人体心电信号测量电路的设计

课程名称：《模拟电子技术基础》

实验题目：人体心电信号测量电路的设计

课程简要信息

课程名称：《模拟电子技术基础》课程实验

课程学时：理论68学时+实验32学时

适用专业：电子信息工程

学生年级：大学二年级上学期

实验内容与任务

设计一人体心电信号监测电路。可实现人体心电信号通过示波器实时监测，同时可通过发光二极管观察人体心跳的规律性。

所设计人体心电信号测量电路需满足指标包括：

1. 输入阻抗$\geq 10M\Omega$；

2. 共模抑制比$\geq 80dB$ ；

3. 电压增益$\geq 8$<!-- -->{=html}00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）$\leqq 200\mu V$。

实验过程及要求

实验过程中，请查阅相应资料，利用模拟电子技术相关知识确定人体心电信号测量电路设计方案，并通过仿真验证所提方案的可行性。可行性设计方案确定后，在实际电路的构建过程中，请关注每一级电路的插接、调试过程，掌握分块功能测试、故障检测的方法，并针对整体电路实际构成的数据测试结果进行相应数据分析。

相关知识及背景

本实验项目为《模拟电子技术实验》的综合性设计项目，其功能目标来源于现实生活。项目设计需运用心电电极、集成运算放大器构成的差分放大器、带通滤波器、放大器以及电压跟随器及PC示波器。该实验项目的完成，需要学生撑握相关电路的工作原理、性能及其相关性，并掌握实际电路构建过程中所涉及的技术方法。通过此综合性设计项目的完成，使学生掌握集成运放与分立元件（如三极管）作为放大核心器件的区别。同时，使学生掌握在实际电路的设计过程中，集成运放类型及对应型号的选择方法。

教学目标

(1) 知识与技能目标：

1. 理解并掌握集成运算放大器构成的差分放大器、带通滤波器、基本运算放大器、电压跟随器等电路的结构、特点；

2. 掌握各类测量设备使用方法及利用其完成电路的故障诊断方法。

(2) 过程与方法目标：

1. 培养学生的观察、分析和归纳能力，使学生借助实际经验，领悟原理，使用所学知识解释生活中涉及电路实例；

2. 培养学生理论联系实际的能力，学会利用运算电路解决电子电路设计中所遇到的疑难问题，提升学生创造性思维能力的培养。

(3) 情感态度与价值观目标：

1. 注意激发学生学习兴趣和求知欲，指导学生掌握正确的学习方法，克服“入门”难的心理障碍；

2. 培养学生严谨认真的科学态度、实事求是的工作作风、不怕困难勇于探索创新的科学精神；

3. 引导学生树立创新创业的价值观。

教学设计与引导

(1) 人体心电信号归属于生物医学信号，其特点包括：

1. 心电信号具有近场检测的特点，离开人体表面微小的距离，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. 心电信号属低频信号，且频率主要在几百赫兹以下；

4. 心电信号的测量过程中包含强烈干扰。干扰即来自生物体内，如肌电干扰、呼吸干扰等。也有来自人体外的，如工频干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来干扰等；

5. 干扰信号与心电信号本身频带重叠，如工频干扰信号等。

(2) 心电信号测量电路设计要求包括：

1. 信号放大是必备环节，而且应将信号提升至后续A/D输入口幅度要求，至少为V级别；

2. 应尽量削弱工频干扰的影响；

3. 应考虑因呼吸等引起的基线漂移问题；

4. 信号频率不高，通频带通常是满足要求的，但应考虑输入阻抗、线性、低噪声等因素。

实验原理及方案

(1) 项目设计总体结构

考虑心电信号的特点及心电信号测量电路设计要求，项目设计总体结构如图1所示。

图1 心电信号测量电路总体结构

(2) 项目设计实施方案

基于图1所示项目设计总体结构，完成项目设计具体实施方案详见图2所示。

图2 项目设计具体实施方案框图

1. 第一级放大器：差分放大器的设计分析

电路的设计需考虑人体心电信号的特点（3-5mV，0.04-150Hz），同时考虑心电信号监测过程中参杂噪声较为强烈，且采集信号时心电电极与皮肤间的阻抗大且变化范围也较大，这就对第一级放大器提出了较高的要求，即要求第一级放大器应具有：输入阻抗高、共模抑制比强、低噪声、低漂移、非线性度小等特点，且具有合适的频带和动态范围。

器件的选择上考虑第一级放大器应具有的特点，可选用仪表专用三差分集成运放（如：INA128、AD521、AD620、AD524）。此类集成运放具有较高的共模抑制比（KCMRR），温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小且具有调节方便的特点，是人体心电信号放大电路设计中，较为理想的集成运放选择。根据小信号放大器的设计原则，前级的增益不能设置太高，因为前级增益过高会将前级输入的直流成份过度放大，易导致后续滤波器、幅度可调放大器饱和。

2. 第二级放大器：带通滤波器（消除基线漂移）的设计分析

在电路部分加上带通滤波环节，对隔断0.04-150Hz频带以外的信号和消除基线漂移将会起到事半功倍的效果。在本次设计中，考虑采用一个一阶高通滤波器与一个一阶低通滤波器串联构成一个二阶带通滤波器。带通滤波器中集成运放可采用型号为TL074I集成运放。

3. 第三级放大器：可调放大器的设计分析

经滤波器后，所测得的心电信号已经是比较纯净的有用信号，但是幅度仍然很小，不满足可有效观测的幅度。因此，需要一个增益较高的放大器实现最终的幅度放大。在第三级放大器的设计中，考虑信号幅度观测的方便性，增加了增益可调功能。可调放大器中集成运放可采用型号为LM741的集成运放。

4. 第四级放大器：隔离电路设计

在心电信号的监测过程中，一般需在监测输出端增加例如发光二极管装置，以保证在心电信号监测过程中可通过发光二级管的闪烁显示人体心跳状态。为保证所测得的心电信号完整的打印在心电图纸上，以供医生诊断使用，同时发光二极管闪烁表示人体心跳状态，则在电路的设计中需在第三级可调放大器之后增加第四级：隔离电路即电压跟随器。否则，若将第三级直接连接发光二极管并打印心电信号，则会出现非常严重的错误监测结果。主要原因在于，当心电信号电压高于发光二极管正向电压时，发光二极管因导通而发光。此时，即使心电信号幅度继续增加也只会增加发光二极管的亮度，而在心电图纸上的心电信号将维持在发光二极管的正向电压上不变，而这样所打印出来的心电信号，即使是有规律变化的心电信号，而也会让医生误诊断为该被监测心电信号的人患上了严重的心脏疾病。

隔离电路即电压跟随器中集成运放可采用LM310、OPA633等专业的跟随器集成运放。

5. 人体心电信号测量整体电路设计

基于上述分析过程，给出人体心电信号测量整体电路设计如图3所示。

图3人体心电信号测量整体电路设计

1. 外围电路中相应电阻、电容参数、直流电源取值如下：

$R_{1} = 5.6k\Omega$、${R_{2} = R}{3} = 2.2k\Omega 、R{4} = R_{5} = 4M\Omega 、R_{6} = R_{10}＝R_{13}＝10k\Omega$、$R_{7} = R_{8}＝1k\Omega$、$R_{9} = 100\Omega$、$R_{11} = 100k\Omega$、$R_{12} = 50k\Omega 、R_{14} = 100\Omega{、C}{1} = 470nF$、$C{2} = 1\mu F$，$V_{CC} = + 5V$、$V_{EE} = - 5V$

2. 电路设计相关指标要求分析：

**人体心电信号测量电路需满足指标中：**输入阻抗≥10MΩ；共模抑制比≥80dB ；放大器的等效输入噪声（包括50Hz交流干扰）$\leq 200\mu V$ 等三个指标均由第一级差分放大器决定。第一级差分放大器所采用的集成运放为INA128，该集成运放性能指标中：低偏置电压最大$50\mu V$，低温度漂移最大$0.5\mu V/℃$；高共模抑制最小值为$120dB$；当其增益$\geq 100$时，其在0.1-10Hz范围内低频噪声大约为$0.2\mu V$，由此，上述3个指标可以满足。

**人体心电信号测量电路需满足指标中：**电压增益≥800倍，电路增益分析过程如下：

第一级差分放大器增益：$A_{u1} = \frac{50k\Omega}{R_{1}} = \frac{50k\Omega}{5.6k\Omega} \approx 8.93$

第二级带通滤波器增益：$A_{u2} = 1$

第三级可调增益放大器增益：$A_{u3} = 1 + \frac{R_{11} + R_{12}}{R_{7}}$

第四级：隔离电路电压跟随器增益：$A_{u4} = 1$

总增益：$A_{u} = A_{u1}A_{u2}A_{u3}A_{u4}$，即$A_{umin} = A_{u1}A_{u2}A_{u3}A_{u4} = 8.93 \times 101 \approx 902$

实际增益由于带通滤波及其他损耗的存在，要比理论估算值略小，但已满足放大输出性能指标要求。

**人体心电信号测量电路需满足指标中：**频带宽度为0.5Hz-100Hz，保证此指标满足要求分析过程如下：

由人体心电信号频率确定该一阶低通滤波器截止频率为150Hz，若电路中电容取值为$470nF$，则可确定一阶低通滤波器中$\text{R}$参数为

$$R_{3} = \frac{1}{2\pi f_{c}C}＝\frac{1}{2\pi \times 150Hz \times 470nF} = 2.2k\Omega$$

同样，由人体心电信号频率确定该一阶高通滤波器截止频率为$0.04Hz$，若电路中电容取值为$1\mu F$，则可确定一阶低通滤波器中$R_{4}$参数为

$$R_{4} = \frac{1}{2\pi f_{c}C}＝\frac{1}{2\pi \times 0.04Hz \times 1\mu F} = 4M\Omega$$

经过带通滤波后，可以大大削弱0.04-150Hz以外因呼吸等引起的基线漂移程度，心电信号低频端也就相应地取该频率。由此，该性能指标要求也可得到保证。

实验报告要求

本案例为模拟电子技术综合性设计性实验，实验报告的撰写需包括：

(1) 人体心电信号测量问题分析；

(2) 人体心电信号测量实现方案分析与论证；

(3) 人体心电信号测量电路的设计与参数选择；

(4) 人体心电信号测量电路输入阻抗≥10MΩ、共模抑制比≥80dB 、电压增益≥800倍、频带宽度为0.5Hz-100Hz、放大器的等效输入噪声（包括50Hz交流干扰）≦200μV等五大性能指标的保证分析；

(5) 人体心电信号测量的相关实验数据记录；

(6) 人体心电信号测量的相关数据处理与误差分析；

(7) 人体心电信号测量的实验结果及方案改进探讨。

考核要求与方法

本案例为综合性项目可选案例之一，综合性项目设定总分为25分。考核时间定于本学期第15周，考核要求与方法包括：

(1) 综合性项目考核采取小组汇报考核制，每组人数不得多于3人。

(2) 完成实际案例的构建（器件插接建议采用面包板），并在答辩现场对小组成果所涉及电路设计原理进行讲解，同时现场展示对某位同学的心电信号的监测功能。

(3) 成绩给定包括：项目设计报告撰写(5分)、仿真演示(5分)、实物展示(5分)、答辩(5分) ，其中答辩10分由学生打分(2分)+专家打分(3分)构成。

项目特色或创新

人体心电信号测量电路的案例设计特色在于，其设计思想依托于《模拟电子技术基础》课程完整教学过程。由最初的小信号单极放大电路实现对心电微弱信号的放大，由二级差分放大电路解决噪声问题，再到集成运放知识点传授中，让学生针对此项目案例不断的改进方案，提出由集成运放构成的差分式放大器实现对共模信号的抑制、利用带通滤波器实现对非心率频率内的信号进行抑制处理、利用可调集成放大器实现对微弱信号的有效观测、利用电压跟随器实现隔离作用，提高电路的驱动能力。使模拟电子技术前后所学知识点融会贯通，增加了学生对于理论知识的理解与实际应用。

课程教学践行知行合一，凸显以学生为中心的理念，使学生成为课内与课外实践教学的主角，打破了“以知识传递为目标、以教师为主体、以教材为中心、以课堂为阵地”的传统教学范式，彰显现代课程教学的三大理论，即学术性、民主性、协作性，同时注重综合性、创新性和实践性。课程中有效项目案例的设计，有效的促进了创新创业教育与专业教育一体化深度融合。

参赛选手信息表