基于集成運(yùn)放的心電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)與仿真

曾 偉

（四川理工學(xué)院，四川 自貢 643000）

1 引言

心電信號(hào)是心臟電活動(dòng)在人體體表的表征信號(hào)，信號(hào)比較微弱，常規(guī)的心電信號(hào)的電壓幅值范圍為10μV～5mV，頻率范圍是0.05Hz～100Hz。心血管疾病是目前威脅人類生命的主要疾病之一，心電監(jiān)護(hù)是檢查、診斷和預(yù)防該類疾病的重要手段和依據(jù)，而心電信號(hào)的監(jiān)護(hù)首要前提是采集到心電信號(hào)。心電信號(hào)的采集電路一般包括采集信號(hào)的電極、前置放大器、低通濾波器、高通濾波器、50Hz陷波器以及后置放大器等幾部分。其中后置放大電路是整個(gè)電路放大信號(hào)的主要部分，由于后續(xù)電路一般需要幅值在V級(jí)，所以整個(gè)系統(tǒng)總的電壓增益需要1 000倍左右[1～2]。對(duì)于后置放大器的要求是低噪聲、低漂移，且具有足夠大的電壓放大能力和一定的頻帶寬度，同時(shí)輸出具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。

2 放大電路的設(shè)計(jì)

圖1 后置放大電路

3 電路仿真

在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中應(yīng)用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。首先創(chuàng)建一張?jiān)韴D紙，然后加載仿真元件庫(kù)文件，接著在該元件庫(kù)中挑選需要的元器件放置在原理圖紙上，并調(diào)整相應(yīng)的元器件位置和設(shè)置元器件參數(shù)，最后用導(dǎo)線把元器件連接起來(lái)，如圖1所示。在繪制完成電路圖以后，接著對(duì)仿真進(jìn)行設(shè)置。在設(shè)計(jì)的電路中添加集成運(yùn)放的工作電源以保證集成運(yùn)放能正常工作，LM324采用的是±12V的雙電源供電。輸入端的輸入信號(hào)沒(méi)有采取心電信號(hào)，而是采用的交流信號(hào)源，把交流信號(hào)源的頻率和幅值參數(shù)設(shè)置在心電信號(hào)的參數(shù)范圍內(nèi)來(lái)驗(yàn)證電路的放大性能，如圖2所示。在交流信號(hào)源的屬性設(shè)置中的Part Fields項(xiàng)中把幅值設(shè)置為1mV，頻率設(shè)置為100Hz。最后在輸入端和輸出端分別添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)A和C，以便在仿真器中觀察輸入和輸出的波形[3]。

圖2 輸入信號(hào)的參數(shù)設(shè)置

4 仿真結(jié)果分析

選擇主菜單中的Simulate，再選擇該菜單中的Run，或者點(diǎn)擊主工具欄中的仿真運(yùn)行按鈕，可得到仿真的波形，見(jiàn)圖3。從圖3中可以看到輸出波形c的幅值是V級(jí)，明顯大于輸出波形a的幅值mV級(jí)。

圖3 輸入波形和輸出波形

對(duì)輸出波形單獨(dú)顯示，測(cè)量輸出波形的幅值[3]，如圖4所示。利用測(cè)量工具可測(cè)得輸出波形的峰峰值為1.990 8V，如圖4左下角的Y值。

圖4 輸出波形

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行理論仿真，可以直觀地分析電路的結(jié)構(gòu)和性能，對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行分析可知，該電路的增益為995.4倍，與電路的理論值1 000倍差距不大，該電路可實(shí)現(xiàn)1 000倍增益的放大。

[1]周立波，梅大成，侯小鳳，等.心電采集電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù),2011,10：130-135.

[2]張亞君，余永紀(jì)，洪明.一種便攜式心電監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].電子器件,2010,33（1）：105-108.

[3]高鵬，安濤，寇懷成.電路設(shè)計(jì)與制版——Protel 99入門(mén)與提高[M].北京：人民郵電出版社,2004.