心电信号采集与监测系统.docx

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心电信号采集与监测系统

教改班综合设计与实验

心电信号采集与监测系统

李天野（02099028）

张宁祥（02099015）

2012年6月

1.实验任务与要求-------------------------------------3

2.总体方案论证与框图构筑-----------------------------3

3.心电信号调理器的设计与仿真-------------------------4

3.1放大器设计------------------------------------4

3.1.1仪用放大器设计---------------------------4

3.1.2输出放大器设计---------------------------7

3.1.3放大器总体仿真结果-----------------------8

3.250Hz陷波器设计--------------------------------9

3.3心电信号调理器总电路图-----------------------11

4.心率测量、显示及报警电路的设计---------------------12

4.1心率测量方案----------------------------------12

4.2心率测量及显示电路设计------------------------12

4.3报警电路设计----------------------------------15

5.总结----------------------------------------------16

6.参考文献------------------------------------------16

1.实验任务与要求

1.设计心电信号调理器：

增益：

60dB、70dB和80dB三档可调；

带宽：

0.01Hz~200Hz，可插入50Hz陷波器。

2.设计测量和显示心率的数字电路（用七段数码管显示）。

3.设计心率越限报警电路（报警范围为f<40次/分f>150次/分），报警方式：

屏幕显示。

4.完成模拟电路和数字电路的仿真和虚拟实验。

5.完成电路元器件的选择。

2.总体方案论证与框图构筑

整个系统由放大器、滤波器、整形电路、心率测量显示电路和报警电路组成。

根据设计任务要求，首先采用两级放大器将微弱的心电信号放大，放大器增益有60dB、70dB和80dB三档可调。

为消除50Hz工频干扰，在信号放大通道中嵌入50Hz陷波器。

放大、滤波后的信号经整形电路处理后，送至测频电路测出心率。

显示电路显示心率值，并由报警电路作出报警。

整个采集监测系统框图如图1所示。

图1心电信号采集与监测系统

3.心电信号调理器的设计与仿真

一、放大器设计

本题要求心电信号放大增益为60dB、70dB和80dB，即分别1000倍、3162倍和10000倍。

因为仪用放大器有输入电阻大，共模抑制比高，增益调节方便等许多优点，故采用仪用放大器作为输出级。

要实现60dB、70dB和80dB的增益单靠一级仪用放大器是不够的，需要多级放大。

故将放大器增益做如下分配：

第一级采用仪用放大器，增益为100倍、316倍和1000倍；第二级输出放大器为10倍的同相比例放大器。

总增益为1000倍、3162倍和10000倍。

1.仪用放大器设计

本题中我们采用美国ANALOGDEVICES公司生产的单片集成仪用放大器AD620。

其特点是低功耗；低电流噪声；电源范围广（±2.3~±18V）；由一个外接电阻调节增益，增益调节范围为1~10000；共模抑制比KCMR>93dB，输入电阻和输入电容为10GΩ、2pF，十分适合于做心电信号的放大器。

该电路的增益计算公式为

因要求放大倍数分别为100倍、316倍和1000倍，由上式算得：

分别为500

、155

和50

。

仪用放大器线路如图2所示。

（注：

图中开关A、B和C中，只允许闭合一个）。

图2仪用放大器线路图

60dB、70dB和80dB三档的仪用放大器仿真结果如下图所示。

图3仪用放大器仿真结果（60dB档）

图4仪用放大器仿真结果（70dB档）

图5仪用放大器仿真结果（80dB档）

2.输出放大器设计

输出放大器采用同相比例放大器，增益为10倍。

其线路如图6所示。

图6输出放大器线路图

图中，变动变阻器R6可改变输出放大器阻值，可做整体放大倍数微调。

输出放大器仿真结果如下图所示。

图7输出放大器仿真结果

3.放大器总体仿真结果

放大器总体仿真结果如下图所示。

图8放大器总体仿真结果（60dB档）

图9放大器总体仿真结果（70dB档）

图10放大器总体仿真结果（80dB档）

二、50Hz陷波器设计

心电信号测量过程中，比较容易受50Hz工频干扰，如图11所示。

所以在信号通道中，需要插入50Hz陷波器，以抑制干扰的影响。

图11受50Hz工频干扰的心电信号

陷波器即带阻滤波器，一般有两种形式，一种是由双T网络和运放组成，另一种是由带通滤波器和相加器组成，我们选择了第二种。

电路图如下。

图1250Hz陷波器线路图

其仿真结果为：

图1350Hz陷波器仿真结果1

图1450Hz陷波器仿真结果2

仿真结果表明此陷波器电路确实可以完成去除50Hz工频干扰的任务，但是实际上从增益上来看，使用一级陷波器的滤波效果并不明显。

为解决这一问题，可以进行多级陷波器的级联，对50Hz的工频干扰反复滤除，使得滤波效果更加明显。

三、心电信号调理器总电路图

图15心电信号调理器总电路图

对总电路仿真得电路对心电信号实现了60dB、70dB和80dB的放大，且满足带宽：

0.01HZ～200HZ，并实现了对50HZ信号的陷波，总体上达到要求。

另说明，按照标准Ⅱ导联的规定，将电极分别接在人体的左右臂手腕和左脚腕，其中左右臂电极信号经电缆分别送至仪用放大器输入端，左脚电极电缆直接接地。

C1=C2=0.22mF要求严格匹配,不仅要求相同,还要求准确。

4.心率测量、显示及报警电路的设计

一、心率测量方案

采用测频率法，用一个闸门信号去启动一个计数器对被测信号计数，当闸门信号结束时，同时关闭计数器，最后经译码送至数码管显示，用测频率法测心率的原理框图如图16示。

图16测频率法原理框图

二、心率测量及显示电路设计

1.整形电路

心电信号经调理器处理后仍是模拟信号，需经整形电路将之变换为矩形脉冲，以便用数字器件完成测量心率、显示和报警等工作。

本题采用LM555CM计时器完成整形。

线路如下图所示。

图17整形电路图

图中，改变变阻器R1的阻值，可调整触发敏感程度。

以下是仿真结果。

图18整形电路仿真结果

2.心率测量、显示电路

心率测量、显示电路如图19所示。

图19心率测量和显示电路

图19中，等效心电信号为1Hz（60次/分）的脉冲。

为方便仿真，将整个系统进程加快为原来的100倍，故时钟V1频率为100Hz。

时钟V2为由V1做四倍频而得的信号，此处，以400Hz代替。

三、报警电路设计

心率报警电路如图20所示。

图20报警电路

图中，输入心率分别经比较器（由74LS85实现）与150次/分钟和40次/分钟比较。

若心率高于150次/分，则灯X1亮、蜂鸣器U5发声；若心率低于40次/分，则灯X2亮、蜂鸣器U6发声。

此处，输入心率为160次/分，灯X1亮、蜂鸣器U5发声。

5.总结

在本次电路设计的实验中，我们通过查阅资料，应用软件进行仿真，基本完成了题设要求，实现了心电信号采集、心率测量与报警，但是仍有许多缺点需要改进，如下：

1.由于未能采集真正的心跳信号，尚不知整体电路是否能运行，本次设计只完成了部分电路的整合，理论上可行；

2.由于multisim软件对于锁相环支持不够，数电部分的倍频电路并未做出；

3.仪用放大器在80dB档时失真较为明显，故应考虑放大器三级或更多级级联解决该问题；

4.仿真结果表明此陷波器电路确实可以完成去除50Hz工频干扰的任务，但是实际上从增益上来看，使用一级陷波器的滤波效果并不明显。

为解决这一问题，可以进行多级陷波器的级联，对50Hz的工频干扰反复滤除，使得滤波效果更加明显。

6.参考文献

[1]孙肖子等，《模拟电子电路及技术基础》，（第二版），西安，西安电子科技大学出版社，2008.1

[2]杨颂华等，《数字电子技术基础》（第二版），西安，西安电子科技大学出版社，2009.2

[3]孙肖子等，《现代电子线路和技术实验简明教程》（第二版），北京，高等教育出版社，2009.2

[4]网络上的资料