电图机的正负极端相连，可用来描记这两点电位差的变化，这种放置电极的方法及其与心电图机的联接方式称为导联（Lead）。根据电极放置部位的不同，可组成各种导联，各种导联的心电图波形各有特点。在实用上为了统一标准以便进行对比分析，目前均采用国际上通用的导联，即、标准导联；加压单极肢体导联（aVR、aVL、aVF）及单极胸导联（V1V6）。（1）标准导联（Standard Lead）图 标准导
4、联联线方法标准导联、正负电极安放位置（统一标色）导联正极负极L左臂（黄）R右臂（红）F左腿（绿）R右臂（红）F左腿（绿）L左臂（黄） 标准导联又称标准肢体导联。它是直接将二个肢体电极的电位加至心电放大器的输入端，记录两者之差。“标准”二字的含义并不是谈它比其它导联更科学、更标准，而是指自应用临床心电图至采用单极导联之前采用的传统导联方式。三、参考模块设计框图及主要元件1心电电路框图：2设计要求及提示：（1）由左右臂输入电信号，右腿接地；（2）当心电电极采集到来自左右臂的电信号后，分别由两个电压跟随器（LF353N）传递到三运放差动放大的输入端，设置跟随器是为了提高放大器的输入阻抗，进而提高病人
5、做心电图的共模抑制比和信号强度，差动放大电路采用的主要元件为LF347N；（3）右腿驱动电路的目的是减少位移电流、保护人体安全、抑制共模信号的作用，建议用LF353N元件；（4）二级放大电路可用LF353N，电阻可调，调节放大倍数；（5）高低频滤波电路：由电容、电阻和集成运放组成，只让高于或低于一个频率的信号通过，由高通滤波电路和低通滤波电路串联形成；（6）基线电平调节: 调节变位器，实现基线抬高电平电路，供电模块由线性低压差稳压块1117M3芯片提供；（7）驱动电路：由跟随器组成，提高负载能力；（8）光电隔离电路:由6N136及电阻组成。为了人体安全，通常的生物电信号测量技术采用浮地形式，以
6、便实现人体与电气的隔离。（9）根据电路方框图画出心电电路原理图。3主要元器件：心电模块可采用的芯片有LF353N、LF347N、6N136、1117M3。4.电路设计：1)跟随器：跟随器作用：提高输入阻抗。跟随器采用LF353N，其管脚功能如下所示：2)前置放大器心电信号前置级放大电路根本上影响整体系统的性能，因此对前置级放大电路进行了专门的设计。由于心电信号属于差模信号，空间市电50Hz干扰在mV量级，属于共模信号，电极与皮肤接触的极化电势在l0100mV之间，接触电阻在110k之间，因此前置放大器的需要很高的共模抑制比，和很高的输入阻抗，这样才能从50Hz共模干扰中提取出心电差模信号，并且
7、减少共模干扰转变为差模干扰。U1、U2和R1R3构成差动放大电路，可为后级仪器放大器提高增益，进而为提高电路的共模抑制比提供了条件。同时可以接匹配电阻，从中间取共模驱动电压，给仪器放大器创造输入端的良好条件。此级放大增益为:二级放大增益为:前置放大增益为:仿真结果图：前置放大电路采用LF347，管脚功能如下：3）带通滤波器参考电路带通滤波器（band-pass filter）是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带（bandpass,允许通过的频带），同时限制限制所有通带外频率的波通过。但是实际上，没有真正意义的理想带通滤波器。真实的滤波器无法完全
8、过滤掉所设计的通带之外的频率的波。事实上，在理想通带边界有一部分频率衰减的区域，不能完全过滤，这一曲线被称做滚降斜率(roll-off)。滚降斜率通常用dB度量来表示频率的衰减程度。一般情况下，滤波器的设计就是把这一衰减区域做的尽可能的窄，以便该滤波器能最大限度接近完美通带的设计。 还有这样的定义：具有单一的传输频带（或具有小的相对衰减的通带）的滤波器，它从大于零的下限频率延伸到有限的上限频率。放大倍数：频率特性仿真结果：仿真起始频率：如图所示为4.320mHZ仿真截止频率：如图所示为824.9HZ4）50Hz陷波 50Hz陷波器由放大器A1、A2和双T器组成。双T网络具有选频作用，与A1组成
9、有源双T网络，并引入负反馈改善选频作用。电路如下图：图8. 50Hz陷波电路设反馈电阻R6下半部分阻值为kR4，其中k值取得越大，阻带宽度越窄，品质因数Q值越高，陷波特性越好，但稳定性变差；反之k值取得越小，阻带宽度越宽，品质因数Q值越低，陷波特性越差，但稳定性变好。但由于50Hz工频干扰有少量飘移，故陷波器的品质因数不能选的太大，因为工频在50Hz周围时，若陷波精准在50Hz，则不能滤除真正的干扰。根据公式： ，取中心频率50 Hz，电容47 nF，计算得到67.3k，实际电路中选68 k电阻。R7的设置是为了对Q值下限有一定限制，又考虑到Q值过高时会引起陷波器产生振荡，导致系统不稳定，因此
10、，在R6上串一个小电阻R5限制了Q值的上限。衡量品质因数大小的影响后，设定Q值范围为：Q2.622 。50HZ陷波器仿真结果：5）实验结果与分析试验结果如下图所： 从上面的图可以看出我们的实验比较成功，可以比较清晰的显示心电波形，从数值上分析，该试验者的心电信号的周期为0.8S，每分钟心跳为75次，符合正常人的标准，心电幅值也较正常。只是波形方面还不是很平滑，有一些毛刺，这是因为使用高精度元器件的时候可能那些元件的精度还是不够高，其次是我们的带通滤波器设计的问题，把高频截止频率设计得较高，使得高频信号为完全滤波。6)小节：实验中注意：首先，在搭建实际电路时，由于在市场上买的元器件可能会和实际需
11、要的元器件有很大的误差，所以在搭建电路之前必须先检测一下元器件的属性，比如电阻的阻值什么的，特别值得一体的是高精电阻的测量，否则将会导致整个电路的失败，其次，在单独测试某个电路的时候，最好要将其前后级的电路断开，这样会省去其他电路对其影响，最后，在检测心电信号时，被检测得对象必须保持平静，否则心电信号也会产生很大的漂移，测出的结果将会很不准确。整个电路做完之后，由于测试的时候是用信号发生器产生信号（一般比较大），而如果要实际测量心电信号，则要注意输入阻抗和电压增益是否足够。总之，在整个电路中，如果要测出比较准确的心电波形，元器件的精度需要很高，如果有一个错误就会导致心电图出不来，而且调试得时候
12、也根本不知道错误在哪，最后还有一点就是搭建电路的时候，最好是一个人搭，否则比较容易出错，我们就出现的很典型的错误，还有搭电路也要求将就美观，不能潦草得完事，搭的好的电路将有助于你对电路的调试，减少了很多不必要的麻烦。7)试验思考：1.为什么前置放大器要具有高输入阻抗？答：如果放大器输入阻抗不够高（与源阻抗相比），就会造成信号低频分量的幅度减少，产生低频失真,其次会造成放大器增益的不稳定。 原因如下：信号源阻抗高内阻的微弱信号；信号源阻抗因人而异，因身体状况而异，与电极安装位置、电极 本身的物理状态都关。（造成放大器增益的不稳定）电极阻抗频率的函数，随频率增加而减小。易产生低频失真。电极阻抗随电
13、极中电流密度的大小而变化。易产生输出干扰。2.为什么元器件要尽可能选择高精度的电阻和电容？答：选择高精度的电阻和电容是为了使前置放大器具有低噪声，低漂移的特点。3.同相并联差动放大电路构成生物电前置级时，其共模抑制能力取决于什么？答：（1） A1，A2运放器件的CMRR1和CMRR2的对称程度；（2）A3运放器件的共模抑制比；（3）差动放大级的闭环增益；（4）RF,R1电阻的匹配精度；（5）同相并联的第一级差动增益。 4.怎样改进试验电路使其具有更加良好的功能？答，我们可以用一个高通滤波器和一个低通滤波器和一个主放大器来代替现在使用的带通滤波器。还可以在现有的50HZ陷波器后再加一个50HZ陷波器，这样能使系统对50HZ频率信号分量有更好的屏蔽效果。使得工频干扰减到最少，使电路的效果更好。
