实验题目：心电测量仪的设计

1. 课程简要信息

课程名称：电子技术课程设计

课程学时：两周（48学时）

适用专业：通信工程、电子科学与技术、电子信息工程、测控技术与仪器、智能科学与技术、应用物理

学生年级：大三年级上学期

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

本实验内容，是从生活中提炼的工程问题，要求学生综合运用电子技术课程中所学到的理论知识设计一个心电测量电路。从中锻炼学生工程问题分析、理论设计、计算机仿真、实践测试分析及撰写报告的能力，培养创新意识、团队合作意识以及安全环保意识。

（1）技术指标要求：

$\textcircled{1}$ 电压放大倍数 1 000，误差± $5 %$ ；
$\textcircled{2}$ -3dB低频截止频率 $0 . 0 5 \mathrm { H z }$ ，（可不测试，由电路设计予以保证）；
$\textcircled{3}$ -3dB高频截止频率 $1 0 0 \mathrm { H z }$ ，误差 $\pm 5 \ : \mathrm { H z }$ ；
$\textcircled{4}$ 共模抑制比 $\geq 6 0 \mathrm { d B }$ （含 $1 . 5 \mathrm { m }$ 长的屏蔽导联线，共模输入电压范围为±7.5V）；
$\textcircled{5}$ 差模输入电阻 $\mathord { \geqslant } 5 \mathbf { M }$ （可不测试，由电路设计予以保证）；
$\textcircled{6}$ 输出电压动态范围大于±10V；
$\textcircled{7}$ 频带内响应波动在±3dB之内。
$\textcircled{8}$ 直流稳压电源输出交流噪声 $< 3 \mathrm { m V }$ （峰-峰值，在对放大器供电条件下测试）。

（2）基本任务要求：

按标准 I 导联的接法对心电信号测量，并能在示波器上较清晰地显示心电图波形，示意图如图1所示。重点考察如何将传感器采集的信号，去除干扰，放大波形的，经电路处理后最终要观察的心电波形大致如图2如示。

图1 简易心电测量仪示意图

图 2 标准的心电波形图

（3）层次标准：

初级：完成所有技术指标及基本任务功能。

中级：与数字电路结合完成脉搏的计数与显示。

高级：用可编程控制器和液晶显示器，显示心电图波形与脉搏值。并鼓励更多创新，如能够存储回放等。

图3 多层次评价标准

3. 实验过程及要求（限 300 字）

（1）需求分析与预习规划

自学心电图导联系统搭建，按照设计要求，尽可能多地查找相关资料，关注器件选型、测量范围、测量精度等关键参数，最终形成整体方案设计、模块化电路设计、软件仿真、焊接调试及修正的设计规划。

（2）理论分析与系统设计

要求学生搭建自制电路板测试平台，并结合Multisim 软件，完成线上整体电路设计仿真与线下的模块电路调试。

（3）实际测试与系统完善

对关键数据列表格设计实验方案，观察每一级信号处理后的现象，记录实验数据如放大倍数、滤波频率范围等，并与理论计算值对照，分析误差原因后对设计修正。

（4）实物演示与总结交流

学生将设计过程文字化，撰写总结报告，并通过教师验收学生答辩的形式，进行课后的学习交流。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

心电测量仪，能为心脏诊断提供心电数据，这是一个解决实际问题的工程案例。要求学生用已学习的电子技术理论知识完成设计，主要包括模拟电路部分的信号采集、放大和滤波，可扩展的模数转换及数字电路部分的计数、显示。并涉及焊件布线、仿真调参、测量仪器使用等抗干扰方法和故障检测等实践技能。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

在较为完整的工程项目实现过程中，培养学生根据需求设计电路、选择方案及参数、搭建测试平台、实践自制电路板和仪器使用故障排除的操作能力，以及通过分析测试结果，给出技术评价和修正完善的严谨态度和创新精神。

6. 教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实验调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

（1）预习要求及检查：

了解心电采集时电极位置和引线以及与放大器的连接方式有哪几种，常用的标准连接方式是怎样的；了解采集到的心电信号大小、频率范围及干扰源的频率范围等；学习在抗干扰、放大、滤波、测量方法等方面多种形式的方案设计。

（2）课堂知识讲解：

包括对实验项目的背景解释、理论知识讲解和设计方法的引导。

$\textcircled{1}$ 背景解释：

按照美国心电学会确定的标准，心电信号具有以下特征：

a）近场检测的特点，离开人体表微小的距离，就基本检测不到

b）微弱性：从人体体表获取的心电信号一般只有 $1 0 \mu \mathrm { V } { \sim } 4 \mathrm { m V }$ ，典型值为 $1 \mathrm { m V }$ ；

c）低频特性：人体心电信号的频率主要能量成分集中在 $0 . 0 5 \mathrm { H z } { \sim } 1 0 0 \mathrm { H z }$ 内；

d）不稳定性：人体内部各器官问的相互影响以及各人的心脏位置、呼吸、年龄、是否经常锻炼等因素，都会使心电信号发生相应变化；

e）随机性：人体心电信号反映了人体的生理机能，是人体信号系统的一部分，由于人体的不均匀性，且容易接收外来信号的影响，信号容易随着外界干扰的变换而变化，具有一定的随机性。个体的差异也使心电信号千差万别。

f）干扰噪声强：，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、信号获取时因不良接地等引入的其他外来干扰等。

g）干扰信号与心电信号本身频带重叠（如工频 50Hz 干扰）。

$\textcircled{2}$ 理论知识：

模拟信号部分，主要包括提升共模抑制比放大电路、采集部分的放大电路和处理部分的滤波电路设计；模数转换部分包括电压-频率转换、电压比较器电路设计；数字信号部分，主要包括计数器电路、单稳态构成的秒脉冲发生电路和数码管显示电路设计。另外，可扩展部分还可采用可编程控制器和液晶显示电路设计。

$\textcircled{3}$ 方法引导：

先根据任务要求，设计整体框架；然后拆分成各单元模块，根据各模块参数指标设计具体电路及器件的选型，先模拟电路设计、再数字电路设计、学有余力再可编程控制器设计；接着将软件仿真与焊件做电路板相结合，完成线上理论线下实践的结合，并将实际测试结果与理论值对照，进行误差分析，及电路修正。具体实验中的方法指导如下：

a）提升共模抑制比的前置级电路设计方法

人体相当于一个导体，将接受空间电磁场的各种干扰信号；除了外界环境对被测信号的干扰之外，微弱信号还常常被深埋在测试系统内部的噪声中。抗干扰和低噪声，构成生物信号测量的两个基本条件。因此，根据心电信号的特点，前置级应该满足下述要求：

Ⅰ.高输入阻抗。被提取的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。

Ⅱ.高共模抑制比 CMRR。人体所携带的工频干扰以及所测量的参数以外的生理作用的干扰，一般为共模干扰，前置级须采用 CMRR 高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。

Ⅲ.低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。注意信号线和电缆屏蔽之间存在分布电容导致电极阻抗不平衡问题，人体自身通过各种渠道从环境中拾取工频 $5 0 \mathrm { H z }$ 交流干扰问题，交流信号地与屏蔽地的隔离等。

b）理论设计与软件仿真相结合的设计方法

对与心电信号频率有差异的干扰噪声去除时，需要选择滤波器电路，根据心电信号主要能量成分集中在 $0 . 5 \mathrm { H z } { \sim } 1 0 0 \mathrm { H z }$ 频带内，如何设计带通滤波器的相关参数进行滤波；另外，对于混入 $5 0 \mathrm { H z }$ 的工频干扰，如何设计带阻滤波器的相关参数。通过 Multisim 软件仿真结果调试出合适的各参数值。

c）实际测试需要关注的工程问题解决方法

注意分模块测试节点后，彼此相连造成的带载能力、电平匹配问题等；不同人的心电信号幅值不同，如何设置放大倍数参数值；电源电路的消除高频干扰、防止自激振荡、防止短路或反接造成损坏的自恢复保险电路设计；注意模拟电路与数字电路之间的转换精度和模拟地、数字地的隔离问题等。

（3）学生分组讨论与实践

教师给学生抛出一些关键问题，学生就此开展研讨，并在实践中完成设计任务。

$\textcircled{1}$ 问题设置：调动同学们积极思考，设置三个问题：如何获得心电信号，观察传感器采集到的心电信号幅值和频率范围是多少，如何去除干扰噪声，如何将模拟的心电信号转成用数字记录的脉搏数。

$\textcircled{2}$ 研讨主题：各模块的方案设计、器件选型、电路调参，设计测试方法，列出要测量数据的表格。

$\textcircled{3}$ 观察节点及验收重点：观察节点包括课堂教学与实践环节和课后完善作品环节。其中实践环节，要注意学生设计的规范性，如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意设计的电源稳定性和自制电路板是否可靠接地，及其对系统指标的影响；在测试中，要用标准仪器设备进行实际测量；在分析中，要分析误差来源并加以电路修正。成品验收环节，要注意学生完成的验收功能实现情况及指标参数达标情况。

（4）答辩环节

在实验完成后，组织学生以 PPT演讲、答辩的形式进行交流。一方面，学生通过总结，对知识系统梳理，形成理论框架，与实践相结合，能更充分的理解和应用：另一方面，通过学生的汇报，让更多的同学拓宽设计思路，了解不同解决方案及其特点，形成知识共享互相借鉴的学习平台；另外，教师在这个过程中，能更全面的了解同学们对知识的掌握程度，并给予知识的点播与技术的引领，真正实现教学相长。

其中质询问题的设计包括：如何提高共模抑制比的；各模块电路设计时如何选择核心器件，以及外围电路参数值如何选取；整个设计过程中都有哪些干扰，是如何解决的；理论仿真与实际测试出现的偏差问题都有哪些，试分析原因等。

7. 实验原理及方案

（1）系统结构

心电图是通过多个导联而得到的体表电位差的不同时间的记录。现在广泛应用的是标准十二导联，其中典型的标准双极肢体导联方式，如图 4所示：LA（左臂）、RA（右臂）、LL（左腿）、RL（右腿）；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 $( + )$ ）；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，接心电放大器参考点；RA、LA、LL和 RL 的皮肤接触电极分别通过 $1 . 5 \mathrm { m }$ 长的屏蔽导联线与心电信号放大器连接。心电测量仪主要包括信号采集、信号处理、控制电路、显示电路和电源电路五大模块。

图4 简易心电测量仪示意图

（2）实现方案

总的实现方案，如图 5所示。以人体心电信号作为检测对象，通过传感器转换成电信号，采用合适的导联接法进行信号的采集，通过放大、滤波的信号处理，输出心电图波形，在示波器上显示。另外，可增加数模转换电路，将心电模拟信号转成数字信号，记录脉搏数据，并用数码管显示结果。此外，更高层的设计，可采用可编程控制器，编程实现测量结果，并在液晶显示器上同时显示出心电图波形和脉搏次数/分钟，真正实现便携式心电图测量仪。

图5 实现流程及多方案选择

具体，分模块中各部分可能采用的方法、技术、电路、器件参考如下：

$\textcircled{1}$ 信号采集模块中：

a）传感器部分可选择压阻式、压电式和光电式；b）导联接法有双极肢体导联、单级肢体导联和单级胸前导联，其中双极肢体导联方式称为标准导联。c）为了消除屏蔽层电容的不良影响，可使导联线的屏蔽层不接地，从而取出放大电路的共模电压端，与屏蔽层连接。d）为了消除交流干扰，采用右腿电极经电阻与放大器接地端相连，以降低人体的共模电压。把通过电阻网络取出的交流共模电压，送入右腿驱动放大器放大，经过一个限流电阻接到右腿电极，即等效为以人体为相加点的共模电压并联负反馈电路。

e）前置放大电路设计可采用差分放大电路如OP07 ,OP27等和仪用放大器INA128、AD620等。注意如何选择，使得噪声尽可能低和共模抑制比尽可能高。一般情况下，信号源的内阻为 $1 0 0 \mathrm { k } \Omega$ ，则放大器的输入阻抗应大于 1MΩ。一般心电图仪都要求运算放

大器的 CMR 不小于 80dB。

$\textcircled{2}$ 信号处理模块中：

主要以滤波为主，可选用 LM324 等通用放大器设计滤波电路，注意根据心电信号与噪声信号的频率进行参数的选择。心电信号主要能量成分集中在 $0 . 5 \mathrm { H z } { \sim } 1 0 0 \mathrm { H z }$ 频带内。因此需要设计带通滤波器，注意上限、下限截止频率的计算。另外，常容易混入 $5 0 \mathrm { H z }$ 工频干扰且幅值较大，需要设计阻带滤波器，同样注意放大倍数和截止频率参数的选择。可以采用离散数字滤波器以及模拟有源滤波器实现。其中模拟滤波器又有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝赛尔滤波器等。由于心电信号为 mv 级小信号，需要后级再次放大，另外考虑不同人的心电信号幅值不同，为获得合适幅值的心电信号，注意后级放大倍数的参数选取问题。

$\textcircled{3}$ 控制电路模块中：

主要包括AD转换和计数部分，其中AD转换方式有压-频转换AD650、AD537 等、电压比较74LS85、LM393 等；计数器部分可以采用数字电路中的中规模集成芯片 NE555提供秒脉冲信号、74LS160 十进制计数以及 74LS192 实现1分钟倒计时功能，也可以采用带 AD 采样的可编程控制器如单片机、FPGA、CPLD 等。可编程控制器部分作为高层次评价环节，可采用编程实现心电图波形的存储和回放，流程图参考如图 6所示：

图6 可编程器实现多功能流程图

$\textcircled{4}$ 显示电路模块中：

可用示波器显示心电采集、滤波、放大后的波形图，将脉搏数值用 74LS48 译码后经七段数码管 LED显示，也可用单片机控制驱动液晶显示器 LCD 同步显示心电图波形及脉搏数。红色、绿色和蓝色标识部分分别为初级、中级和高级多层次评价。

$\textcircled{5}$ 电源电路模块中：

将 $2 2 0 \mathrm { v }$ ， $5 0 \mathrm { H } _ { Z }$ 交流信号转成稳定的供心电测试仪各模块用的直流电源，主要包括降压变压器（线圈匝数比）、整流（桥式全波整流）、滤波（电容、电感）和稳压电路（集成三端稳压器W78xx 和 $\mathbf { W } 7 9 \mathbf { x } \mathbf { x } .$ ）。其中，注意抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡以及高频干扰，可增加多级滤波电容；另外，为防止短路或反接造成损坏在输出级可加入100MA自恢复保险。

8. 教学实施进程

教学实施过程主要包括以下几部分内容：

（1）布置任务环节

教师，从生活实际问题中，确定与实验大纲要求学生掌握知识点的题目，布置设计任务，包括从整体要实现的任务目标看，到每部分可以参考的设计模块，以及需要完成

的主要关键技术指标。学生，根据任务，预习自学查阅相关的文献资料和技术文档。

（2）教师教学环节

在学生已预习的基础上，教师将任务模块拆解，进行现场教学，包括每块任务的可行性方案、核心的理论知识、以及关键指标点的影响参数设计。以此，启发引导同学深入思考。

（3）学生实践环节

学生，带着预习的资料，与老师讲解的可行性方案，分组研讨，分析几种设计方案的优缺点，并最终确立一种方案；然后在Multisim 软件上仿真调试；仿真结果在设计的可行解范围内后，按照设计方案选件、焊件，连线，做出电路板；接着，分模块测试数据，并与理论计算结果对照，不断修正；最后将每个模块连在一起，最终调试成功。

（4）总结答辩环节

首先，以成品演示的方式进行结果验收，现场随机测试某人的心电信号，并在示波器上观察波形，看是否噪声滤除干净；并进行关键参数的测试，如频带范围，幅值大小等；可扩展部分，将心电模拟信号转换成脉搏数字信号，记录一分钟内脉搏数，与实际测试显示的结果是否吻合。然后，以学生自述总结和教师问辩的形式进行答辩。最后，给出最终的成绩，包括平时表现、成果验收（完成指标情况、单元模块节点实验数据准确性和稳定性、实验成本等，按照完成的层次等级区分）、报告和答辩，分别占比 $3 0 %$ 、$3 0 %$ （内容占比为：3:2:1；层次等级为：1:2.5:4）、 $2 0 %$ 和 $2 0 %$ 。

9. 实验报告要求

实验题目

一、实验类型
二、实验目的
三、实验需求分析及总体方案论证四、方案模块拆解及单元电路设计五、电路工作原理及理论推导计算六、实验平台搭建及实验方案设计七、仿真分析及电路参数调试过程八、实物图片及实测节点波形图九、实验数据及误差处理分析表

实验报告模板如下：

样例如下：

$\textcircled{1}$ 滤波器增益、频率测试（低通、高通、 ${ \bar { \mathbf { 5 0 H } } } _ { \mathbf { Z } }$ 陷波器）

理论计算截止频率为 $\mathrm { { X X H } _ { \mathrm { { Z } } } }$ ，用示波器测量输出电压值。

②系统共模抑制比测试（加电极屏蔽长导线）

10.考核要求与方法（限 300 字）

该实验项目包括预习环节、课堂教学与实践环节和课后完善作品总结环节，要求一周内完成。考核方式包括两部分，一部分是预习情况、课上讨论情况、仪器操作等实验技能情况；另一部分是课后成品功能演示、答辩、报告。具体考核标准如下：

（1）实物验收：功能与性能指标的完成程度（包括心电图图形清晰度和技术指标）。（2）实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。（3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。（4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。（5）实验数据：测试数据和测量误差。（6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

由于心电信号存在微弱性、低频性、不稳定性、随机性和强干扰等特点，使得采集到的信号具有较复杂的工程性。该实验，不仅需要运用电子技术中所学到的共模抑制、放大、滤波、模数转换、计数、显示等理论知识，还要注意屏蔽、共地等抗干扰工程问题。设计方法模块化、多样化、考核标准层次化，能够锻炼学生们理论设计、仿真调参和实际测试的综合能力。

参赛信息表

《电子技术课程设计》教学大纲

课程编号：08158111
课程名称：电子技术课程设计
英文名称：A Course Design on Electronic Technology
课程类型：实践教学
课程要求：必修
学时/学分：2周/2
适用专业：通信工程、电子科学与技术、电子信息工程、测控技术与仪器、智能科学与技术、应用
物理

一、课程性质与任务

课程性质是综合运用数字电子技术和模拟电子技术理论知识，将具有不同功能的单元电路设计、安装在一起，并进行调试，使其成为具有各种不同用途和一定工程意义的电子装置。电子技术课程设计是电子类学生必修的实践教学环节。

课程任务是使学生初步掌握简单电子系统的设计、连接、调试的方法。增强学生利用所学知识分析和解决实际问题的能力。训练和培养学生严谨认真的工作作风和科学态度，为以后从事电子电路设计和研制电子产品打下初步基础。

二、 课程与其他课程或教学环节的联系

电子技术课程设计过程中用到电路基础、模拟电子技术、数字电子技术课程中的各种基本单元电路。电子技术课程设计重点培养学生综合设计能力和实践能力，为后续的各实践环节，如单片机课程设计、专业课程设计、毕业设计奠定扎实的基础。

先修课程：电路基础、模拟电子技术、数字电子技术等。

后续课程：单片机课程设计、专业课程设计、毕业设计等。

三、课程教学目标

1、能够巩固和加深对电子线路的基本知识的理解，提高学生综合运用知识的能力。

2、能够培养学生根据课题需要选学参考书籍、查阅手册、图表和文献资料的能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。

3、能够通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

4、能够掌握常用仪器设备的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，提高学生动手能力。

5、能够了解与课题有关的电子线路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务的要求编写设计报告，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。

6、能够培养严肃认真的工作作风和科学态度。通过课程设计实践，帮助学生逐步建立正确的生产观念、工程观念和全局观点。

7、能够了解电子技术的前沿和最新发展动向。

支撑毕业要求：

毕业要求 3：指标点 3-1 能够根据特定需求，清晰描述一个系统/单元设计任务，能识别该任务面临的各项制约条件，能够完成综合性设计。

毕业要求 4：指标点 4-2 根据实验目的设计实验内容及步骤，进行实验，记录数据并分析、解释数据。

毕业要求9：指标点9-3 能够根据团队整体需求去组织、协调团队成员间的关系。

四、教学内容、基本要求与学时分配

注：以上题目是课程设计的参考题目，学生可以选择其中之一，也可自拟难度相当的题目。

五、考核及成绩评定

总成绩由平时表现、成果验收、报告成绩、答辩成绩等组合而成。各部分所占比例如下：平时表现： $3 0 %$ 。主要考核设计过程中态度是否端正，能否按时出勤，独立完成设计。
成果验收： $3 0 %$ 。主要考核是否达到了设计要求，软件仿真时是否正确，实物演示是否与题目相符。
报告成绩： $2 0 %$ 。主要考核报告撰写是否规范正确，内容是否齐全，书写工整。
答辩成绩： $2 0 %$ 。主要考核能否正确描述设计原理及所解决问题，正确回答答辩问题。

六、课程设计参考资料

[1] 电子系统设计 马建国 高等教育出版社，2004
[2] 模拟电子技术基础（第四版）．华成英 童诗白.高等教育出版社，2006
[3] 数字电子技术基础（第六版）．阎石主编．高等教育出版社，2016

七、达成课程目标的途径和措施

1、选取合适的题目，尽量多的包含电子电路中不同的基本应用单元电路。
2、题目要求中设定一定的技术指标。
3、每个题目要求通过设计仿真，最好有实物成果。
4、规定报告中包含整体设计思路、方案论证、器件选取、各部分电路功能原理及参数计算。
5、每组由约 5 名左右成员组成，设计过程中互相配合。
6、通过撰写报告锻炼学生的文字组织能力，通过答辩环节锻炼学生的语言组织能力。

教学大纲修订小组成员：电子技术教研组

教学现场

实验电路

实验报告

低层：模拟部分（示波器显示）

中层：模拟部分 $^ +$ 数字部分（LED 显示）

高层：模拟部分 $^ +$ 数字部分 $^ +$ 可编程控制器（LCD 显示）