基于測量放大器的心電前置放大器創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例分析

胡?？? 李旭瓊 晉良念

摘? 要? 結(jié)合心電信號頻率低、信號弱、共模干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，以測量放大器為核心實(shí)現(xiàn)一種具有高共模抑制比、高增益、高輸入阻抗以及50 Hz陷波的心電前置放大器。通過原理圖設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化、硬件實(shí)現(xiàn)的全設(shè)計(jì)流程，有效提升學(xué)生的工程素養(yǎng)和解決復(fù)雜工程問題的能力，更好地適應(yīng)新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求。

關(guān)鍵詞? 心電信號；測量放大器；陷波器；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）10-0133-07

Innovation of Experiment Case of ECG Preamp-lifier Based on Measurement Amplifier//HU Ruikang， LI Xuqiong， JIN Liangnian

Abstract? Combined with the characteristics of low?frequency， small signal amplitude and strong common?mode interference of ECG signal， an ECG preamplifier with high common mode rejection ratio， high gain， high input impedance and 50 Hz notch is realized by?using the measurement amplifier as the core com-ponent. Through the whole design process of schema-tic design， simulation optimization and hardware implementation， students engineering literacy and ability to solve complex engineering problems can be effectively improved to better meet the needs of training innovative talents in new engineering.

Key words? ECG signal; measurement amplifier; notch filter; experiment

Authors address? School of Information and Commu-nication， Guilin University of Electronic Techno-logy， Guilin， Guangxi， China， 541004

0? 引言

近年來，新工科建設(shè)已經(jīng)深入國內(nèi)各個高校，新工科提倡重實(shí)踐、跨學(xué)科，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿人才培養(yǎng)全過程。實(shí)踐性是工程教育的本質(zhì)屬性，將實(shí)際工程引入課程教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)及實(shí)踐創(chuàng)新能力，促進(jìn)工程教育人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成[1]。

目前，許多高校電子信息類專業(yè)的模電實(shí)踐課程仍然以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。比如，傳統(tǒng)的分立元件差動放大器實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容通常是先利用理論知識分析計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、差模放大倍數(shù)、共模抑制比等指標(biāo)參數(shù)，然后再讓學(xué)生用現(xiàn)成的分立元件電路板接線測量靜態(tài)工作點(diǎn)及各項(xiàng)指標(biāo)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)側(cè)重于理論驗(yàn)證，能夠加深學(xué)生對理論知識的理解，但是沒有考慮應(yīng)用場景和工程因素，實(shí)用性不強(qiáng)。長期以來，學(xué)生只見電路不見系統(tǒng)，只會簡單計(jì)算，對電路設(shè)計(jì)望而卻步，這些一直以來都是模電課程教學(xué)的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。為解決這些問題，迫切需要開發(fā)一些與實(shí)際工程緊密結(jié)合的設(shè)計(jì)性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生接觸工程實(shí)際，提高他們的動手實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)。

1? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與可行性分析

本實(shí)驗(yàn)引入心電監(jiān)護(hù)儀實(shí)際工程案例，將其前端模擬部分——心電前置信號放大器作為傳統(tǒng)差分放大電路實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用拓展。心電前置放大器負(fù)責(zé)將微弱信號放大并處理為后級A/D轉(zhuǎn)換器可以處理的電平，是典型的微弱信號處理電路，涵蓋豐富的模擬電子技術(shù)知識，包括差分放大、共模信號、共模抑制比、頻率響應(yīng)、有源濾波等，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行у憻拰W(xué)生綜合應(yīng)用知識解決實(shí)際問題的能力。

項(xiàng)目要求學(xué)生在充分了解心電信號特征的基礎(chǔ)上，參考已有設(shè)計(jì)案例完成電路系統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)，運(yùn)用理論知識對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信號進(jìn)行分析并計(jì)算電路的性能指標(biāo)；基于Multisim軟件進(jìn)行仿真分析，研究電路參數(shù)對性能指標(biāo)的影響，進(jìn)而優(yōu)化、改進(jìn)電路設(shè)計(jì)方案；最后完成硬件電路的制作與調(diào)試，測試電路的性能指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展，從原理圖設(shè)計(jì)到仿真驗(yàn)證再到硬件實(shí)現(xiàn)，有助于學(xué)生充分認(rèn)識三者的關(guān)聯(lián)性與差距，體會電源噪聲、環(huán)境、信號源等對實(shí)際電路系統(tǒng)的影響以及解決思路，鍛煉學(xué)生的動手實(shí)踐能力，提升工程素養(yǎng)。

整個電路系統(tǒng)以集成運(yùn)放為主，參考已有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改良優(yōu)化，項(xiàng)目難度適中，具有一定的趣味性，學(xué)生容易上手。硬件電路可以制作PCB電路板，也可以用面包板或萬能板搭建電路，整個裝置成本低廉，有利于在高校開展及推廣應(yīng)用。

2? 心電前置放大器設(shè)計(jì)

2.1? 心電信號特征及設(shè)計(jì)指標(biāo)

常規(guī)心電信號一般比較微弱，幅度為10 μV～5 mV，典型值1 mV，頻率范圍是0～200 Hz，主要能量信號集中在0.05～100 Hz[2]。與普通信號源不同，心電信號的等效信號源內(nèi)阻會隨人體及環(huán)境的差異產(chǎn)生較大變化，其變化范圍大約在數(shù)千歐到幾百千歐之間。此外，心電信號還存在大量噪聲，包括呼吸信號、肌電干擾（幾百Hz以上）、50 Hz工頻干擾、其他電磁設(shè)備的體外干擾等[3]。

為滿足心電信號放大的特殊要求，前置放大器必須具有高輸入阻抗、高共模抑制比、高增益及寬的增益調(diào)節(jié)范圍等特性[4]，具體指標(biāo)要求為：中頻增益Aud≥500；輸入電阻Rid≥20 MΩ；通頻帶BW為0.14～200 Hz；共模抑制比KCMR≥80 dB；50 Hz陷波中心相對誤差小于1%。

2.2? 心電前置放大器系統(tǒng)框圖

心電前置放大器的系統(tǒng)組成如圖１所示，包括測量放大器、低通濾波器、50 Hz陷波器和后級放大器四個部分。

測量放大器為系統(tǒng)主體部分，由三個運(yùn)放構(gòu)成，其作用是將差分心電信號轉(zhuǎn)換為單端心電信號并進(jìn)行放大，抑制混疊在心電信號中的交流共模干擾。由于放大器要求增益Aud≥500，為了減小基線漂移的影響，前級差放的電壓增益不宜過高，可以設(shè)置為10倍，由后級放大器承擔(dān)主要放大作用。低通濾波器的作用是濾除肌電干擾和其他高頻干擾，高頻截止頻率為200 Hz。陷波器中心頻率為50 Hz，用于消除工頻干擾。

2.3? 測量放大器

三運(yùn)放構(gòu)成的測量放大器如圖2所示。運(yùn)放U1A、U1B構(gòu)成同相放大器與輸入信號相連。引入的電壓串聯(lián)負(fù)反饋使兩個輸入端具有很高的輸入阻抗，為了獲得高共模抑制比，兩個同相放大器應(yīng)該具有高對稱性，因此對元器件的精度要求較高。電容C3、C4對輸入端進(jìn)行阻容耦合，其對低頻心電信號的容抗較低，同時可以防止電極極化電壓帶來的直流信號對信號放大造成影響[2]。電阻R1、R2起限流作用，防止突然輸入過大的電流。U2A構(gòu)成增益為1的差分放大電路，能夠?qū)⑶凹壍碾p端輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閱味溯敵?，同時消除前級的直流偏置和共模輸出成分，要求R6=R7=R8=R9。

根據(jù)運(yùn)放工作在線性區(qū)時的“虛斷”和“虛短”特性[5]，求得差模電壓增益為：

取Avd1=-10，R4=2 kΩ，則R3=R5=9 kΩ。取R6=R7=R8=R9=50 kΩ。

2.4? 低通濾波器

心電信號頻率范圍是0～200 Hz，低通濾波器-3 dB截止頻率為200 Hz。心電信號具有脈沖波形特征，為保證信號不失真放大，濾波器應(yīng)具有線性相移特性。貝塞爾濾波器具有線性相移特性，最適合用于心電信號的處理，因此采用貝塞爾二階有源低通濾波器，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了保證通帶內(nèi)頻率響應(yīng)的平坦度，品質(zhì)因數(shù)取Q1=0.707。濾波器的增益為Av2，電路參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

取電阻R12=100 kΩ，則R13=58.6 kΩ，取常用電阻56 kΩ。

濾波器的上限截止頻率為：

取C5=C6=43 nF，則R10=R11=18.5 kΩ，取18 kΩ。

2.5? 50 Hz陷波器

采用雙T結(jié)構(gòu)陷波器，如圖4所示。C7-C8-R14組成高通濾波器，R15-R16-C9組成低通濾波器，兩者并聯(lián)且截止頻率相等。運(yùn)放U3A連接成電壓跟隨器，用來隔離負(fù)載對陷波器的影響；U3B也接成電壓跟隨器，構(gòu)成輸出到輸入的反饋。中心頻率由雙T網(wǎng)絡(luò)決定，其中，C7=C8=C9/2；R15=R16=2R14；取樣電路由R17、R18組成，改變R17、R18可調(diào)整反饋量的大小，從而改變品質(zhì)因數(shù)Q2，并影響濾波帶寬[5]。陷波器的幅頻響應(yīng)為：

陷波器的中心頻率為：

劉玉梅等[6]設(shè)計(jì)方案，取R17=500 Ω，R18=100 kΩ。

2.6? 后級放大器

圖5為后級放大器，由運(yùn)放U4A構(gòu)成反相放大器。整個系統(tǒng)要求電壓增益Aud≥500，前級測量放大器增益為Av1=-10，低通濾波器增益為Av2=1.56，則后級放大器需要的增益大小為|Av3|≥32。C10為耦合電容，防止前級輸出的直流偏置被放大干擾有用信號。

后級放大器的電壓增益為：

取R19=10 kΩ，R20采用500 kΩ的電位器，則反相器的增益最大可以達(dá)到-50，整個電路的電壓增益調(diào)節(jié)范圍約為15～750，滿足電路的增益需求。

3? 心電前置放大器的仿真與參數(shù)優(yōu)化

利用Mulitism軟件對整個電路進(jìn)行仿真分析和參數(shù)優(yōu)化。心電信號用兩個峰值10 mV、80 Hz的信號來模擬，共模信號由50 Hz工頻信號經(jīng)兩個電容分壓后的輸出來模擬。仿真分析主要內(nèi)容包括以下四個方面。

1）前級測量放大器的電壓傳輸特性：利用DC Sweep仿真功能測量電壓傳輸特性，獲得電路的線性輸入范圍Uid、直流偏置位置及電路的對稱度，研究影響電路直流偏置和對稱性的因素。

2）測量陷波器的頻響特性及穩(wěn)定性分析：利用AC Sweep仿真功能或波特測試儀測量陷波器的頻率響應(yīng)，計(jì)算誤差范圍。研究電阻R17、R18變化對陷波器頻率響應(yīng)的影響，分析電路的穩(wěn)定性，優(yōu)化電路參數(shù)。

3）系統(tǒng)頻響特性及失真度分析：示波器觀察整體放大效果，測量失真度。利用AC Sweep仿真功能或波特測試儀測量整個電路的頻率響應(yīng)，獲得電路的中頻增益、下限截止頻率、上限截止頻率。

4）測量輸入電阻和共模抑制比。

3.1? 前級測量放大器的電壓傳輸特性

圖6為前級測量放大器的電壓傳輸特性。由圖6可知，差模輸入電壓為0時，輸出電壓近似為零，說明電路的對稱性較好。在電源電壓為±5 V時，電路的線性輸入電壓范圍Uid=-82～+92 mV，輸出電壓范圍是-4.5～+4 V。

3.2? 陷波器的頻響特性及穩(wěn)定性分析

利用波特測試儀測量陷波器中心頻率、頻帶寬度和陷波深度，仿真結(jié)果如圖7所示。陷波中心頻率為50.16 Hz，相對誤差為0.3%，頻帶寬度為3 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。陷波深度約為6 dB，相對較小。

利用Parameter Sweep功能研究電阻R18對陷波器頻響特性的影響。R18分別取100 kΩ、70 kΩ、40 kΩ、10 kΩ，仿真結(jié)果如圖8所示。從結(jié)果來看，R18取值越小，陷波深度越大，同時相位變化也越大。當(dāng)R18=10 kΩ時，相頻特性出現(xiàn)較大的跳動，超越陷波中心較遠(yuǎn)處才能恢復(fù)到正常相位，這樣會使心電波形產(chǎn)生較大的失真。通過以上分析和比較，重新選擇R18=40 kΩ，此時陷波器的中心頻率為50 Hz，陷波深度增大到13 dB。由此可見，陷波深度與穩(wěn)定性是互相影響的，在設(shè)計(jì)的時候應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行折中考慮。

3.3? 系統(tǒng)頻響特性及失真度分析

利用波特測試儀測量整個電路系統(tǒng)的頻率響應(yīng)及指標(biāo)，仿真結(jié)果如圖9所示。由圖可以得到以下指標(biāo)參數(shù)：中頻差模電壓增益Aud =502，上限截止頻率為201 Hz，下限截止頻率為0.024 Hz，陷波中心頻率為50.1 Hz，相對誤差0.2%，均滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖10所示，在輸入端同時加入80 Hz、2 mV差模信號和50 Hz、4 V共模干擾信號，用示波器觀察電路的輸入輸出波形，所得仿真結(jié)果如圖10所示，其中紅色線代表輸出信號。結(jié)果表明，在較強(qiáng)的共模干擾下，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對差模信號的有效放大，共模干擾下電路的總諧波失真度約為1.23%。通過仿真發(fā)現(xiàn)，差模信號頻率越低，電路的失真度越大。

3.4? 輸入阻抗和共模抑制比測量

采用電阻分壓法測量輸入阻抗[7]，如圖11所示。用電壓探針測得輸入信號有效值為10 mV，經(jīng)過10 MΩ電阻RM分壓后，電壓降為5.14 mV。則輸入電阻為：

共模輸入情況下電路的幅頻特性如圖12所示，共模增益為Auc=-113 dB。差模電壓增益為Aud =54 dB。則電路的共模抑制比為KCMR=54+113=167 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。在整個通帶內(nèi)，共模增益曲線不夠平坦，靠近截止頻率附近，共模增益相對較大。

4? 硬件實(shí)現(xiàn)與調(diào)試測試

本實(shí)驗(yàn)電路需要運(yùn)用到七個單運(yùn)放，可以選用四片低噪雙運(yùn)放OPA2207來完成。電路中的元器件參數(shù)多采用常見的標(biāo)稱值，運(yùn)放選擇直插封裝，不需要用到貼片電容、電感，所以本電路可以在面包板上搭建。此外，還可以通過制作手工板或工廠打板，再進(jìn)行焊接、調(diào)試實(shí)現(xiàn)本電路。本實(shí)驗(yàn)電路層次清晰，若在搭建電路中有些許失誤可以通過輕易地?cái)嚅_前后級以定位問題位置，從而在不耗費(fèi)學(xué)生大量時間的前提下提高學(xué)生分析、調(diào)試電路能力。

4.1? 調(diào)試過程出現(xiàn)的問題及解決思路

電路調(diào)試是理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)。前述仿真結(jié)果顯示本電路能夠滿足所有指標(biāo)要求，但是仿真不能替代實(shí)際電路，這是因?yàn)閷?shí)際元器件的參數(shù)存在分散性，現(xiàn)實(shí)世界中的某些效應(yīng)，包括串?dāng)_、電子噪聲、分布電容電感等難以建模，無法在仿真中體現(xiàn)[8]。因此，實(shí)現(xiàn)實(shí)際電路時，必然會與仿真結(jié)果存在一定偏差，甚至得不到所需結(jié)果。

4.1.1? 直流偏置問題

本實(shí)驗(yàn)電路由于需要防止沖激信號與直流信號輸入的影響，故采用阻容耦合方式輸入信號。在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，電容在輸入端會導(dǎo)致運(yùn)放的輸出端產(chǎn)生直流偏置，并且經(jīng)過后級差動放大器后仍然存在較高直流偏置。大部分雙運(yùn)放采用5 V供電，而輸出信號大約為5 V，這必然會產(chǎn)生非線性失真，得不到所需結(jié)果。此外，阻容耦合對低頻信號影響較大，會減小通頻帶。

將輸入端電容去除，改為直接耦合的方式輸入信號，可以消除直流偏置。然而在實(shí)際應(yīng)用中，需要電容以防止元器件損害，而電容產(chǎn)生的直流偏置不可避免，所以采取其他方法降低或消除直流偏置。

在輸入端和地之間并聯(lián)一個電阻，改變電阻的大小可以改變直流偏置情況，但因后級是直接耦合，能夠放大直流信號，所以每一級都需要并聯(lián)電阻，且電阻阻值需要不斷更換以達(dá)到所需要的效果。

輸入級運(yùn)放采用正相輸入，如果均改變?yōu)榉聪噍敵鋈?，只要?fù)反饋電阻阻值不過大，直流偏置可以忽略，并且實(shí)際運(yùn)用中對相位沒有要求，但同時會帶來輸入阻抗變小的問題。

4.1.2? 數(shù)據(jù)測量中存在的問題

仿真軟件功能豐富，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中往往不具備這些測量工具，實(shí)際測量采用的方法與仿真測量存在差異。實(shí)際測量指標(biāo)時，由于多種原因造成某些指標(biāo)難以測量或者無法測量，只能通過仿真進(jìn)行理想狀況下測量。在低頻信號輸入時，示波器采樣頻率過低導(dǎo)致屏幕刷新慢、波形顯示卡頓等問題，而本實(shí)驗(yàn)要求低頻信號最小為0.14 Hz，所以實(shí)際中難以測出低頻時的-3 dB點(diǎn)。

輸入阻抗的測量是通過在輸入端串聯(lián)電阻分壓實(shí)現(xiàn)。如果輸入5 mV信號，聲音、工頻噪聲等會淹沒小信號，示波器無法觀察分壓后的信號。如果輸入更大的信號，本實(shí)驗(yàn)要求電路放大倍數(shù)為500倍，輸入信號在放大500倍后，容易損壞運(yùn)放。此外，要求20 MΩ輸入阻抗較大，而本電路理論輸入阻抗大于實(shí)測指標(biāo)，需要在輸入端串聯(lián)大阻值電阻，不僅會有較大熱噪聲而且實(shí)際示波器的內(nèi)阻不是無限大，當(dāng)與大電阻并聯(lián)測量電壓時，示波器不能正確顯示電壓?？梢钥紤]測量對應(yīng)的輸出電壓來計(jì)算，但勢必會引入附加的誤差。

50 Hz陷波中心頻率相對誤差需要用波特儀進(jìn)行測量，而大部分實(shí)驗(yàn)室不配備波特儀，所以相對誤差不易精確測量。

4.2? 問題探究

1）本實(shí)驗(yàn)提供三種方法減小或消除直流偏置，保證得到所需結(jié)果。通過對比三種情況的異同，查閱相關(guān)文獻(xiàn)、書籍，提出大膽猜想，并通過進(jìn)行其他電路仿真檢驗(yàn)，探究直流偏置產(chǎn)生的原因。

2）從心電信號的頻譜特征著手，進(jìn)一步深入研究在心電信號放大與處理電路中，相頻特性對穩(wěn)定性和失真度的影響，50 Hz陷波器存在的利與弊，在此基礎(chǔ)上探索更好的實(shí)現(xiàn)方案。

5? 結(jié)束語

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目引入了與課程知識密切相關(guān)的實(shí)際工程案例，在設(shè)計(jì)中融入工程思維，運(yùn)用豐富的仿真工具和手段進(jìn)行仿真分析與參數(shù)優(yōu)化，開拓學(xué)生思維，在一定程度上解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺的問題。通過問題探究激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生更深入地研究和解決相關(guān)的問題，培養(yǎng)學(xué)生的批判思維和科學(xué)精神。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對心電檢測設(shè)備性能要求的提高，心電前置放大技術(shù)會不斷發(fā)展，項(xiàng)目會隨著新技術(shù)的發(fā)展迭代更新，從而更加契合新時代創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。

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