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集成电路心电图仪设计报告
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2010-01-25
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超全的心电图仪设计报告,里面有设计目的、原理,每一个单项控制电路的电路图以及仿真的效果图和结果分析计算等等,还有心得体会哦!!!
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第一章 绪论
心电图检测是 20 世纪建立起来并广泛应用于临床诊断和监测的重大技术成果之一。自 1903 年心电图仪
问世,至今整整 103 周年了。回顾心电图的研究,最早始于英国的 Waller(1887),他首次证实除了鸽子、青
蛙的心脏外,人类心脏也存在生物电。继 Waller 之后,贡献最大的学者是荷兰莱顿大学的生理学教授爱因托
芬(William Einthoven, 1860-1927)。1889 年,他开始了有关人类心电图方面的综合性研究。他倡导的
心电图波的命名法一直沿用至今。于 1903 年创制出第一台弦线型心电图描记器。爱因托芬最初设计制造的弦
线式电流计重达数吨,装满了座落在离莱顿大学附属医院一英里远的研究室中的一整间屋,为了收集医院病人
的心电图,他用信号线将仪器与远方的病人连接起来。1911 年,由英国电器工程师杜德尔(William du Bois
Duddell ,1872-1917)设计出第一批推向市场的这种仪器。从此,各种不同型号的弦线式电流计被纷纷生产
出来,并广泛应用于电生理学和其他学科的实验研究。1912 年,爱因托芬又研究了呼吸时心脏位置变动对心
电图的影响,同时说明了三个导联之间的关系,提出著名的“爱因托芬三角”的概念,进一步为心电图原理和心
电测量的方法学奠定了基础,使心电图成为 20 世纪对心脏病人进行临床诊断和监测的重要技术手段。 1924
年,诺贝尔基金会为表彰他在改进心电图仪的设计和建立现代心电图学方面的贡献,授予他诺贝尔生理及医学
奖。并被后人推崇为心电图学之父.以后,心电图仪不断小型化,多功能化,数字化,并发展为十二导联系统。
一、目的与意义
设计制作一台用稳压源供电的简易心电图仪,用于测量人体心电信号并在示波器上显示,其示意图如图 1
所示。
注:(Ⅰ) LA(左臂),RA(右臂);LL(左腿),RL(右腿)。
(Ⅱ) 第一路心电信号(标准 I 导联)的电极接法:RA 接放大器反相输入端(-),LA 接放大器同相输入
端(+),RL 作为参考电极。
(Ⅲ) 第二路心电信号(标准 II 导联)的电极接法:RA 接放大器反相输入端(-),LL 接放大器同相输
入端(+),RL 作为参考电极。
(Ⅳ) 要求 RA、LA、LL 和 RL 的皮肤接触电极分别通过 1.5m 长的屏蔽导联线与心电信号放大器连接。
二、设计背景与内容概述
1. 设计制作一路心电图测量单元,其技术指标如下:
(a) -3dB 低频截止频率:0.05Hz(可不测,由心电信号放大器的电路设计予以保证)。
(b) -3dB 高频截止频率:100Hz,误差10Hz,在 200Hz 处的衰减 10dB。
(c) 通带内响应波动:3dB(不允许嵌入 50Hz 陷波电路)。
(d) 共模抑制比:60dB(必须带有 1.5m 长的屏蔽导联线测量)。
(e) 差模输入电阻:5MΩ (可不测,由电路设计予以保证)。
2. 按标准 I 导联的接法对人体进行实际的心电图测量,能在示波器上较清晰地显示心电波形。标准 I 导联心
电波形的示意图如图 2 所示。
注:
1. 使用芯片 AD620 和 TL084。
2. 电压放大倍数、频率响应特性的测量连接方法:将心电信号放大器同相输入端(LA)接入正弦信号,反相
输入端(RA)与参考电极输入端(RL)短接并与信号发生器地线相连。
3. 共模抑制比的测量方法:将心电信号放大器两输入导联线的输入端短接,并输入正弦信号,参考电极导联
线输入端(RL)与信号发生器地线相连,测量共模放大倍数。然后根据差模和共模放大倍数计算共模抑制
比。
4. 测量人体心电信号时应注意的事项如下:
(1) 可用 20mm×20mm 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分别捆绑在四
肢位置(见图 1)。
(2) 测量心电图前,应使用酒精棉球仔细擦净与电极接触部位的皮肤,然后再捆绑电极。为减小电极与皮肤的
接触电阻,最好在电极下滴 1~2 滴 5%的盐水,或用 5%盐水浸过的棉球垫在电极与皮肤之间。
(3) 被测人员应静卧,以保证测量的效果。
第二章 电路结构的选择与工作过程
一、方框结构与工作原理
2.1.1 原理概述
心电仪的心电采集放大电路设计的好坏将直接影响医生对患者的诊断的准确程度,严重的甚至会导致误诊,
心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现,信号一般比较弱,幅值范围0.5-5mV,带0.05-100Hz,所以
极易受环境影响。在采集心电信号的过程中,常常掺杂着各种干扰,这些来源于心脏以外的干扰信号会使心电
信号在周期和形态上发生畸变,噪声严重时可完全淹没心电信号,为了正确进行测量,波形识别和病征诊断,
必须抑制这些干扰。
1.人体心电信号的特点
心电信号属生物医学信号,具有如下特点:
(1)信号具有近场检测的特点,离开人体表微小的距离,就基本上检测不到信号;
(2)心电信号通常比较微弱,至多为 mV 量级;
(3)属低频信号,且能量主要在几百赫兹以下;
(4)干扰特别强。干扰既来自生物体内,如肌电干扰、呼吸干扰等;也来自生物体外,如工频干扰、信号拾取
时因不良接地等引入的其他外来串扰等;
(5)干扰信号与心电信号本身频带重叠(如工频干扰等)。
2.1.2 采集电路的设计要求
针对心电信号的上述特点,对采集电路系统的设计分析如下:
(1)信号放大是必备环节,由于心电信号极其微弱,只有 0.5-5mV,而 A/D 输人口的幅度要求,即至少为
“V”的量级,所以心电放大器必须是高放大倍数,约 1000 倍左右,为抑制电路的零点漂移,进一步提高共
模抑制比,要求放大电路分两级实现,前置放大器增益不能太高为 10 倍左右,后级为 100 倍左右,是典
型的 ECG 放大器标准。
(2)必须有高共模抑制比,电极与皮肤接触引起的极化电动势可作为直流共模干扰输入到心电放大器,其值可
能达到数百毫伏的程度,远比心电信号大得多,而且心电信号的探测要受到很多电气设备运行时的干扰尤其
是市电干扰,而这些干扰多以共模形式导入系统,因此为了防止心电信号淹没在市电,电极极化电压或其他
共模干扰电压,一般要求 CMRR 应达到 80dB 以上。
(3)心电放大器的高增益,容易导致噪声和漂移两个参数的恶化,另外还需考虑因呼吸等引起的基线漂移问题,
所以应该尽量选择低噪声元件。
(4)人体心电信号频谱范围 0.05-100Hz,信号频率不高,通频带通常是满足要求的,但为了减少不必要的带
外噪声,心电信号必须用高通和低通滤波器来压缩通频带,同时必须设计抗 50Hz 工频干扰电路,这样,
经过心电放大器的心电信号才具有诊断价值。
二、选择电路原理图及阐明选择的主要依据
心电信号放大电路的任务是从噪声中提取心电信号,并将它放大到合适的电平提供A/D转换电路。由于心
电信号是底信噪比的周期性微弱信号,在采集过程中,容易受仪器、人体等方面的影响,并混有很强的工频干
扰,因此为了准确采集到心电信号,从心电导联线得到的心电信号先要经过前置放大电路,进行前置放大,被
处理后的信号具有低噪声,低漂移、低共模信号等性能。这时候的心电信号主要收到工频、肌电等信号的干扰。
经高通滤波滤除直流信号及低频基线干扰后,再经陷波器进一步滤除 50Hz 工频干扰,最后由主放大以及低
通滤波后得到的 0.05~100Hz 的有用心电信号。因此,本心电信号放大电路设计流程框图如图 3 所示。
三、叙述各部分电路的基本工作原理
2.3.1 前置放大电路
前置放大电路是心电信号采集的关键环节,由于人体心电信号十分微弱,背景噪声强且采集信号时电极源
阻抗较大,加之电极引入的极化电压差值较大,因此对前级(第一级)放大电路提出了较高的要求,通常要求前
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- z884820032014-05-11资料挺全,质量一般。
- 板斧2012-12-29不错哟~内容挺详实的
sq_ice
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