简易心电图仪的设计 【毕业设计+开题报告+文献综述】

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本科毕业设计文献综述电子信息工程简易心电图仪的设计前言随着社会的发展和物质生活水平的不断提高,人们对健康的重视程度与日剧增,特别是近年来社会老龄化的加剧,而且每年心血管疾病的发病率也不断上升。目前心血管疾病成了威胁人类生命的主要疾病,心脏病已经成了世界上死亡率最高的疾病。鉴于这种严峻形势,提高预防和监测该疾病的手段势在必行。而心电信号检测是发现心脏病的最直接手段,但目前医院用的心电监护仪价格昂贵,维护费用高,患者检查的经济负担重,不能做到随时随地都能检查[1]。因此设计一种便携式、价格便宜且实用的心电监护仪器具有重要意义。主题根据简易心电图仪设计的要求，并充分考虑各种因素，制定了整体设计方案：以前置小信号放大模块、滤波网络模块、数字处理模块三大部分为主体系统：图1.1心电图仪基本框架14 输入模块为了满足临床诊断的要求，对心电图仪的电极位置和引线以及与放大器的连接方式有统一规定，称为心电图的导联系统。目前广泛应用的是12导联系统。其中，又分为双极肢体导联、单级肢体导联和单级胸前导联。考虑到题目要求，我们仅采用双极肢体导联，这组导联方式又称为标准导联[2]。在此模块设计方案中引入屏蔽驱动和右腿驱动，以提高系统的共模抑制能力，进而使系统抑制干扰的能力大大增强。①屏蔽驱动。与人体相接触的电极到前置放大器之间有两根约1.5m的导联引线，导联引线用屏蔽电缆。信号线和电缆屏蔽之间存在分布电容，而两根导联线的分布电容不可能完全相等，加之电极阻抗的不平衡，导致包括输入回路在内的整个放大系统的共模抑制能力降低，从而使抑制干扰的能力下降，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。②右腿驱动。人体自身通过各种渠道从环境中拾取工频50Hz交流电压，在心电测量中，形成交流干扰，这种交流干扰常在几伏以上。为了消除这一交流干扰，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[3]。前置放大模块心电图仪的前级放大器在整机中处于非常重要的地位，决定了整机的主要技术指标。心电图仪前置放大器要求噪声尽可能低和共模抑制比尽可能高。为了提高共模抑制比，直接选用低噪声、高共模抑制比、高输入阻抗、低功耗的高性能仪表放大器.由于它的匹配电阻是在内部集成的所以其共模抑制比是不难达到80dB的，使仪器稳定性大为增加。二级放大模块差放的外信号输入分差模和共模两种基本输入状态[4]14 。把信号加到两输入端口之间，当输入信号vo1、vo2大小相等、极性相反时，称为差模输入状态。此时，外输入信号称之为差模输入信号，用vid表示。同理，把外信号加到两输入端口与地之间，当vo1、vo2大小相等、极性相同时，称之为共模输入状态，此时的外输入信号称为共模输入信号，以vIC表示。当输入信号使vo1、vo2的大小不对称时，输入信号可以看成是由差模信号vId和共模信号vIc两部分组成，其中动态时分差模输入和共模输入两种状态。(1)当差模输入信号的放大作用为差模信号vId输入(共模信号vIc=0)时，差分放大器两输入端的信号大小相等、极性相反时，即vo1=－vo2=vId/2,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反，导致两输出端对地的电压增量，即差模输出电压vod1、vod2大小相等、极性相反，此时双端输出电压为：vo=vod1－vod2=2vod1=vod,可见，差放能够有效地放大差模输入信号。注意：差分放大器的公共射极的动态电阻Rem对差模信号不起负反馈作用。(2)对共模输入信号的抑制作用:当共模信号vIc输入(差模信号vId=0)时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即vo1=－vo2=vIc,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同，导致两输出端对地的电压增量，即差模输出电压voc1、voc2极性相同，大小相等，此时双端输出电压为vo=voc1－voc2=0,由此可见，差分放大器对共模输入信号具有很强的抑制能力[5]。滤波网络模块由于心电信号易受噪声干扰，且主要能量成分集中在0.05Hz～100Hz频带内，所以本系统采用滤波的方法对心电信号作进一步的降噪处理，抑制外界干扰.考虑到器件及抑制干扰的效果，采用二级滤波网络。信号源经前置放大器送到0.05Hz高通滤波器，滤出大于0.05Hz的频率成分，再送入500Hz低通滤波器，从而达到滤除有效频带以外的机电干扰信号。经过此两级滤波网络后，得到较为光滑的心电信号波形[6].滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。滤波主要有两种：1是电源滤波，2是信号滤波。前者利用的是电容的储能特性，一个接在电源两端的电容，当电源电压发生突变时（比如突然下降时），电容上的电压不会发生突变，而是呈现一个缓慢下降过程。同样，电源电压突然升高时，电容的端电压也会是一个缓慢的升高过程（简单的说，把瞬间变化过程变成一个缓慢变化的过程，这样有利于减少电源输出电压的波动，避免在元器件两端出现剧烈的电源变化，如果要求变化越慢，则并联的电容数就越多。电容容值也越大）后者利用的是电工电子里的复阻抗计算公式，电容的容抗Z=j(1/ωc)。14 从这里可以看出，容抗与信号的角频率和容值都有关系，如果要对低频信号进行滤波（ω比较小），则需要让Z比较小，也就是要C足够大。这样当电容并联在信号线和地两端时，低频信号就可以通过电容流到地（由于电容容值比较大，则容抗比较小，对于低频信号而言，这个大电容就为信号提供了一条阻抗很小的接地通路，你可以看做是低频信号对地短路），这样就实现了对低频信号的滤波。相反，如果选择的电容容值比较小，就可以实现对高频信号的滤波。（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RC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。低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想的滤波电路的频率响应在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。但实际滤波器不能达到理想要求。为了寻找最佳的近似理想特性，主要考虑幅频响应，而不是考虑相频响应。一般的说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之，滤波器的相频特性越好，幅频特性越差。1.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-20dB/10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-40dB/10倍频程，滤波效果比一阶明显[7]。2.数字滤波　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[8]。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DSP处理器达不到要求[9]。14 总结基于人体生物信号通过简易心电图仪进行检测需以前置小信号放大模块、滤波网络模块、数字处理模块三大主要模块，通过查找文献资料，使自己在查找资料的同时收获了整理，归纳，综合能力的提高，为以后的科研活动奠定了一些基础。参考文献[1]方彦军，孙健.智能仪器技术及其应用[M].化学工业出版社,2004(4).[2]康光华，陈大钦.电子技术基础（第4版）[M].北京高等教育出版社,2003(4).[3]杨刚，周群.电子系统设计与实践[M].电子工业出版社,2004(1).[4]原金升,高延演.心电信号磁带存储和回放自动检测技术.应用科技.总第76期，1994第1期:23-25[5]原金升,高延演.心电信号磁带存储和回放自动检测技术.应用科技.总第76期，1994第1期:23-25[6]邓东云林家瑞，一种生理弱点信号的模拟处理电路的设计，中国医疗器械杂志，1994,5:43-45[7]李远明，陈文涛.微弱光信号前置放大电路设计.新疆轻工职业技术学院,2007,8:78-89[8]侯静.生物医学信号的检测与处理.中国高新技术企业,2007,14:32-35[9]原金升,高延演.心电信号磁带存储和回放自动检测技术.应用科技.总第76期,1994年第1期14 14 毕业设计开题报告电子信息工程简易心电图仪的设计一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1.国内外研究动态心电图学的研究，最早始于1877年的Waller，1903年的荷兰莱顿（Leiden）大学生理教授Einthoven提出的爱氏三角假说及双级导联，发明了选线式心电机，使心电图学跨出了重要一步，1934年Wilson发展可中心电端，后又经Goldberger等不断丰富与改进，逐渐形成了所谓的单级心电图学，曾在四十年代风行一时。1913年Einthoven等开始测定额面德心向量，再经Mann等人的研究，开创了心电向量图学。1950年前后，用阴极管直接展示向量环，所习用的导联体系（Grishman立方体系的代表）是根据Burger不等边三角形概念设计了矫正导联体系（Frank导联体系为代表）,遂使心电向量图检查技术日趋完整。心向量图与心电图都是以不同方式从体表记录下来的心脏电活动现象,各具优缺点,应相辅相成而不能偏废。以心电向量概念能较好地解释心电图图像,已取得共识。自六十年代以来,心电图更是获得突破性进展,1960年，Giraud等首次录得希氏束电图,1969年Scherlag等式其检查方法规范化，1971年Wellens又倡用程序电刺激法（PES),从此确立了临床心电生理学这门新学科。它的兴起对阐明心律失的机理及鉴别诊断起着重要作用，并由此引导人们再转向治疗方面的研究，这就出现或促进电药理学、经导管电消融术、外科手术以及利用电能抬疗心律失常的现象,另一方面由于心脏电生理学及其检查诊断技术不断迅速进展,包括动态心电图、信号平均心电图、单向动作电位、标测心电图等，加上其他有关技术如冠状动脉造影、左室造影、核素显像、超声心动图血流动力学等将这些多年来兴起的侵入性和非侵入性诊疗技术所获得的信息又反过来开阔,我们在心电图领域的视野,给予在某些情况下出现的特殊心电图表现以崭新的认识。百余年来,心电图学不断向纵深发展外延内伸已成为一门有丰富内涵的新学科心电学的核心它前景辉煌日新月异那种认为心电图可能再有或不可能使其有所新进展的人,是对历史的无知。14 自七十年代以来,我国心电事业取得了笼勃发展,专业队伍不断扩大,城乡各基层医疗单位普遍备有心电图机。心电学各个领域也取得了令人瞩目的成就。我们要保持这个发展势头,使之继续前进,有必要建立与健全心电学学科体制这些包括：(1)1982年浙江首创"心电学杂志”,1992年安徽“临床心电学杂志”和1993年山东“实用心电学杂志”先后面世,心电学园地一派繁荣兴旺景象；（2）1986年浙江率先成立了省级心电学会,嗣后有安徽等十个省、直辖市、自治区心电学会纷纷诞生;1990年为了加强各地横向联系,又成立了全国心电学协作委员会)筹.,并召开了两次全国心电学学术会议；（3）1988年在杭州创办了我国唯一的一所心电专业学校一一中华心电图进修学校并出版了《心电信息》报。2.课题的目的意义心电图是反映心脏兴奋的电活动过程，它对心脏基本功能及其病理研究方面，具有重要的参考价值。心电图可以分析与鉴别各种心律失常；也可以反映心肌受损的程度和发展过程和心房、心室的功能结构情况。在指导心脏手术进行及指示必要的药物处理上有参考价值。然而，心电图并非检查心脏功能状态必不可少的指标。因为有时貌似正常的心电图不一定证明心功能正常；相反，心肌的损伤和功能的缺陷并不总能显示出心电图的任何变化。所以心电图的检查必须结合多种指标和临床资料，进行全面综合分析，才能对心脏的功能结构做出正确的判断。心电图在科学研究方面应用相当广泛，动物心电图对于研究心脏的比较生理和心脏药理学的研究都有重要的参考价值。此外，在人体或动物身上安装心电发射器，可在远距离通过接收系统描记心电的变化。这可用于测试运动中的运动员及走动中的动物心脏功能的变化；测试高空飞行员、宇航员的心搏变化，以及研究人体对高山、高空、深海等环境的心脏活动变化。近些年来，在心电图机的研究和生产中主要以日本、德国等发达国家占主要地位，我国心电图机的发展，特别是在家用的心电图仪领域中，比较缓慢，水平也很落后。而常规的心电图仪有单、多道之分，虽使用起来很方便，但是价格较贵，体积巨大，只能适合在医院和社区医疗中应用，而且对于许多偶发的，短暂性的心率失常也是无法实时监测。虽然现在也有心电图仪，可用于24小时实时监控，但是其价格及其昂贵，使用也不方便，尤其是在携带方面，并且一般不能实时处理，因此并没有在很多的领域中推广使用，在家庭里的使用更是寥寥无几。随着社会生活节奏的不断加快，人们对健康的意识不断的提高，小型便携式的心电图机需求也越来越大。因此家用心电图机逐渐发展壮大。但是在我国便携式心电图仪并不多见。14 心电信号是发现心脏病的最直接手段。但目前医院用的心电监护价格昂贵，维护费用高，患者检查的经济负担重，不能做到随时地都能检查。因此设计一种便携式，价格便宜且实用的心电监护仪器具有重要意义。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：1.基本内容：完成简易心电图仪的设计2.主要内容：（1）生物微弱信号的提取（2）生物微弱信号的检测（3）生物信号检测过程中干扰和噪声的去除设计电路（4）用Multisim软件进行模拟仿真三、研究步骤、方法及措施：1.通过收集、整理相关资料熟悉研究课题，明确微弱信号检测的基本方法2.撰写课题开题报告、文献综述和外文翻译，进一步了解课题内容3.了解和掌握Multism软件4.掌握微弱信号选频率放大电路的原理，完成简易心电图仪电路的设计5.用Multism软件进行简易心电图仪电路的仿真6.整理毕业设计资料，并进行毕设设计论文的撰写，准备毕业答辩四、参考文献[1]康华光.电子技术基础模拟部分（第四版）.高等教育出版社，2005[2]常华,袁刚,常敏嘉.仿真软件教程—Multisim和MATLAB,清华大学出版社,2002[3]原金升,高延演.心电信号磁带存储和回放自动检测技术.应用科技.总第76期，1994第1期:23-25[4]刘克球等，生物医学电子学，北京大学出版社，1998[5]原金升,高延演.心电信号磁带存储和回放自动检测技术.应用科技.总第76期,1994年第1期14 本科毕业设计简易心电图仪的设计14 摘要随着社会的发展和人们生活水平的不断提高，人们对健康的重视程度与日俱争特别是近年来老龄化得加剧，而且心血管疾病的发病率也不断上升。目前心血管疾病成了威胁人类生命的主要疾病，心脏病已经成了世界上死亡率最高的疾病。鉴于这种严峻形势，提高预防和监测该疾病的手段势在必行。而心电信号是发现心脏病的最直接手段。但目前医院用的心电监护价格昂贵，维护费用高，患者检查的经济负担重，不能做到随时地都能检查。因此设计一种便携式，价格便宜且实用的心电监护仪器具有重要意义。人体心电信号中的各种生理参数都是由复杂生命体(人体)所发出的强噪声条件下的微弱信号（除体温等直接测量的参数外），心电信号的幅值在10uV～4mV之间,频率的范围为0.05～100Hz，其中淹没在50Hz的工频干扰中和人体的其他信号中，检测的过程及其方法比较的复杂。除去信号检测过程中的干扰、噪声，进行心电信号的分析是由心电图仪的重要功能之一。本文考虑从人体心电信号的特点-信号微弱，低频，高阻抗，不稳定性和随机性。采用了心电性信号的输入—右腿驱动电路、三级放大电路-前置放大，电压放大，功率放大。并用Multisim软件进行模拟仿真。该由运算放大器构成的简易心电图仪，具有体积小，携带方便，实用性强等优点。关键词：微弱信号；运算放大；心电图14 AbstractWiththesocialdevelopmentandcontinuousimprovementoflivingstandards,peoplewiththeemphasisonhealth,especiallyinrecentyearsatboththeagingofwarhaveincreased,andtheincidenceofcardiovasculardiseasearealsorising.Cardiovasculardiseaseiscurrentlythemainthreattohumanlifehasbecome,heartdiseasehasbecometheworld'shighestmortality.TheECGsignalisfoundinthemostdirectmeansofheartdisease.However,thehospitalECGuseexpensive,highmaintenancecosts,checktheeconomicburdenofpatientsandcannotbecheckedatanytime,anywhere.Thereforethedesignofaportable,cheapandpracticalECGmonitoringequipmentisofgreatsignificance.Thefrequencychangesfrom0.05Hzto100Hz.Theelectrocardiacsignalisinundatedwith50Hzelectricfrequencysignalandotherperson’ssignal.Theelectrocardiacsignalisoneofthemostimportantcheckingprocedureandmethodarecomplex.WeconsiderboththecharacteristicsofhumanECG-weaksignal,lowfrequency,highimpedance,instabilityandrandomness.Withtheheartelectricalsignalinput-rightlegdrivecircuit,three-levelamplifiercircuit-pre-amplification,voltageamplification,poweramplification..Giventhisgrimsituation,improvethepreventionandmonitoringofthediseasemeansimperative.ConstitutedbytheoperationalamplifierdesignedinthispaperasimpleECG,withasmall,portable,practicaldvantages.Keywords:Weaksingal；OpZoom；ECG14 目录摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1心电图仪的发展史11.2国内外现状11.3心电信号基本理论21.4心电信号的特点3第2章心电图仪的基本原理42.1心电图仪的基本组成框架42.2心电图仪的输入部分设计42.2.1心电信号的检测42.2.2抑制心电信号中50Hz共模信号干扰的有效方法52.3心电图仪中心电放大部分62.3.1高频滤波部分72.3.2无源高通滤波器72.3.3第一级放大电路82.3.4第二级放大电路102.3.5有源低通滤波电路112.3.6第三级放大电路12第3章用Multisim进行模拟仿真133.1multisim软件介绍133.2放大部分的模拟仿真143.2.1第一级放大电路仿真143.2.2第二级放大电路仿真163.2.3第三级放大电路仿真173.3滤波电路的仿真1814 3.3.1低通滤波电路的仿真183.3.2高通滤波电路的模拟仿真193.4心电放大电路设计总图20第4章总结22致谢23参考文献2414 第1章绪论1.1心电图仪的发展史心电图检测是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108周年。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家爱因托芬（WilliamEinthoven，1860-1927）。1885年爱因托芬来到荷兰西部的著名学府莱顿大学从事生理学的教学和研究工作。1889年，他开始了有关人类先点图方面的综合性研究。首先，他从改良Waller的毛细管电流计入手，进行了改进和校正；并对记录曲线的四个峰点租了进一步分析和标定，采用P、Q、R、S、T标出了心电图上的波峰和波谷，1904年，在T波之后他又记录到另一波，命名为U波，他倡导的心电图波命名法一直沿用至今[1]。毛细管电流计记录的结果处理起来仍非常耗时，难以达到实用的程度。1896年，爱因托芬对线圈式电流计产生兴趣，为了提高仪器的灵敏度以适应对微弱的生物电进行测量，他开始减少笨重的线圈的圈数，直到减少到一圈，最后变成了一根直线。经过数年的无数次试验，终于选中了一种直径只有0.002毫米的镀银石英丝，以取代原来笨重的线圈和反射镜。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。从1909年，他又发表论文详细描述了他所改进的弦线式电流计。1911年，依据他的论文，由英国电器工程师杜德尔(WilliamduBoisDuddell,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[2]。1.2国内外现状38 近些年来，在心电图机的研究和生产中主要以日本、德国等发达国家占主要地位，我国心电图机的发展，特别是在家用的心电图仪领域中，比较缓慢，水平也很落后。而常规的心电图仪有单、多道之分，虽使用起来很方便，但是价格较贵，体积巨大，只能适合在医院和社区医疗中应用，而且对于许多偶发的，短暂性的心率失常也是无法实时监测。虽然现在也有心电图仪，可用于24小时实时监控，但是其价格及其昂贵，使用也不方便，尤其是在携带方面，并且一般不能实时处理，因此并没有在很多的领域中推广使用，在家庭里的使用更是寥寥无几。随着社会生活节奏的不断加快，人们对健康的意识不断的提高，小型便携式的心电图机需求也越来越大。因此家用心电图机逐渐发展壮大。但是在我国便携式心电图仪并不多见[3]。1.3心电信号基本理论心脏跳动时会产生微弱的电流并能向身体各个部位传导，引起人体皮肤表层的点位发生变化。由于人体的各个部位不同，与心脏距离也不同，因此，人体皮肤表层不同部位的心电电位的变化也不同。将皮肤表层特定部位之间的电位差以时间为函数记录下来，这种记录曲线称为心电图（electrocardiogram，简称ECG）。心电图反映心脏兴奋的产生，传导和恢复过程中的生物电变化情况。正常人典型的心电图如图1.1所示。图1.1正常人典型的心电信号它是由一个P波，由一个QRS波群，一个T波和一个U波等组成，这些波形反映了心脏一次激动过程中。皮肤表层某两点之间的电位的变化情况。P波：心脏的兴奋发源于窦房结，最先传至心房，故P波是心电图中的所有波最先出现的而且也是代表着两心房产生兴奋过程的波。兴奋是在往两心房传播的过程中，其中的心电信号去除极化，综合向量首先指向的是左下肢，再逐渐的转向左上肢。将各瞬间心房去极的综合向量导联起来，便形成了一个代表心房去极的空间向量环，称为P环。P环在各导联轴上的投影即得出各导联上不同的P波。P波的波形小而且圆钝，随各导联而稍有不同。P波宽度不超过O.11s，电压的高度一般不超过0.25mV。P-R段：即从P波终点至QRS波群起点。正常人该段接近于基线。P一R段是由电的活动经过房室交界而传向心室中所产生,电位变化微弱，在人体的体表很难被记录出来。38 P一R间期:是指从P波的起点至QRS波群的起点之间的时间间距，代表的是心房从开始兴奋至心室开始产生兴奋所需要的时间，这一期间随着年龄增长而有延长的趋势，成人一般约为0.12到0.20秒，年龄越小越短，超过0.21秒的称为房室传导的时间延长。QRS波群:表示两个心室在兴奋传播中过程变化的电位变化。从窦房结产生的兴奋波经过传导系统首先到的是心室间隔左侧面，然后，按特定的路线和与方向，由内层往外层依次的传播。在随着心室中各部位先后去极化所形成多个瞬间的综合心电向量，而额面导联轴上的投影，就是心电图的肢体导联部分的QRS复合波。QRS复合波一般包括三个波动：在第一个向下的一个波称为Q波，在Q波后面有个向上的波称为R波，在R波所相连的另外的一个向下波称为S波。这三个波—Q波、R波、S波紧密相连，而且周期小于0.10秒，所以称为QRS复合波。一般心室肌兴奋传播所需时间是指QRS复合波所占时间，一般人的QRS波群的周期在0.06到0.10秒间。S-T段：指的是从QRS复合波结束到T波开始的直线，表示心室各部兴奋均处在去极化状态，没有电位差。一般时相似相同的电位线，向下偏移不应超过0.05毫伏，向上偏移在肢体导联不超过0.1毫伏，在单极心前导程中V1、V2、V3可达到0.2-0.3毫伏;V4、V5导联中一般低于0.1毫伏。在正常心电导联中，ST段不低于0.05mV。T波:是一个波宽较长、波幅较低的电波，反映的是心室产生兴奋后到再极化的过程。心室再极化的顺序和去极化过程刚好相反，它缓慢从外层向内层进行，在外层已去极化部分的负电位首先恢复到静息时的正电位，使外层为正，内层为负，因此与去极化时向量的方向基本相同。连接心室复极各瞬间向量所形成的轨迹，就是心室再极化心电向量环，简称T环。T环的投影即为T波。再极化过程同心肌代谢有关，因而较去极化过程缓慢，占时较长。T波与S-T段同样具有重要的诊断意义。U波：是指在T波后0.02-0.04s后出现的宽而低的波，一般波高在小于0.05mV，波宽约0.20s。是由心脏舒张时各部位所产生的负后电位所形成的[4]。1.4心电信号的特点作为生物的心电信号，其特点如下：①心电信号是从体表特定位置提取的生物电信号，该信号通常十分微弱，其幅值一般不超过5mV.②低频特性：通常心电信号频率较低，其频率范围一般处于0.05Hz~100Hz之间，频谱能量主要集中在0.25Hz~35Hz。③高阻抗特性：心电信号的信号源（即人体源）阻抗一般较大（几K~几十K），会产生较大的热噪声，这将给心电信号测量带来很大误差。④不稳定性和随机性：人体是在内、外环境相适应的条件下维持其生命活动。为适应各种外部环境变化，人体内各系统都是在相互影响中进行着变化调整，以使内外环境保持平衡。同时人体还受到遗传因素的影响，这些因素均会使人体的心电信号表现出不稳定性和随机性特点[5]。38 第2章心电图仪的基本原理2.1心电图仪的基本组成框架图2.1心电图仪的基本组成框架①输入部分包括从电极到导联线，导联选择器等。输出导联线将电极引出的心电信号送入到心电图仪的前置放大器中。导联选择器的作用是不必改变人体电极的接线就可以进行各种导联的转换。②放大部分包括前置放大器，中间级的电压放大器和功率放大器。其作用是将微弱的心电信号放大到可以观察和记录的水平。③记录部分包括记录笔的机械移动装置及其控制电路等。它用于在记录心电信号的电流变化曲线；也可以将心电信号在荧光屏上显示出来[6]。2.2心电图仪的输入部分设计2.2.1心电信号的检测获取心电信号的方法是：依靠与肢体接触的电极，电极一般为金属小板（如薄铜片），电极通过多股绝缘芯线绞成的屏蔽线与心电图仪相连；在测定心电波形是，电极安放的位置以及导线与放大器的连接方式，称为心电图的“导联”。为了便于比较和判断，临床对常用导联作出了严格规定，通常将电极安放在4肢和胸部引出心电波。在心电上广泛应用的是12导联系统，包括标准导联（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ38 ），加压单极肢体导联（aVr，aVl，aVf）和胸导联（V1，V2,V3,V4，V5，V6）三种类型，这里仅介绍“标准导联”。将电极绑困在手腕或脚腕的内侧面，并通过较长的屏蔽导线与心电图仪连接的方式称为“标准导联”[7]。习惯上对这些电极规定了表示符号(见表2.1)。表2.1导联标记电极的部位右臂左臂左腿右腿符号RALALLRL标准导联直接把两个肢体电极的电位加到心电放大器的输入端，所描述的波形即为两点电位差的变化。标准导联的接法如图1.2所示，具体说明如下。标准Ⅰ导联的电极接法：RA接放大器反相输入端（一）,LA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。标准Ⅱ导联的电极接法：RA接放大器反响输入端（一），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。标准Ⅲ导联的电极接法：LA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[8]。2.2.2抑制心电信号中50Hz共模信号干扰的有效方法体或通电导体周围都存在磁场。由于心电图仪、病房和手术的照明灯等都使用50Hz的交流电供电，故人和检测仪器均处于电磁场的环境中，于是人体会随时携带50Hz的干扰电压，会完全淹没心电信号。消除50Hz工频干扰方法有以下几种。①选用输入阻抗高的放大器，保证差分放大电路阻抗平衡，可以提高电路共模抑制比。②用共模干扰电压驱动导联线的屏蔽层，提高放大器对共模信号的抑制能力。当导联引线的屏蔽层接地时，分布电容变为放大器输入端对地的寄生电容C1、C2。实际上，两根导联线的分布电容不可能完全相等的，加之电极阻抗Rs1，Rs2不完全相等，使得Rs1C1≠Rs2C2，从而造成共模干扰电压的不等量衰减，使工模电压在放大器的输入端转化为差模电压。消除工模干扰电压的一种电路如图。将导联线的屏蔽层不接地，而接到缓冲器A3的输入正常。其工作原理是：电压跟随器A1，A2的输入电压分别为、。用两个阻值相同的电阻R接在A1，A2的输出端，在中间点取出A1、A2输出电压的平均值，给为共模电压V1c，该电压经过电压跟随器A3加到导联线的屏蔽层上，于是屏蔽层和信号线（芯线）具有相同的共模电压，使得屏蔽层和芯线之间形成的分布电容C1、C2对共模电压不会产生分流作用，消除了由C1，C2引起的共模电压不均衡衰减从而提高了前置放大器对共模干扰信号的抑制能力。③采用50Hz带阻滤波器（也称陷波器）。在采用以上方法仍不能满意地消除50Hz干扰信号时，可以子啊放大电路中加入高Q值50Hz陷波器，采用高Q值陷波器的原因是防止有用信号中的50Hz附近的成分损失过多。④38 采用右腿驱动电路消除人体上的共模电压。当人体的右腿接地的时候，会有感应电流Id经过人体到地，形成50Hz的共模干扰电压。为消除该干扰电压，将右腿不直接接地，而是通过一个限流电阻Ro与右腿驱动放大器A3的输入端相连，形成一个以人体为相加点的共模电压并联反馈，可以大大降低人体上的共模干扰电压。实践证明，在恶劣条件下，右腿驱动技术可以使50Hz共模干扰减小到1%以下[9]。由于右腿驱动电路的萝卜效果最好，本设计采用的是右腿驱动电路（如图2.2所示），人体的右臂RA、左臂LA、右腿RL，分别接入该驱动电路的输入端，输出端的两个信号分别输出道心电放大电路中进行下一步的操作。图2.2右腿驱动电路2.3心电图仪中心电放大部分如图2.3是由运算放大器构成的心电放大器的原理图。图2.3心电放大器原理图图中，3个运算放大器A1、A2、A3仪表放大器，其中第一级A1、A2采用同相输入并联连接，按图中的参数，其输入阻抗约为10MΩ，运算放大器A3构成差分放大器作为第二级，可以消除第一级输输出信号中的共模干扰信号，获得很高的共模抑制比。本设计主要采用的是运算放大器对心电信号进行放大，下面对运算放大器做简要的介绍：下图2.4为一普通运算放大器38 图2.4运算放大器一般的，运算放大器具有一个信号输出端口和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压的放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器[10]。运放的供电方式可分为单电源和双电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。运放的输入电位通常要高于负电源的某一数值，而低于正电源的某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至要高于正电源或要低于负电源也是可以的。这种运放称为轨到轨输入运算放大器[11]。2.3.1高频滤波部分图2.3中C3、C4用于滤除高频干扰和噪声。滤波器，顾名思义，是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被定义为描述各个物理量的取值随着时间的起伏变化过程。该过程经过各类传感器的作用，被转换为电流和电压的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。因为自变量时间是连续取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号(AnalogSignal)。随着数字式电子计算机(一般简称计算机)技术的产生和飞速发展，为了便于计算机对信号进行处理，产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。也就是说，可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息，波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化，自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了[12]。滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。滤波主要有两种：1是电源滤波，2是信号滤波[13]。前者利用的是电容的储能特性，一个接在电源两端的电容，当电源电压发生突变时（比如突然下降时），电容上的电压不会发生突变，而是呈现一个缓慢下降过程。同样，电源电压突然升高时，电容的端电压也会是一个缓慢的升高过程（简单的说，把瞬间变化过程变成一个缓慢变化的过程，这样有利于减少电源输出电压的波动，避免在元器件两端出现剧烈的电源变化，如果要求变化越慢，则并联的电容数就越多。电容容值也越大）后者利用的是电工电子里的复阻抗计算公式，电容的容抗Z=j(1/ωc)。38 从这里可以看出，容抗与信号的角频率和容值都有关系，如果要对低频信号进行滤波（ω比较小），则需要让Z比较小，也就是要C足够大。这样当电容并联在信号线和地两端时，低频信号就可以通过电容流到地（由于电容容值比较大，则容抗比较小，对于低频信号而言，这个大电容就为信号提供了一条阻抗很小的接地通路，你可以看做是低频信号对地短路），这样就实现了对低频信号的滤波。相反，如果选择的电容容值比较小，就可以实现对高频信号的滤波。本设计采用的是C1=C2=510pF，其电容的容值比较小，阻抗比较大。从而实现了对高频干扰信号的滤波。2.3.2无源高通滤波器图2.3中C1、R1和C2、R2组成的无源高通滤波电路用于保证整机的下限截止频率。如图2.5所示电路为二阶无源RC高通滤波器基本节,图2.5二阶无源高通滤波器图中R1=R2=R，C1=C2=C。采用复频域分析，可以得其电压转移函数为：（2-1）根据二阶基本节高通滤波器电压转移函数的典型表达式：（2-2）可得增益常熟为K=1，极点频率=,极偶品质因数.正弦稳态时，电压的转移函数课写成：（2-3）38 由上式可知：当ω=0时，|H(j0)|=0当ω==时，当ω=时，可见随着频率增加幅值函数增大，该电路具有使高频信号通过的特性，故称为高频滤波器。由上可得，图2.2中对应的下限截止频率2.3.3第一级放大电路如图2.6为同相放大电路图2.6同相放大电路在同相放大电路中，输出通过负反馈的作用。使自动地跟踪事，或。这种现象称为虚假短路，简称虚短。由于同相和反相两端输入端之间出现虚短现象，而运算放大器的输入电阻的阻值又很高，因而经过两端之间的，这种现象称为虚断[14]。在同相放大电路中，加到两输入端的电压大小接近相等，相位相同时它在闭环工作中的重要特征。①电压增益根据虚短和虚断的概念有：，。由图2.4可知（2-4）从而可得电压增益为（2-5）②同相放大器输入阻抗放大器在正常运行的时候，反馈总是使反向输入端的电压等于同相输入端的电压。因此，同相输入端与反向输入端的电压差总是等于零，所以，同相输入端与反向输入端总是不存在输入电流的变化，ΔU/ΔI=∝。所以，运算放大器同相输入端本身的输入阻抗无穷大。如果设置同相端对地电阻Riz，那么同相比例放大器的输入阻抗就等于Riz。38 ③同相放大器输出阻抗同相比例运算放大器在正常运行的时候；输出电压总是满足使反馈在反向输入端的电压等于同相端的电压(Av=R1/R2+1)。如果在放大器输出端接上负载引起输出电压下降，那么下降的输出电压就会使反馈在反向输入端的电压不等于同相端的电压，于是又会引起输出端的电压回到Av=R1/R2+1的参数.所以，在运算放大器输出负载电流能力的范围之内，负载阻抗的变化不会对放大器输出电压产生影响，相当于放大器的输出阻抗等于零[15]。图3.3中A1和A2采用的是同相输入并联连接的差模放大电路，其输入阻抗为∞，差模增益为：（2-6）将R3、R4、R5带入上式得：=103即，第一级放大器的增益为1032.3.4第二级放大电路如图2.7为差分放大电路差放的外信号输入分差模和共模两种基本输入状态。把信号加到两输入端口之间，当输入信号vo1、vo2大小相等、极性相反时，称为差模输入状态。此时，外输入信号称之为差模输入信号，用vid表示。同理，把外信号加到两输入端口与地之间，当vo1、vo2大小相等、极性相同时，称之为共模输入状态，此时的外输入信号称为共模输入信号，以vIC表示。当输入信号使vo1、vo2的大小不对称时，输入信号可以看成是由差模信号vId和共模信号vIc两部分组成，其中动态时分差模输入和共模输入两种状态[16]。图2.7差分放大电路(1)当差模输入信号的放大作用为差模信号vId输入(共模信号vIc=0)时，差分放大器两输入端的信号大小相等、极性相反时，即vo1=－vo2=vId/2,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反，导致两输出端对地的电压增量，38 即差模输出电压vod1、vod2大小相等、极性相反，此时双端输出电压为：vo=vod1－vod2=2vod1=vod,可见，差放能够有效地放大差模输入信号。注意：差分放大器的公共射极的动态电阻Rem对差模信号不起负反馈作用。(2)对共模输入信号的抑制作用:当共模信号vIc输入(差模信号vId=0)时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即vo1=－vo2=vIc,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同，导致两输出端对地的电压增量，即差模输出电压voc1、voc2极性相同，大小相等，此时双端输出电压为vo=voc1－voc2=0,由此可见，差分放大器对共模输入信号具有很强的抑制能力。此外，当电路处于对称条件时，差放具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。根据对第一级放大电路的分析，vo1≠vo2，其中R8=R9、R6=R7（2-7）(2-8)带入数据得：=-10即第二级放大电路的放大倍数为10倍，且相位相反。2.3.5有源低通滤波电路滤波器是一种能使有用信号通过，滤波信号中的无用频率，即抑制无用信号的电子装置。有源滤波器实际上是具有特定频率响应的放大器。低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想的滤波电路的频率响应在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。但实际滤波器不能达到理想要求。为了寻找最佳的近似理想特性，主要考虑幅频响应，而不是考虑相频响应。一般的说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之，滤波器的相频特性越好，幅频特性越差。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，单RC网络节数越多，原件参数计算月繁琐，电路的调试越困难。任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成，对于n为偶数的高阶滤波器，可由n/2节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由（n-1）/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础[17]。如图所示：38 图2.8低通滤波电路考虑到集成运算放大器同相端输入电压：结点9的电压V9=Vo4结点8电压和结点9电压关系为：(2-9)对于结点8，由KCL可得：(2-10)联立上3式，并带入数据得：该电路的传递函数：=1(2-11)其上限截止频率为：(2-12)代入数据的：Hz38 2.3.6第三级放大电路图2.9可调节运算放大器结点14的电压:(2-13)由虚短虚短的概念可知：结点13的电压:(2-14)联立上式得：电压的传递函数：(2-15)因为RP的电压调节范围为：0~510KΩ所以该运放可调的增益为11倍。第3章用Multisim进行模拟仿真3.1multisim软件介绍38 随着电子信息产业的飞速发展，计算机技术在电子电路设计中发挥着越来越大的作用。电子产品的设计开发手段由传统的设计方法和简单的计算机辅助设计（CAD）逐步被EDA（ElectronicDesignAutomation）技术所取代。EDA技术主要包括电路设计、电路仿真和系统分析3个方面的内容，其设计过程的大部分工作都是由计算机完成的。这种先进的方法已经成为当前学习电子技术的重要手段，更代表着现代电子系统设计的时代潮流。EWB仿真软件是multisim系列仿真软件的前身，该软件是加拿大IIT公司在20世纪80年代后期推出的用于电子电路设计与仿真的EDA软件，EWB工作平台上可建立各种电路进行仿真实验，其元器件库可提供万余种常用元器件由用户任意调用，具有高度集中、界面直观操作方便等特点，同时还具有多种电路分析手段和各类虚拟测量仪表。2007年3月，美国NI公司又推出了最新的NICircuitSuit10软件，NIMultisim10是其中的一个重要的组成部分，它可以实现原理图的捕获、电路分析、交互式仿真、电路板设计、仿真仪器测试、集成测试、射频测试、单片机等高级应用。其数量众多的元器件数据库、标准化的仿真仪器、直观的捕获界面、更简明了的操作、强大的分析测试功能、可信的测试结果，将虚拟仪器的灵活性扩展到了电子设计者的工作平台上，弥补了测试与设计功能之间的缺口，缩短了产品研发周期，强化了电子实验教学。其特点如下：(1)直观的图形界面整个界面就像是一个电子实验工作平台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的仪器仪表可直接施放到工作区中，轻点鼠标即可完成导线的连接，软件仪器控制面板、操作方式与实物相似，测量数据、波形和特征曲线如同在真实仪器上看到的一样。(2)丰富的元器件库NIMultisim10扩充了EWB的元件库，其中包括基本元件、半导体元件、TTI，以及CMOS数字IC、DAC、ADC、MCU和其他部件，用户可通过元件编辑器自行创建和修改所需元件模型，还可通过公司官方网站和代理商获得元件模型的更新和扩充服务。(3)丰富的测试仪器仪表除EWB具备的数字式万用表、函数信号发生器、扫频仪、示波器、逻辑、逻辑转换仪和字信号发生器分析仪外，还增加了瓦特表、、频谱分析仪、网络分析仪和失真分析仪，而且所有仪器均可以同时多台调用。（4）完备的分析手段除EWB提供的直流工作点分析、交流分析、傅里叶分析、瞬态分析、失真分析、噪声分析、参数扫描分析、传输函数分析、极点—零点分析、灵敏度得分析、最坏情况分析好蒙特卡罗分析外，还新增了批处理分析用户定义分析、直流扫描分析、射频分析和噪声图形分析等，能基本满足电子电路设计和分析的要求。（5）强大的仿真能力NIMultisim既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其新增了射频（PF）电路的仿真功能。仿真失败的时会显示错误信息提示可能出现的错误原因，仿真结果可随时储存和打印。（6）完美的兼容能力NIMultisim10软件可方便地将模拟结果以原有的文档格式导入LABVIEW或者SignalExpress中。工程人员可更有效地分享及比较仿真数据和模拟数据，而无须转换文件格式，在分享数据时减少了失误，提高了效率[18]。38 3.2放大部分的模拟仿真本设计采用的是用Multisim模拟软件进行的仿真，首先对各个模块电路进行模拟仿真，然后再用真实的器材搭建出电路并进行仿真。本设计可分为以下几个部分进行：3.2.1第一级放大电路仿真第一级放大器为同相输入差模运算放大器，由于基本差动放大电路的输入电压是从放大器同相端和反相端两侧同时加入的，所以其输入电阻不够高。如果把差动输入信号都从同相侧送入，则能大大提高电路的输入阻抗。采用下图所示的同相输入结构，输入阻抗可高达10MΩ以上。该放大器第一级是具有深度电压串联负反馈的电路，所以它的输入电阻很高。若选用相同特性的运放，则它们的共模输出电压和漂移电压也都相等，再通过组成的差分式电路，共模电压可以相互抵消，故它有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压，同时该电路有较高的差模电压增益。与基本差动放大电路的输出电压表达式相比，同相并联的第一级电路并不要求外电路电阻有任何形式的匹配来保证共模抑制能力，因此也就避免了电阻精确匹配的麻烦。实质上，第一级的输出回路里不产生共模电流，加在电阻R3上的差动电压决定了整个电路的工作电流均如此。所以电路的共模抑制能力与外电路电阻是否匹配完全无关。与基本差动放大电路相比，这种片联结构的电路能方便地实现增益上的调节，这带来使用上的很大方便。第一级电路具有完全对称形式，这种对称结构有利于克服失调，漂移的影响。选择Al，A2的性能参数，使之彼此精确匹配，就可以充分发挥对称电路误差电压相互抵消的优点。利用电路结构对称，失调互补的原理，就能获得低漂移的基本方法。进一步分析可见，A1，A2本身各自对共模电压的抑制能力上的差异，将造成第一级电路的CMRR3的降低。设A1，A2器件的共模抑制比分别为CMRR3，CMRR4；均为有限值，则共模输入电压Uic使A1在它的输入端存在共模误差电压，使A2在它的输入端存在共模误差电压UiC/CMRR4，因而在第一级输出端存在共模误差的输出电压。（3—1）由此可见，第一级放大电路的共模抑制能力取决于运放器件和本身的共模抑制比的差异，为了使第一级放大电路获得高共模抑制比，A1，A2器件本身的CMRR1和CMRR2的数值是否高并不重要，重要的是它们的对称性。举两组数为例，设CMRR3和CMRR4分别为80dB,90dB，则第一级放大电路的CMRR12只有83dB，而如果严格挑选A1和A2使其共模抑制比分别为80dB,80.5dB，则第一辑放大电路的CMRR12可高达160dB。所以实现第一级放大电路得高共模抑制比并不困难，通常可达到l00dB以上。下图4.1放大器的理论放大倍数应为Avd1=103，（由于心电信号P-QRS-T波形在Multisim中无此波形，以下均用30mV，60Hz的微弱交流信号代替心电信号）。在Multisim在实际仿真电路图:38 图3.1同相输入差模放大电路其仿真结果图3.2所示：图3.2同相输入差模放大电路仿真结果图由上图3.2计算：同相输入差模放大电路的放大倍数为==102.98。与理论值进行比较，38 3.2.2第二级放大电路仿真仅仅用Al,A2构成前置级是不足的，因为如不考虑这一级共模电压向差模电压的转化，Al,A2输出端就存在与输入端相同的共模电压。这样，共模电压在输出端占用了一定的工作范围，致使差动信号的有效工作范围变小。为了割断共模电压在电路中的传递，最简单最有效的方法是在Al,A2并联电路的后面接入一级差动放大，构成的第二级放大电路。如图3.3所示为差分放大电路的仿真电路图：图3.3差分放大电路其仿真结果如下图3.4所示：图3.4差分放大电路仿真结果图带入通道A（输出）和通道B（输入）数据可得：38 该差分放大器的增益为=-10联立（3—1）可得：第一级和第二级放大电路的共模抑制比为：(3-2)3.2.3第三级放大电路仿真由于第一级放大电路、第二级放大电路和滤波电路中在实际应用中存在一定的误差，而影响心电图仪的正常工作放大，因而采用第三级放大电路—同相比例放大电路，作为输出缓存级。其理论增益为：(3-3)按图3.5中滑动变阻器所在位置50%所示，其理论值为。图3.5同相比例放大电路其实际仿真结果如下图3.6所示：38 图3.6同相比例放大电路仿真结果图由通道A（输入）和通道B（输出）数据可知：该电路的增益为：与实际理论值相符，即可得出结论，该同相比例放大电路的增益调节范围为0~11。3.3滤波电路的仿真3.3.1低通滤波电路的仿真根据设计的要求：心电信号频率范围为0.05～100Hz，现选用2阶有源低通滤波器，其理论上限截止频率为=106.4Hz下图3.7为实际仿真电路图：38 图3.7低通滤波电路其仿真结果为：图3.8低通滤波电路仿真结果图由上图中的数据可知，该有源低通滤波电路的上限截止频率在102.5Hz左右，符合设计的要求。3.3.2高通滤波电路的模拟仿真设计要求心电信号的下限为0.05Hz，采用简单的RC滤波电路即可达到要求如图4.9为高通RC滤波电路：图3.9RC滤波电路其仿真的结果为：38 图3.10RC电路仿真结果图仿真结果在60mHz左右的时候达到截止频率，能使人体的心电信号完全的输入电路中放大输出。3.4心电放大电路设计总图本设计的思想是基于Multisim软件进行，按照设计的要求逐步的放大和滤波。首先采用的是右腿驱动电路采集人体心电信号，并且能很好的滤除50Hz的干扰信号，但是由于用Multisim软件进行仿真时候，无法将人体的心电信号进行提取，故右腿驱动电路只能在实物中进行。其次心电信号的放大可分为滤波部分和放大部分两大部分，滤波部分包括低频滤波和高频滤波，放大部分可分为3级放大电路，前置放大、电压放大和功率放大。心电放大电路总仿真电路如下图:图3.11心电图仪电路仿真图其仿真结果为：38 图3.12心电图仪电路仿真结果图经过调整滑动变阻器的阻值到上图仿真结果，该设计的放大倍数为Av==1005.1实际要求的放大放大倍数为1000此设计的误差0.51%，能过实现无失真放大的要求。38 第4章总结针对目前市场上便携式心电图仪价格昂贵、功能复杂等特点，在老师和同学的指导和帮助下，设计出了携带方便，功能简单的心电图仪。心电仪主要是完成对微弱的心电进行检测、放大以及显示。典型的心电仪通常由采集电极、前级调理电路、匹配电阻网络、放大器、滤波器、电平位移以及模数转换等几级构成。本设计中设计的心电图仪可分为输入部分、放大部分和记录部分三个阶段，其中输入部分为右腿驱动电路，放大部分包括了滤波和放大，记录部分是用的仿真软件Multisim进行仿真和记录。通过几个月的研究，取得了下的几个研究结果：(1)整体方案的设计，即输入部分、放大滤波部分和输出记录部分三个阶段。（2）根据微弱信号的特点，为了较好的提取心电信号，设计了相关的电路：右腿驱动电路，滤波电路和心电信号放大电路。（3）本设计采用的是Multisim软件进行的模拟仿真实验，对各级电路进行了模拟仿真，能过很好的完成对心电信号放大处理工作。通过心电图仪的研究与实现，最终实现了预期的目标。了解心电信号的基本信息，掌握了放大电路和滤波电路的使用和设计，学会了Multisim10软件的使用及应用。同时也学会了电子电路的一般得设计流程：方案的提出，方案的验证，方案的修改。此次在信号图仪的设计所掌握的知识，相信会对以后的工作和学习有着重要的作用。38 【参考文献】[1]康华光.电子技术基础模拟部分（第四版）.高等教育出版社，2005[2]常华,袁刚,常敏嘉.仿真软件教程—Multisim和MATLAB,清华大学出版社,2002[3]原金升,高延演.心电信号磁带存储和回放自动检测技术.应用科技.总第76期，1994第1期:23-25[4]刘克球等，生物医学电子学，北京大学出版社，1998[5]邓东云林家瑞，一种生理弱点信号的模拟处理电路的设计，中国医疗器械杂志，1994,5:43-45[5]谢自美，肖看，罗杰等电子线路综合设计，华中科技大学出版社，2006[6]庄俊华.Multisim9入门与应用，机械工业出版社，2008[7]王连英，基于Multisim10的电子仿真实验与设计，北京邮电大学出版社，2009[8]刘刚，王立香等，Multisim&Ultiboard10原理图与PCB设计，电子工业出版社，2009[9]刘克球,等.生物医学电子学.北京大学出版社,1998[10]蒋卓勤，邓玉元.Multisim2001及其在电子设计中的应用.西安电子科技大学出版社，2004[11]李远明，陈文涛.微弱光信号前置放大电路设计.新疆轻工职业技术学院,2007,8:78-89[12]侯静.生物医学信号的检测与处理.中国高新技术企业,2007,14:32-35[13]原金升,高延演.心电信号磁带存储和回放自动检测技术.应用科技.总第76期,1994年第1期[14]李刚.心电信号检测中滤除窄带干扰.中国计量学院,2007,9:102-109[15]孟丽霞，等.微小信号放大电路设计.仪器仪表学报,2006,6:34-38[16]李远明，陈文涛.微弱光信号前置放大电路设计.新疆轻工职业技术学院,2007,8:78-89[17]N.K.Kristiansen.Designandevaluationofahandheldimpedanceplethysmographformeasuringheartratevariability.2005[18]R.G.Bennhagen.Signal-AveragedElectrocardiographyinNormalNewbornInfants.200438