PDF《简易心 电图仪》

2

0 0

4 年湖北省 电子设计竞赛一等 奖 简易心 电图仪 ・ 华 中科技 大学 电工 电子 科技创 新 中心 韩世 明陈名许昀・摘要: 本设计应用高精度的仪表放大器I NA

1 2

8 组成放大电路对心电信号进行放大, 采用有源滤波电路和数字滤波等技术对 心电波形进行综合处理 ,实现 了两路心 电信号同时测量显示、存储及回放 ,并配有语音提示功能.

赛题 分析 与方 案论证本系统的用途是对心电信号进行检测 、 存储和回放.由于 心电信号为弱信号, 因此本系统对抗干扰和信号处理能力有较 高 的要求.方案论证主要集中在数据采集和信号处理部分 .

1 . 数据采集部分 因为赛题已要求用

2 0 m m *2

0 r a m薄铜皮作为与皮肤接触的 简易电极, 因此数据采集部分的方案选用主要在信号的放大部分. 关于信号放大的方案论证如下 : (

1 ) 采用如 O P

0 7 、N E

5 5

3 4 等低噪声,具有一定精度的普 通运算放大器来构建放大电路 , 但从体表采集到的信号除了人 体心脏产生的电信号外 , 还包含肌电 、 呼吸以及5

0 H z 工频信号 等带来的干扰.其中, 工频干扰引起的共模信号可能远大于心 电信号 ,从而影响系统对心电信号的分析,因此 ,C M R( 共模 抑制比 ) 是衡量心电图仪性能 的重要指标之一.心电图仪要求 运算放大器的C MR 不小于8

0 d B . 上述两种运算放大器的共模抑 制能力虽能满足这个要求 , 但用这样的单个运放构成 的电路难 以达到较高的 C M R, 故不采取此方案. (

2 ) 采用低功耗 、 高精度 的仪表放大器――I N A

1 2

8 . 其具 有 良好的共模输入抑制能力 , C M R大于

1 2

0 d B , 而且只需外接 一 个电阻就可调节增益. I N A1

2 8 可将毫伏级的心电信号放大成 伏级信号 , 便于测量.同时 , I N A1

2 8 对直流电源的要求低, 甚 至只需

2 .

2 5 V的直流电源电压就可表现 出色的功能特性 ,静态 电流只有7

0 0 A , 功耗非常低 . 因此 , 在小信号放大部分我们 选择仪表放大器 I N A

1 2

8 .

2 心 电信号处理部分 由于心电信号属于低频小信号, 易受干扰, 因此必须对所采 集的信号进行高通、低通、陷波处理.因此我们将心电信号处理 部分的方案论证主要放在滤波部分. (

1 )高通滤波部分 考虑到本系统高通滤波部分的截止频率较低, 且对精度也 没有严格要求 , 因此选用结构和设计都十分简单的R c 一阶无源 滤波 ,其效果不错且易于实现. (

2 ) 低通滤波部分 低通滤波可选有源滤波或数字滤波. 有源滤波 - ①一阶滤波 . 其结构相对简单 , 且采用了集成运算放大器 , 因此具有高输入阻抗和低输 出阻抗 ,同时 由于具有缓冲作用 , 滤波效果 比无源滤波器好 , 幅频特性 曲线可达到一

2 0 d B /

1 0 倍频 程,但要想实现更明显的滤波效果,此方案仍未满足要求. ②二阶滤波 . 它和一阶滤波采用类似的结构, 但幅频特性 曲线能达到 一40dB/10倍频程 ,滤波效果比一阶明显 . ③二阶以上的高阶滤波. 它是由多个一阶和二阶滤波器组 成的, 效果 自然要 比上述两种滤波器好 , 但其电路比一阶和二 阶复杂,所需电阻电容较多,而电阻电容 的实际值很难与设计 要求精确匹配, 有时为了匹配一个阻值需要好几个电阻串并联 , 同时由于不能避免环境因素对电阻电容的影响, 因此用 的电阻 电容越多 , 误差就越大 , 导致实际的滤波效果与设计时所期望 的存在一定差距 .本赛题 只对截止频率的精确度有要求 , 而对 系统的频域衰减速率未做特别要求 , 因此可以不必选择高阶滤 波方案. 数字滤波方案 数字滤波 的优点是参数可调节性好,可 以通过更改程序 中的参数对截止频率进行精确的调节 , 由于参 数不会随温度等环境 因素改变,从而精确度得到保证 .但是数 字滤波对处理器 的要求比较高, 想要得到更好的滤波效果就要 求滤波器取更高的阶数, 处理器时钟周期尽可能小, 乘法的计 算速度尽可能大 , 一般非 D S P 处理器达不到要求 . 本系统的数 字处理器凌 阳6