基于集成運放的心電信號放大電路設計與仿真

曾 偉

（四川理工學院，四川 自貢 643000）

1 引言

心電信號是心臟電活動在人體體表的表征信號，信號比較微弱，常規的心電信號的電壓幅值范圍為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，心電監護是檢查、診斷和預防該類疾病的重要手段和依據，而心電信號的監護首要前提是采集到心電信號。心電信號的采集電路一般包括采集信號的電極、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電路放大信號的主要部分，由于后續電路一般需要幅值在V級，所以整個系統總的電壓增益需要1 000倍左右[1～2]。對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，同時輸出具有較大的動態范圍。

2 放大電路的設計

圖1 后置放大電路

3 電路仿真

在設計電路的過程中應用仿真軟件對設計的電路進行仿真。首先創建一張原理圖紙，然后加載仿真元件庫文件，接著在該元件庫中挑選需要的元器件放置在原理圖紙上，并調整相應的元器件位置和設置元器件參數，最后用導線把元器件連接起來，如圖1所示。在繪制完成電路圖以后，接著對仿真進行設置。在設計的電路中添加集成運放的工作電源以保證集成運放能正常工作，LM324采用的是±12V的雙電源供電。輸入端的輸入信號沒有采取心電信號，而是采用的交流信號源，把交流信號源的頻率和幅值參數設置在心電信號的參數范圍內來驗證電路的放大性能，如圖2所示。在交流信號源的屬性設置中的Part Fields項中把幅值設置為1mV，頻率設置為100Hz。最后在輸入端和輸出端分別添加網絡標號A和C，以便在仿真器中觀察輸入和輸出的波形[3]。

圖2 輸入信號的參數設置

4 仿真結果分析

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

圖3 輸入波形和輸出波形

對輸出波形單獨顯示，測量輸出波形的幅值[3]，如圖4所示。利用測量工具可測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 結束語

應用仿真軟件對電路進行理論仿真，可以直觀地分析電路的結構和性能，對仿真的結果進行分析可知，該電路的增益為995.4倍，與電路的理論值1 000倍差距不大，該電路可實現1 000倍增益的放大。

[1]周立波，梅大成，侯小鳳，等.心電采集電路的設計與實現[J].信息技術,2011,10：130-135.

[2]張亞君，余永紀，洪明.一種便攜式心電監測儀的設計[J].電子器件,2010,33（1）：105-108.

[3]高鵬，安濤，寇懷成.電路設計與制版——Protel 99入門與提高[M].北京：人民郵電出版社,2004.