Curso de diseño de circuitos analógicos: diseño y producción de electrocardiógrafos.
Amplificador de ECG
1. Propósito del diseño
1.1 Conozca el principio de funcionamiento y el método de diseño del circuito amplificador de tres operaciones
1.2 Diferencia de aprendizaje Señal de modo y señal de modo ***;
1.3 Familiarizado con el diseño del filtro de paso bajo Butterworth.
2. Contenido y requisitos del diseño
2.1 Diseño del circuito amplificador de ECG Las especificaciones técnicas son las siguientes:
2.1.1 Amplificación en modo diferencial AVD=100. ;
2.1.2*** supresión de modo 60dB;
2.1.3 banda de paso 0~30Hz.
2.1.4 La profundidad de corte de la banda de parada es de 40 dB.
3. Principios básicos de los amplificadores de ECG.
El amplificador de ECG es una señal de electrocardiograma (Electrocardiograma). amplificador. El electrodo Ag2AgCI se coloca en el brazo izquierdo, el brazo derecho y el muslo del paciente. La señal de ECG obtenida de la superficie del cuerpo se amplifica mediante un preamplificador compuesto por un amplificador operacional integrado CF318, luego se filtra y luego se ingresa en el ADC para conversión analógica. -Conversión digital y envío a grabador o pantalla LCD. Por lo tanto, un amplificador de alta impedancia y alta ganancia es la clave para obtener señales de ECG con precisión. La parte de simulación del amplificador de ECG se muestra en la siguiente figura:
Determine los indicadores de rendimiento del amplificador de ECG
(1) La amplitud de la señal de ECG humana es generalmente
50μV~ 5 mV, que es una señal débil. La señal de salida del amplificador es generalmente - 5~5V. Por lo tanto, se requiere que la ganancia de voltaje en modo diferencial del amplificador sea aproximadamente 100;
(3) La resistencia interna del cuerpo humano y la resistencia de contacto entre el electrodo de detección y la piel son las resistencia interna de la fuente de señal La resistencia es generalmente decenas de kΩ Para reducir la carga de la fuente de señal de ECG débil, se requiere un amplificador. La impedancia de entrada del modo diferencial es superior a 10 MΩ;
(4) El cuerpo humano es equivalente a un conductor y recibirá varias señales de interferencia del campo electromagnético espacial. Son equivalentes a las señales de modo *** para el amplificador, por lo que la relación máxima de rechazo de modo del amplificador es 60 dB; >
(5) Se requiere que tenga características de bajo ruido y baja deriva.
Amplificación de señales pequeñas
Diseño del proyecto:
(1) Utilice un amplificador operacional integrado de múltiples etapas para lograr un modo diferencial alto Ganancia de voltaje, y la ganancia de cada nivel se distribuye uniformemente.
(2) Circuito amplificador de tres amplificadores operacionales:
Dado que la impedancia de entrada, la relación de rechazo del modo y el ruido dependen principalmente de la etapa frontal, la etapa de entrada se compone de un Preamplificador operacional integrado CF318, este amplificador operacional puede lograr una alta impedancia de entrada y bajo ruido. El circuito amplificador se divide en dos etapas. La primera etapa: A1, A2 y las resistencias correspondientes constituyen el preamplificador. La segunda etapa utiliza un circuito amplificador diferencial para lograr la amplificación de la señal. La ampliación total de los dos niveles es 5 veces. El diagrama del circuito es el siguiente:
Las características de salida de este circuito son:
Cuando =100k, =k=51k, = =100k, Vo=-5Vi
El amplificador La primera etapa es un circuito con retroalimentación negativa en serie de voltaje profundo, por lo que su resistencia de entrada es muy alta. Si se seleccionan amplificadores operacionales con las mismas características, sus voltajes de salida de modo máximo y voltajes de deriva también serán iguales. Después de formar un circuito diferencial, pueden cancelarse entre sí, por lo que tiene fuertes capacidades de supresión de modo máximo y un voltaje de deriva de salida más pequeño. y el circuito puede tener una mayor ganancia de voltaje en modo diferencial.
(3) Circuito amplificador de filtro de paso bajo Butterworth de segundo orden:
Es difícil implementar un filtro con características ideales. Solo puede aproximarse a las características ideales tanto como sea posible. Los métodos de aproximaciones comúnmente utilizados incluyen la respuesta plana máxima de Butterworth y Chebyshev (C h e b y s h e v) y otras respuestas fluctuantes. El circuito del filtro Chebyshev se atenúa rápidamente en la frecuencia de corte, pero tiene grandes fluctuaciones en la banda de paso.
En el caso en el que no se permiten grandes fluctuaciones en la banda de paso, para obtener la curva amplitud-frecuencia más plana dentro del rango de la banda de paso, se selecciona un circuito de filtro de paso bajo de segundo orden tipo Butterworth. Tiene una estructura simple, pequeña. Ondulación dentro de banda y filtrado suave. Alta eficiencia.
Dado que la señal de interferencia de 50 Hz es fuerte, en el circuito de filtro, se utiliza un filtrado de paso bajo para filtrar la señal por encima de 30 Hz, de modo que la señal de interferencia por encima de 30 Hz se pueda filtrar. Por lo tanto, se utilizan un amplificador operacional integrado A4, resistencias y condensadores para formar un filtro activo de paso bajo. Para cumplir con los requisitos de ancho de banda, el filtro de paso bajo se compone de C y R10, y la frecuencia límite superior es f H = 30 Hz. Dado que se utiliza un circuito de filtro de paso bajo RC en el circuito de filtro, el circuito tiene un. alta impedancia de salida, por lo que el amplificador posterior utiliza un circuito amplificador no inversor y la ganancia del modo diferencial de esta etapa es 2 veces, lo que garantiza que el factor de amplificación de todo el circuito sea aproximadamente 125 veces. Además, dado que los parámetros característicos del filtro son muy sensibles a la precisión de los componentes, es necesario utilizar componentes resistivos y capacitivos de precisión en el diseño para lograr mejores resultados. El diagrama esquemático del circuito se muestra en la Figura 2.
Función de transferencia del filtro de paso bajo de segundo orden
Donde, , factor de calidad equivalente Q=1/(3-A), frecuencia angular característica
Frecuencia de corte f=30Hz, C=0.1uF, calculada R=53.1k, tome el valor nominal como 51k,
El factor de amplificación obtenido es, para asegurar el factor de amplificación A=2, tome Rf k .=100KM, R1.=100K.
(4) Circuito de amplificación proporcional inversa:
El circuito de amplificación proporcional inversa compuesto por el amplificador operacional integrado A5 debe conectarse directamente al filtro porque la resistencia de entrada del circuito es relativamente grande. Detrás del circuito, el requisito general es que el factor de amplificación de todo el circuito sea aproximadamente 100, por lo que el factor de amplificación de esta etapa del circuito de amplificación es aproximadamente de 5 a 6 veces para cumplir con los requisitos de diseño. El diagrama del circuito es el siguiente:
Para este circuito, el factor de amplificación es AV=Rf/R1. Puedes tomar R1=R2=10K y Rf=51K.
(5) Junte los tres circuitos anteriores para formar el diagrama del circuito completo. Como se muestra a continuación:
IV. Selección de equipo
1. En el circuito amplificador de tres operaciones, la resistencia de las dos primeras resistencias divisoras de voltaje debe ser relativamente grande y la precisión debe ser alta. ser alto, porque en el modo diferencial se deben formar aquí voltajes de igual tamaño y fase opuesta. Si el valor de resistencia de la resistencia es bajo o la precisión es baja, se producirá un error grande. mayor después de la amplificación por el amplificador operacional integrado, lo que tendrá un impacto grave en la medición de señales de ECG débiles. Por lo tanto, puede elegir una resistencia de película metálica de alta precisión tipo RJ con un valor de resistencia de 30M.
2. El tamaño de la señal de ECG es de aproximadamente 50?0?8V ~ 5mV. El voltaje amplificado por el circuito amplificador de tres amplificadores operacionales de la primera etapa es de solo decenas de milivoltios, y el voltaje es relativamente. baja, por lo que la potencia no excederá la potencia nominal de las resistencias ordinarias. Por lo tanto, las resistencias generales pueden cumplir con los requisitos. Se pueden seleccionar resistencias de película de carbono tipo RT.
3. Para circuitos que contienen amplificadores operacionales integrados, se debe considerar la cuestión del ajuste a cero. Para medir señales pequeñas como las señales de ECG, la necesidad del ajuste a cero es particularmente importante. Método de ajuste a cero: agregue un potenciómetro de ajuste a cero entre el pin 1 y el pin 5 con una resistencia de 0 ~ 10 KΩ. Cortocircuite el extremo de entrada, mida el voltaje en el extremo de salida y ajuste el potenciómetro hasta que el voltaje de salida sea cero. .
4. Este circuito requiere una relación máxima de rechazo de modo superior a 60 dB, alta precisión, baja deriva, pequeño coeficiente de temperatura, gran resistencia de entrada, etc. Para una consideración integral, se puede seleccionar el amplificador operacional integrado CF318. Para el amplificador operacional integrado CF318, las funciones de cada pin son las siguientes: 1, 5 se puede utilizar tanto para ajuste de cero como para compensación de fase, 2 es el terminal de entrada inversor, 3 es el terminal de entrada no inversor, 4 es el negativo fuente de alimentación, 7 es la fuente de alimentación positiva, 6 como terminal de salida, 8 también es compensación de fase. Por lo tanto, con CF318, puede conectar directamente un potenciómetro externo entre 1 y 5 para ajustar a cero el amplificador operacional y todo el circuito.
5. El circuito requiere que la relación de rechazo del modo *** sea 60 dB, KCMR=|AVD/AVC|. Este circuito no puede calcular directamente la ganancia de voltaje del modo *** y solo puede medirla mediante medición. * **Ganancia de voltaje táctil. Método de medición: Conecte los dos terminales de entrada juntos y una señal de entrada con voltaje Vi, mida el voltaje VO en el terminal de salida, puede obtener AVC=VO/Vi y calcular la relación máxima de supresión de modo.
6. Circuito de filtro de paso bajo Butterworth de segundo orden de 30 HZ
Se requiere que el rango de frecuencia de la señal medida sea de 0 ~ 30 HZ y que el filtro de paso bajo sea estar entre 0~30Hz
p>
La planitud es mejor. Los filtros de paso bajo Butterworth tienen características de máxima planitud. Los parámetros de cada componente para seleccionar el filtro de paso bajo Butterworth de segundo orden son los siguientes: C1=C1=0.1?0?8F, R=5.1K, Rf=R1=100K Dado que la mayoría de los condensadores están por encima de 1?0?8F. Los condensadores electrolíticos tienen un efecto de filtrado deficiente y los condensadores por debajo de 100 pF son propensos a producir capacitancia distribuida. Por lo tanto, aquí se utiliza el condensador dieléctrico inorgánico de 0,1?0?8F en el modelo CT4. Su voltaje de funcionamiento es de 40 ~ 100 V y el rango de temperatura es. -25~ 85 grados, satisfaciendo plenamente las necesidades de diseño de este circuito. Los requisitos para las resistencias no son muy altos, por lo que puede elegir el tipo RT de resistencia de película de carbono más utilizado.