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心電信號采集電路的設計
發布時間:2020-03-23 08:43 來源:csch 閱讀:
0 1
人體心電信號的特點
心電信號屬生物醫學信號,具有如下特點:
(1)信號具有近場檢測的特點,離開人體表微小的距離,就基本上檢測不到信號; 
(2)心電信號通常比較微弱,至多為mV量級; 
(3)屬低頻信號,且能量主要在幾百赫茲以下; 
(4)干擾特別強。 干擾既來自生物體內,如肌電干擾、呼吸干擾等;也來自生物體外,如工頻干擾、信號拾取時因不良接地等引入的其他外來串擾等;
(5)干擾信號與心電信號本身頻帶重疊(如工頻干擾等)。 
0 2
采集電路的設計要求
針對心電信號的上述特點,對采集電路系統的設計分析如下:
(1)信號放大是必備環節,而且應將信號提升至A/D輸人口的幅度要求,即至少為“V”的量級; 
(2)應盡量削弱工頻干擾的影響; 
(3)應考慮因呼吸等引起的基線漂移問題; 
(4)信號頻率不高,通頻帶通常是滿足要求的,但應考慮輸入阻抗、線性、低噪聲等因素。 
0 3
采集電路設計分析過程
3.1、前級放大電路設計
由于人體心電信號的特點,加上背景噪聲較強,采集信號時電極與皮膚間的阻抗大且變化范圍也較大,這就對前級(第一級)放大電路提出了較高的要求,即要求前級放大電路應滿足以下要求:
高輸入阻抗; 高共模抑制比;低噪聲、低漂移、非線性度??;合適的頻帶和動態范圍。
為此,選用Analog公司的儀用放大器AD620作為前級放大(預放)。AD620的核心是三運放電路(相當于集成了三個OP07運放),其內部結構如圖1所示。

該放大器有較高的共模抑制比(CMRR),溫度穩定性好,放大頻帶寬,噪聲系數小且具有調節方便的特點,是生物醫學信號放大的理想選擇。根據小信號放大器的設計原則,前級的增益不能設置太高,因為前級增益過高將不利于后續電路對噪聲的處理。
根據上面的分析,前級放大電路按圖2設計,并先運用Multisim 2001仿真。

仿真過程采用O.5 MV,1.2 Hz的差分信號源為模擬心電輸入來模擬電路的放大過程,結果滿足要求。
3.2、次級放大電路(信號放大)
第二級放大電路主要以提高增益為目的,選用普通的AD OP07即可滿足要求。
3.3、高通濾波器(消除基線漂移)
在電路部分加上簡單的高通濾波環節,對隔斷直流通路和消除基線漂移將會起到事半功倍的效果,本部分電路置于預放大與信號放大電路之間,一個簡單的無源高通濾波電路如圖3所示。

經過高通濾波后,可X以大大削弱0.03 Hz以下因呼吸等引起的基線漂移程度,心電信號低頻端也就相應地取該頻率。
3.4、補償電路(抵消人體信號源中的各種噪聲)
引入補償電路,是為了抵消人體信號源中的干擾(包括工頻干擾)。引入補償電路的方法:在前級放大電路的反饋端與信號源地端建立共模負反饋,為提高電路的反饋深度,將反饋信號放大后(仍采用OP07)接人信號源參考端,這樣可以最大限度地抵消工頻干擾。引入的這種電路形式,根據其結構和功能,可形象地將其稱為“反饋浮置跟蹤電路”。
3.5、整個電路系統的框圖結構
整個電路系統的原理框圖及信號流程如圖4所示。

3.6、實際電路系統原理圖
最后的綜合電路如圖5所示。圖中U1單元為AD620前置放大;U2為反饋浮置跟蹤部分;U3為第二級放大輸出部分。
該電路的增益估算為: 
第一級放大: 

實際增益由于高通濾波及其他損耗的存在,要比理論估算值略小,但已滿足放大輸出的要求。

0 4
電路性能的實驗驗證
按圖5搭建電路,采用虛擬儀器LabVIEW 8.2系統,通過NI的USB-6009DAQ采集電路輸出的心電信號,結果如圖6所示(為便于對比,采用了相同的坐標刻度)。
在圖6中,圖6(a)為不加反饋浮置部分時采集到的信號波形,可以看出,干擾很大,其中的主要干擾為50 Hz的工頻干擾;圖6(b)為加上反饋浮置電路部分后采集到的心電波形,其基線附近的仍有部分紋波干擾,但較圖6(a)不加反饋浮置時得到的波形已大為改善,可見加上反饋浮置電路對降低人體中干擾信號有很大幫助。至于仍殘留的工頻干擾,可在系統后續部分采用有關濾波技術進一步加以抑制,這里不再討論有關工頻干擾的進一步濾波問題。 

0 5
結語
采用以AD620及OP07為核心的信號放大器來實現心電信號的放大,電路功耗小,靈敏度高,理論上最低只需3 V的電源,可由外接電池提供,容易實現基于移動式設備(如筆記本電腦)為核心的心電信號采集及處理,是一種實用的心電信號前端采集放大電路(信號的進一步優化可在采集后由軟件進行調理)。

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