心电放大器设计

心电信号的特征
心电信号具有以下的特征：
1：微弱：人体心电信号是极为微弱的生物电信号，它的幅值为毫伏级，频率在0.05Hz-100Hz之间。因此将其心电信号必须放大才能被观察出来。
2：处于强干扰中：人体的心电信号是一种淹没在许多较强的噪声和干扰之中，如肌电干扰，放大器噪声及其电极与皮肤之间的噪声，尤其是50Hz工频干扰等。这些干扰对心电信号的检测影响很大，因此，在检测过程中，如何减少或消除这些干扰，突出所需要的心电信号，就是心电放大器设计中要考虑的关键问题。
2.2心电信号检测中的干扰分析
由于心电信号的微弱，并且存在于强大的干扰信号中，因此对心电放大器的设计，主要的任务就是抗干扰。
所谓干扰，就是除有用信号以外的噪声或受环境影响而使信号变化部分的总称。随着电子技术的发展，检测装置小型化，而大量的信号电路采用低电平，工业控制环境现场条件恶劣，所以装置的抗干扰技术是我们在设计检测系统时所必须要考虑的问题。干扰对电子系统产生了很大的危害：在检测元件中，混入的干扰信号会使测量的数据产生误差，造成判断上的失误；在其它领域，如控制系统中，干扰信号可能导致错误的操作。因此，为了使电子系统能够正常工作，必须在电子系统中采用抗干扰技术。
干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。
共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法[4]。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测量信号，甚至造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因)，这种共模干扰可能是直流、也可能是交流；差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。差模干扰在两根信号线之间传输，属于对称性干扰。消除差模干扰的方法是在电路中增加一个偏值电阻，并采用双绞线。
共模干扰是在信号线与地之间传输,属于非对称性干扰。消除共模干扰的方法包括：
(1)采用屏蔽双绞线并有效接地。
(2)强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽。
(3)布线时远离高压线，更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线。
(4)采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV)。
(5)电路采用各种提高共模抑制比措施。
在该设计中，主要考虑的干扰有的来自设备内部和来自设备外部。外部干扰与结构无关，取决于使用条件和外部环境；内部干扰则取决于系统结构和布局，生产工艺及电路设计等因素。
检测系统中出现的外部干扰可分为工业电网所引起的干扰以及自然界所引起的干扰。自然界干扰一般是指雷击造成的过电压和过电流可达数千伏以上所产生的干扰或宇宙辐射的自由电磁波所导致的噪声。
工业电网干扰主要是包括：高电压回路及强电场产生的静电感应噪声；大电流回路及强磁场形成的电磁感应噪声；以及继电器、接触器、断路器、电磁阀等电器设备的吸合与释放所产生的开关噪声。因此，在我们生活的环境中存在着大量的50Hz工频干扰信号，它处于心电信号的频带范围内，对心电信号的检测有很大的影响。必须采用各种有效的方式对其进行抑制，该设计中选用50Hz的陷波电路。
另外，心电信号是人体自身产生的生理信号之一。对于人体来说，体表还存在着其它的各种反应人体生命活动特征的不同生理信号。例如：肌电、脑电等，其生理参数如表2-1所示，根据表中的各参数可以看出，脑电和眼电等生理信号比较微弱，对心电的影响可以忽略。而肌电信号的幅值比较大，而且和心电信号的频率有重合的范围，可能对心电的检测有一些影响。因此，检测中应该经量减少身体的活动，以避免肌肉收缩时产生干扰的点位信号。
心电放大器的设计方案
2.3.1心电放大器的主要设计目标
因为心电信号是很微弱的人体生理信号，并且存在于周围强大的噪声干扰中，所以，在设计中，应当采取各种抗干扰的措施来使周围噪声对心电检测的影响减少到最小。根据心电信号的特点，设计的心电方大器的基本要求如下：
(1). 放大倍数为1000倍。
(2). 要求50Hz陷波。
(3). 共模抑制比CMRR≥100db。
(4). 采用右腿驱动和浮地跟踪等抗干扰措施。
2.3.2总体方案确定
由前面章节中讲述的心电信号的特征得出：应当采取各种抗干扰的措施来使周围噪声对心电检测的影响减少到最小；如前面所述，心电信号的干扰主要来自于系统的共模干扰和周围环境的噪声(包括50Hz的工频噪声)。这里所采用的措施，有增大输入阻抗、提高共模抑制比、采用右腿驱动、滤波， 50Hz陷波等方法都是为了有效的抑制各种干扰因素，使心电信号能够在经过这些处理后，比较清晰地显示出来。
设计的总体框架如图2-1所示：
 
 图2-1 心电放大器的总体设计框图
微弱的心电信号经过放大1000多倍才能被观察的出来，并且人体的内阻比较大，因此利用一个高阻抗、高增益的放大器对心电信号进行放大，是准确获取心电信号的关键。而周围环境中充满了各种各样的电磁干扰，会严重影响心电信号的采集，而其中最为严重的是市电电源的50Hz的干扰，即工频干扰。如何避免这些干扰也是心电放大器设计所必须考虑的问题。
由于信号中混有各种干扰噪声会影响ECG的有用信号，因此需要对这些噪声进行滤波。噪声来源主要有两类，一类是各种电子设备辐射出的高频噪声，一种是市电的50Hz噪声，通常情况下后者影响尤为明显。对这些噪声的滤波需要用到低通滤波器和50Hz带阻滤波器。ECG的低通滤波器通常情况下截至频率选择在100Hz以下，少数情况下会用到更高的频率。低通滤波和放大可在同一级运放中实现。
在上述电路中，想要获得清晰稳定的心电信号，滤波器的设计很关键，特别是50Hz的带阻滤波器尤其重要。带阻滤波器的电路比较复杂，特性参数对元器件的精度很敏感，因此在这一级的设计中需要用到比较精密的阻容原件，还常常需要多级级联来获得较好的效果。在设计中采用普通集成器件设计电路的最大缺点是对每个元器件的要求都比较高，需要对每个模块进行恰当的匹配，才能保证信号正常的传输并达到很好的效果。如果稍有不合理的地方，就可能导致最后所获信号存在较大的谬误或干扰；其第二个缺点是要用到的元气件个数较多，需要连接的线也就较多，这对布线就有较高的要求，否则就会有较大的干扰，特别是电磁兼容方虑的问题就会比较突出。但是，采用普通集成电路的优点在于电路的设计在理论上比较简单，电路结构不是很复杂，所有的功能全部可以由硬件来实现，不需要软件编程来控制。而且所需要的元器件也比较熟悉，且这些元器件在市场上也比较易于购买，价格低廉，体积小，更利于系统的集成。
因此，在本设计中采用纯模拟的方法来实现心电信号的放大，如图2-2所示。
 
                      图 2-2 心电放大器设计的总体工作流程
通过心电电极采集到的心电信号经过前置级放大，前置级实现较高的共模抑制比和高输入阻抗，尽可能使有用信号进入系统。前置级后，采用一个截止频率0.1Hz的二阶高通滤波器和一个100Hz的二阶低通滤波器串联的方式实现心电信号有用频率内的信号采集，利用双T网络来组成一个50HZ的陷波电路，以实现对环境中50Hz工干扰的抑制。本设计中的滤波用模拟的方式来实现，经处理后的心电信号通过示波器显示出来，可以得到较为清晰的心电波形图。