心电信号放大器设计 设计用于检测人体心电信号的放大器，要求如下： 一、 1、 输入阻抗≥10MΩ。 2、 共模抑制比≥80dB。 3、 电压放大倍数 1000 倍。 4、 频带宽度为 0.5Hz~100Hz。 5、 放大器的等效输入噪声（包括 50Hz 交流干扰）≤200μV。 设计方案分析 二、 1、 心电信号的特点及检测 人体的各种生理参数如心电、脑电、肌电等生物电信号都是属于强噪声背景下微弱的低 频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。心电信号是人类最早研究并应用于 临床医学的生物电信号之一，与其他生物电信号相比，该信号也比较容易检测同时具有直 观的规律性。一般人体心电信号的幅值约 20μV~5mV，频带宽度为 0.05Hz~100Hz，由于 心电信号取自于活体，所以信号源内阻较高，且存在着较强的背景噪声和干扰。 在检测人体生物电信号时，需要采用所谓的生物电测量电极，又称引导电极来实现的， 通过引导电极将生物电信号引入到放大器的输入端。对于心电信号的检测，临床上为了统 一和便于比较所获得心电信号波形，对测定心电信号（ECG）的电极和引线与放大器的联 接方式有严格的统一规定，称之为心电图的导联系统。目前国际上均采用标准导联，即将 电极捆绑在手腕或脚腕的内侧面，并通过较长的屏蔽导线与心电放大器相连接。标准导联 有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。 其具体联接方法如图 。 图 1 标准导联联线方法 2、 心电信号放大器设计要求及组成 根据心电信号的特点，对心电信号放大器的要求是高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、 低噪声、低漂移、合适的通频带宽度和输出较大的动态范围等。典型的心电信号放大器的 组成如图 所示，主要有前置放大、高通滤波、低通滤波、50Hz 陷波器、电压放大等电路。 

图 2 心电信号放大器组成框图 主要单元电路参考设计 三、 1、 心电信号输入电极 电极（导联）对心电信号放大器的质量影响很大，采用的电极应该具有贴附力强、透 气性好、吸汗、电极导电性能好、极化电压低的优质电极。此外还应该具有对皮肤刺激小、 佩戴舒适、拆卸方便等优点。通常采用表面镀有 AgCI 的可拆卸的一次性的软电极，并在电 极上涂有优质的导电膏，目前已有成品可买。对于自制电极可以采用 20mm×20mm 的薄铜 皮作为皮肤接触电极；用带有尼龙拉扣的布带或普通布带将电极捆绑在四肢相应位置；在 进行心电图测量前，使用酒精棉球仔细将与电极接触部位的皮肤擦净。 2、 心电信号前置级放大电路 由于心电信号属于高强噪声下的低频微弱信号，所以要求前置放大器应具有高输入阻 抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力等特点，选择仪表放大器 即可满足要求。考虑到要求高共模抑制比、高输入阻抗和调试方便，不使用采用集成运算 放大器构成的仪表放大器，而是直接使用集成仪表放大器，本设计选用低成本集成仪表放 大器 AD620 实现。AD620 仪表放大器的管脚排列见图 3。AD620 作为高精度仪表放大器， 只需要用改变 1 脚和 8 脚之间的外接电阻，即可实现放大器 1~1000 变化范围的电压增益。 该放大器的差模电压放大倍数表达式为：G=1+49.4kΩ/Rg 。AD620 的最大失调电压仅为 50 μV，失调电压温漂 0.6μV/℃，输入电压噪声为 nV9 Hz ，输入电流噪声 pA1.0 Hz ， 所以作为前置放大器可以很好的工作。为了避免在强干扰信号下，放大器输出产生失真， 前置放大器的电压放大倍数不能设置过高，本设计选择电压放大倍数等于 10 倍。 另外为了消除强共模信号通过屏蔽层电容造成放大器输出的影响，一方面要求电极（导 联）线的屏蔽层不予接地，另一方面设计了自举屏蔽驱动电路，采用缓冲放大器将连接点 的共模电位驱动到屏蔽线，使引线屏蔽层分布电容的两端电压保持相等，从而消除了共模 电压由屏蔽层分布电容引起的不均衡衰减。 为了进一步提高前置放大器的共模抑制比和抗干扰能力，再采用右腿驱动电路，从根 本上降低空间电场在人体上产生的干扰。整个前置放大器的电路如图 。 图 3 AD620 管脚排列图 图 4 心电信号前置放大器 二、滤波器电路 正常心电信号的频率范围为 0.05~100Hz，而 90%的心电信号频谱能量集中在 0.25~35Hz 之间。噪声信号来源主要有工频干扰、电极接触噪声、人为运动肌电干扰、基线漂移等， 

其中 50Hz 的工频干扰最为严重。为了消除这些干扰信号，在心电信号放大器电路中，应加 入高通滤波器、低通滤波器和 50Hz 工频信号陷波器。 1、 高通滤波器 高通滤波器选择典型的压控电压源二阶滤波器，电路结构如图 。该电路的典型参数 为：截止频率 f 0  1 2 RC ，品质因数 Q  1 A  0 3 ，通带放大倍数 A 0 R f R 1 1 。 现 要 求 滤 波 器 的 截 止 频 率 等 于 0.05Hz ， Q=0.707 ， 取 电 容 等 于 47 μ F ， 则 电 阻 R ，选用电阻 68kΩ。通带电压放大倍数 A0=3-1/Q 67.8 kΩ   ≈1.586，取 R1=20kΩ，Rf=0.586R1=0.586×20kΩ=11.72 kΩ，取 12 kΩ。集成运算放大器选 用高精度、低漂移运算放大器 OP07。 1 47  14.32    6 10  05.0 图 5 二阶高通滤波器 2、 低通滤波器 二阶低通滤波器电路如图 。该滤波器的参数指标为：截止频率 f 0  1 2 RC ，品质因 数 Q  1 A  0 3 ，通带放大倍数 0 A 1 。在该电路选择参数情况下，二阶低通滤波器的截 止频率 f 0  1 2 RC   14.32   68  1 10 3  .0 022  10  6  106 Hz4. ， Q  1 A  0 3  2 。 图 6 二阶低通滤波器 3、50Hz 干扰信号陷波器 50Hz 工频信号陷波器可以采用应用广泛的双 T 型有源带阻滤波器，图 是自举式双 T 桥二阶有源带阻滤波器电路。这种滤波器的有点是品质因数可以调节，且和带阻滤波器的 中心频率无关。在该电路中，当 A2 的同相输入端接地（反馈系数最小）时，滤波器的 Q 值 最小，大约为 0.3；当 A2 同相输入端的电位很接近滤波器的输出电位（反馈系数大）时， 

中心频率 f 0  1 2 RC   1 10  68  3  .0 047  10  6  50 Hz ，要求滤波器的阻带宽 这时滤波器的 Q 值大，但 Q 值过大会造成电路的不稳定甚至自激，一般将 Q 值选在十至几 十的范围内，调节图中 RW 可改变 Q 值大小。在图中双 T 网络参数选择下，带阻滤波器的 度 BW=2Hz，则 Q   25 。 14.32  50 2  f 0 BW 图 7 50Hz 干扰陷波器 三、电压放大器 对于末级电压放大器的要求是应该具有低噪声、低漂移，且具有足够大的电压放大能力 和一定的频带宽度，同时输出具有比较大的动态范围。由于心电信号放大器总的电压放大 倍数要求 1000 倍，前置级和高通滤波器通频带电压放大倍数分别为 10 和 1.586，所以电压 放大器的电压放大倍数为 63 即可满足要求。采用低噪声、宽频带集成运算放大器 NE5532 构成的电压放大器如图 。 图 8 电压放大器 整个电路系统中所有的集成器件采用±9V 电源电压，每个集成器件注意电源滤波。 电路安装与调试 四、 1、电路安装前请仔细查阅有关集成器件的资料，并画出详细的安装电路图。 2、前置放大器调试。在图 中将输入信号端 RA 或 LA 任一端接地，将大小是 1V、频率是 20Hz 的正弦波信号输入到 10KΩ和 100Ω组成的电阻分压网络，然后将 100Ω两端 10mV 的 信号输入到前置放大器中，测量其前置放大器的输出，计算其电压放大倍数。对前置放大 器共模电压放大倍数的测量方法是，将前置放大器的输入信号 RA 和 LA 两端短接，同时对 地输入 5V 频率为 20Hz 的正弦信号，测量前置放大器的输出，计算其共模电压放大倍数。 根据差模电压放大倍数和共模电压放大倍数计算共模抑制比。 3、高通滤波器调试。检查图 电路连线无误后，接通±9V 电源，先输入大小为 1V 的直流 电压，测量其输出值；然后输入大小为 1V 的正弦波信号，改变其正弦波频率在 0.01Hz~100Hz 

变化，分别测量在 0.01Hz、0.05Hz、1Hz、10Hz、50Hz、100Hz 下的输出电压，并求其滤 波器的下限转折频率。 4、低通滤波器调试。检查图 电路连线无误后，接通±9V 电源，先输入大小为 1V 的直流 电压，测量其输出值；然后输入大小为 1V 的正弦波信号，保持信号幅值不变，分别测量频 率在 1Hz~200Hz 变化时的输出值，并测量出其上限转折频率。 5、50Hz 信号陷波器调试。按电路图 连线后，输入幅值为 1V、频率为 50Hz 的正弦波， 测量输出电压，调节电位器 Rw，使输出最小。测量其带阻宽度。 6、整机心电放大器调试。将前置放大、滤波器电路和末级电压放大器级联起来，在输入频 率为 20Hz、幅值为 10mV 信号情况下，观测整个放大器的输出波形，调节末级电压放大器 电路中的 Rw，使电压总增益达到 1000 倍左右。 7、在电路调试正常工作后，将电极接入人体，按照标准导联联接，可以通过示波器观察人 的心电波形。一般将 X 轴置于 0.2 s/div，Y 轴置于 0.5~2V/div。 思考题 五、 1、心电信号的特点是什么？为什么要求心电放大器具有高输入电阻、高共模抑制比？ 2、用 EDA 工具，对滤波器电路进行仿真，并求出其主要的性能指标。 3、试画出利用三个集成运算放大器实现的仪表放大器的电路图，并求出其差模电压放大倍 数。 4、在图 滤波器电路中，为什么其频带增益不能大于 3？ 5、求出图 陷波器电路的品质因数 Q 的表达式，说明该结构的陷波器的优点。