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心电放大电路设计报告 一、基本背景 心电信号基本 心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现, 一般比较微弱。常规心电信号是mV 级信号, 幅度为10 μV~5 mV , 其频率范围0~ 200 H z, 心电信号的主要能量成分中在0. 05~ 100 H z。高频心电信号的频带范围则是100~ 1 000 H z。 一般来说, 一个完整的心电信号波形应该包括P 波、R 波、QRS 波和T 波, 整个心动周期信号带宽主要集中在0~ 58 H z ±19 Hz, P 波带宽为0~ 8 H z ±3 H z, QRS 波带宽为0~ 55 Hz ±19 Hz, T 波带宽为0~11 H z ± 2 Hz。 对前置放大电路的要求 美国心脏协会( AH A) 在1967 年, 1975 年和1990 年的报告中特地对前置放大器做了一些建议规定, 其中主要包括: (1) 前置放大器的增益应介于200~ 2 000 之间, 其共模抑制比不应低于1 000 倍( 60 dB) 。 ( 2) 对于正弦输入信号, 在0. 14~ 950 H z 之间的频率响应应保持恒定, 上下波动不应超过6% ( ± 0. 5 dB) 。从2 500 Hz 减少到0. 05 H z 时, 其幅度衰减不应超过30%( - 3 dB) 。 ( 3) 等效的输入噪声有效值应小于10 μV。 ( 4) 放大器的差模输入阻抗应不小于20 M Ω。 二、设计思路 电路结构上，沿袭了最为经典的三运放核心架构，低通滤波电路选用了MAX280芯片来完成，以减少外围电路参数不精确对电路准确性的影响。为提高电路共模抑制比，并考虑使用的是电池供电，以及为使仪用放大电路的非线性度最小，增加了右腿驱动电路和共模驱动电路。因为在电池供电条件下，电源部分不存在工频干扰，而耦合到人体的工频信号则表现为共模电压，所以不在电路中额外增加工频陷波电路。选定基本结构后，就是具体电路参数的设计环节，试就电路的放大倍率选择和供电方式选择阐述如下： 1、放大倍率范围的选择 考虑到信号幅值为0.5μV至5mV，以及标准中对放大倍数分档的要求，选择前级放大倍数为250倍，后级的放大倍数为1/2/4/8四档，总共放大倍数为250、500、1000、2000倍四档，以实现在心电信号幅值不同的条件下都有合适的放大倍数，达到最好的放大效果。 前级电路架构中采用的是经典的三运放结构，由一个并联差动放大电路和一个仪用放大电路组成。这一级电路最为重要的是为整个放大器的共模抑制比划定一个底线，所以尤为重要。并联差动电路主要的功能是在1:1传递共模信号的同时提供差模信号的放大，因此其差模增益越高，直接就能转化为共模抑制比的提高。而另一方面，仪用放大电路的高共模抑制比需要在高增益的条件下才能保证，所以如何合理分配增益便成为了一个重要的问题。实际上，并联差动放大电路的增益高于10倍时，电路中电阻阻值之间的倍数为5倍以上，难以匹配，而且电路的稳定性也不好。从数据手册中可以看到，仪用放大电路的共模抑制比在增益高于10倍之后，就进入了一个相对的平台期，所以起码要保证在10倍以上。综合考虑之后，选定并联差动电路的放大倍数为5倍，仪用放大电路的增益为50倍。 随后需要通过低通滤波电路，其增益在截至频率点附近有一个尖峰，为了降低这个尖峰对电路增益在通带内一致性的影响，选定低通滤波电路的增益为1倍。最后是可编程增益的仪表放大电路，其增益是固定的四档：1/2/4/8倍。 2、电源结构的选择 放大的是微小的交流信号，所以需要放大器的噪声小，故首先电源应该是纯净的，不能有很大的噪声。考虑这一点和直流供电的条件下电压低（本实验中采用3节AA在3.3V~4.5V，或者一节锂电池为3.7V），电量有限（3×1400mAH=4200mAH，锂电池一般在800mAH）的特点,以及芯片的具体供电需要。提出几条供电原则： A、优先考虑电池直接供电，这样供电效率高。 B、最好采用单电源供电，这样可以简化电路设计。 C、因为需要升压而采用开关电源时，应考虑对其纹波电压（幅值在VOUT的1%左右）进行抑制，否则电路中会存在高频干扰。 D、采用开关电源应当考虑其在小电流输出条件下效率极低的问题（可以低至50%左右） 在前级放大倍数为250倍和取用电源电压的一半为直流偏置点（以处理双极性的心电信号）的条件下，最低需要前级电路的供电电压为2.5V（采用轨至轨芯片），因此就直接采用三节电池串联后构成的电池组对前级电路进行单极性直流供电，以提高用电效率，降低功耗，延长使用寿命。 后级低通滤波芯片MAX280最低供电电压为±2.375V，可编程放大器PGA205的最低供电电压为±4.5V，为此，后级电路采用了一个稳压型升压泵和稳压型反相器产生±5V电源轨，而后接低压差线性稳压电路的