【简易心电测量电路（AD620）】
学生版低成本心电测量
- 1. 背景
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- 1.1 心电图产生原理
- 1.2 心电信号特征
- 1.3. 项目总体设计
- 2. 电路设计
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- 2.1前级放大与右腿驱动电路
- 2.2 低通滤波电路
- 2.3 50Hz陷波电路
- 2.4 后置放大电路
- 3. 部分测试
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- 3.1 前级放大电路
- 3.2 50Hz陷波电路
- 3.3 后置放大电路
- 4. 最终效果
1. 背景
1.1 心电图产生原理
当心肌细胞一端的细胞膜受到一定程度的刺激时，其对钾、钠、氯、钙等离子的通透性发生改变，引起细胞膜内、外和正、负离子的流动（主要是钠离子的内流），使细胞膜内外正、负离子的分布发生逆转，受刺激部位的细胞膜出现除极化，使膜外侧具负电荷而膜内侧具正电荷，产生动作电位使心脏产生收缩运动。这样周而复始，一个周期一个周期持续下去就行成了有规律的心电图波形，也称为P-QRS-T波。
1.2 心电信号特征
人体的心电信号是一种十分微弱的信号，信噪比低。按照美国心电学会确定的标准，正常心电信号的幅值范围在10μV-4mV之间，典型值为1mV。频率范围在0.05-75Hz以内，而90%的ECG频谱能量集中在0.25~35Hz之间主要集中在17Hz附近，幅度小于5mV。心电电极阻抗较大，一般在几百千欧以上。而在检测心电信号时，会存在强大的干扰，主要有电源工频干扰(50Hz)，电极移动引起基线漂移(一般小于1Hz)，肌电干扰(几百Hz以上)。电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可达几伏特甚至几十伏特，因此，我们在设计心电放大器必须具有很高的共模抑制比(80dB以上)。由于信号源内阻可达几十千欧，乃至几兆欧，所以，心电放大器的输入阻抗必须在几兆欧以上。同时在有源低通滤波器中要求能够有效地滤除与心电信号无关的高频信号，最后在设计要求对某一频段的信号能够抑制或衰减。
1.3. 项目总体设计
心电采集部分应包含放大部分与滤波部分。前置放大电路应具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的特点，同时需将信号放大至预计幅值。滤波部分需将信号有效信息保留的同时滤除电源等带来的噪声与高频信号。
2. 电路设计
通过三导联采集人体的心电信号，依次通过前置放大、高通滤波、50HZ陷波和低通滤波电路，得到基本放大的心电信号。其中，第一级前置放大是CMRR很大的差动放大器，此处采用仪用放大器AD620，放大倍数固定为20的电路；第二级是一阶低通滤波器电路，所设计的截止频率为23Hz；第三级是50Hz陷波电路，能有效去除50HZ工频干扰；。该电路将具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低温漂和高信噪比等特点,很好地满足心电采集设备的要求，电路简单可靠，可行性强。
2.1前级放大与右腿驱动电路
前置放大电路包括前级放大电路、无源高通滤波、右腿驱动电路与后级放大电路
考虑到噪声的影响，前置放大不能把信号放大太多倍，因为这样会带来不可避免的饱和失真。前置放大器的增益设计为10倍，通过并联差动输入来提高信噪比与共模抑制比。在这里我采用便宜、共模抑制比高、输出阻抗高的LM324芯片，其2、3脚接差动输入
之后是一个对称的一阶0.05Hz无源高通滤波器
由于前置放大器起着提取信号并初次放大信号的作用，所以要求所用的运放有高共模拟制比，高输入阻抗，较高的差模增益，低的失调电压，低功耗。这里选用AD620。AD620的1,8脚之间接5.1k电阻，放大倍数约为10倍。总的前置放大电路的理论放大值为20。
其增益为1000倍，C3的作用是与R10构成低通滤波器，其截止频率为f=1/(2πR6×C3)=100HZ，滤掉高频的干扰。使电路稳定。R9是限流保护电阻，一般取较大值。
2.2 低通滤波电路
本设计采用压控电压源二阶低通滤波器。电路中采用两个电阻和两个电容值相等，截止频率的计算公式为
2.3 50Hz陷波电路
50Hz陷波电路采用的是双T型陷波电路，他也是一种压控电压源型的电路结构。放大倍数也是1。调节电位器可以调节陷波电路的品质因数。50Hz陷波电路的调节是这部分电路里比较复杂的，不但需要把中心频率调节到50Hz左右，还要将Q值控制在合理的范围之内。
50Hz陷波的调试过程，最开始根据计算公式，计算参数大致为R16，R17取30k，C6，C7取0.1uF（104），C8取0.22uF（224）。
中心频率调节在了49.5Hz，在49-51Hz这个频率范围内都有较大的衰减，最大衰减为1/20, 51Hz处仍有1/6衰减，并且在这之外衰减就会迅速减小并消失。
2.4 后置放大电路
在50Hz之后首先设计了一个隔直流电路。这块电路是后加上去的，在一开始用正弦波设计时没有发现直流的影响，但是连上心电之后发现引入较大噪声且常有偏移量，基线偏离零点。所以最后在这里加上了隔直流电路滤除直流分量对电路的影响。
LM324（U3.4）与前级低通滤波相同，截止频率同为23Hz。在设计之初也试过使用75Hz等较高截止频率进行滤波，但发现效果不是特别好，最终使用当前电路。
而后又使用两个LM324运放进行信号的放大。U4.1放大倍数：
最后一级放大使用滑动变阻器方便对放大倍数的调节。
3. 部分测试
3.1 前级放大电路
第一个LM324承担差模输入、右腿电路与高通滤波的工作。其中测试时3脚接信号输入，5脚接地，14脚连接的电阻端接地进行正弦波的放大测试。在测量心电时，3脚5脚接左右手进行差模信号输入，14脚接的电阻端为右腿接入端。
可以看出前级放大电路对正弦波信号的处理结果符合理论值计算，约为20倍。
3.2 50Hz陷波电路
在实验时，发现信号在50Hz左右有较大衰减，在50Hz之后信号衰减非常明显。实际的中心频率为51hz,基本符合实验要求
3.3 后置放大电路
后置放大电路理论值为100倍。后置放大电路是根据心电最终效果进行调整设计的。因为我的心电幅值比较小，在将心电放大倍数调整至题目要求幅值时的放大倍数已将信号发生器能发出的最小幅值2mV信号放大至削顶，所以在此处并没有拿正弦波测试并存图。
4. 最终效果
