基于測量放大器的心電前置放大器創新實驗案例分析

胡睿康 李旭瓊 晉良念

摘? 要? 結合心電信號頻率低、信號弱、共模干擾強等特點，以測量放大器為核心實現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。通過原理圖設計、仿真優化、硬件實現的全設計流程，有效提升學生的工程素養和解決復雜工程問題的能力，更好地適應新工科創新人才培養需求。

關鍵詞? 心電信號；測量放大器；陷波器；實驗

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：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，新工科建設已經深入國內各個高校，新工科提倡重實踐、跨學科，把創新創業教育貫穿人才培養全過程。實踐性是工程教育的本質屬性，將實際工程引入課程教學有利于培養學生解決實際問題的能力，提升學生的工程素養及實踐創新能力，促進工程教育人才培養目標的達成[1]。

目前，許多高校電子信息類專業的模電實踐課程仍然以驗證性實驗為主。比如，傳統的分立元件差動放大器實驗的內容通常是先利用理論知識分析計算電路的靜態工作點、差模放大倍數、共模抑制比等指標參數，然后再讓學生用現成的分立元件電路板接線測量靜態工作點及各項指標。驗證性實驗側重于理論驗證，能夠加深學生對理論知識的理解，但是沒有考慮應用場景和工程因素，實用性不強。長期以來，學生只見電路不見系統，只會簡單計算，對電路設計望而卻步，這些一直以來都是模電課程教學的痛點和難點。為解決這些問題，迫切需要開發一些與實際工程緊密結合的設計性創新實驗項目，讓學生接觸工程實際，提高他們的動手實踐能力和工程素養。

1? 實驗內容與可行性分析

本實驗引入心電監護儀實際工程案例，將其前端模擬部分——心電前置信號放大器作為傳統差分放大電路實驗的應用拓展。心電前置放大器負責將微弱信號放大并處理為后級A/D轉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知識，包括差分放大、共模信號、共模抑制比、頻率響應、有源濾波等，通過實驗能夠有效鍛煉學生綜合應用知識解決實際問題的能力。

項目要求學生在充分了解心電信號特征的基礎上，參考已有設計案例完成電路系統的原理圖設計，運用理論知識對關鍵節點信號進行分析并計算電路的性能指標；基于Multisim軟件進行仿真分析，研究電路參數對性能指標的影響，進而優化、改進電路設計方案；最后完成硬件電路的制作與調試，測試電路的性能指標。

實驗項目的開展，從原理圖設計到仿真驗證再到硬件實現，有助于學生充分認識三者的關聯性與差距，體會電源噪聲、環境、信號源等對實際電路系統的影響以及解決思路，鍛煉學生的動手實踐能力，提升工程素養。

整個電路系統以集成運放為主，參考已有設計方案進行改良優化，項目難度適中，具有一定的趣味性，學生容易上手。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用。

2? 心電前置放大器設計

2.1? 心電信號特征及設計指標

常規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阻會隨人體及環境的差異產生較大變化，其變化范圍大約在數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節范圍等特性[4]，具體指標要求為：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框圖

心電前置放大器的系統組成如圖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。

測量放大器為系統主體部分，由三個運放構成，其作用是將差分心電信號轉換為單端心電信號并進行放大，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，可以設置為10倍，由后級放大器承擔主要放大作用。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

三運放構成的測量放大器如圖2所示。運放U1A、U1B構成同相放大器與輸入信號相連。引入的電壓串聯負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構成增益為1的差分放大電路，能夠將前級的雙端輸出轉變為單端輸出，同時消除前級的直流偏置和共模輸出成分，要求R6=R7=R8=R9。

根據運放工作在線性區時的“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，電路結構如圖3所示。為了保證通帶內頻率響應的平坦度，品質因數取Q1=0.707。濾波器的增益為Av2，電路參數設計如下：

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結構陷波器，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，兩者并聯且截止頻率相等。運放U3A連接成電壓跟隨器，用來隔離負載對陷波器的影響；U3B也接成電壓跟隨器，構成輸出到輸入的反饋。中心頻率由雙T網絡決定，其中，C7=C8=C9/2；R15=R16=2R14；取樣電路由R17、R18組成，改變R17、R18可調整反饋量的大小，從而改變品質因數Q2，并影響濾波帶寬[5]。陷波器的幅頻響應為：

陷波器的中心頻率為：

劉玉梅等[6]設計方案，取R17=500 Ω，R18=100 kΩ。

2.6? 后級放大器

圖5為后級放大器，由運放U4A構成反相放大器。整個系統要求電壓增益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到-50，整個電路的電壓增益調節范圍約為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優化

利用Mulitism軟件對整個電路進行仿真分析和參數優化。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工頻信號經兩個電容分壓后的輸出來模擬。仿真分析主要內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，計算誤差范圍。研究電阻R17、R18變化對陷波器頻率響應的影響，分析電路的穩定性，優化電路參數。

3）系統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，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，滿足設計要求。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，仿真結果如圖8所示。從結果來看，R18取值越小，陷波深度越大，同時相位變化也越大。當R18=10 kΩ時，相頻特性出現較大的跳動，超越陷波中心較遠處才能恢復到正常相位，這樣會使心電波形產生較大的失真。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，陷波深度與穩定性是互相影響的，在設計的時候應當根據實際需求進行折中考慮。

3.3? 系統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的頻率響應及指標，仿真結果如圖9所示。由圖可以得到以下指標參數：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%，均滿足設計要求。

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，所得仿真結果如圖10所示，其中紅色線代表輸出信號。結果表明，在較強的共模干擾下，系統可以實現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%。通過仿真發現，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，滿足設計要求。在整個通帶內，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? 硬件實現與調試測試

本實驗電路需要運用到七個單運放，可以選用四片低噪雙運放OPA2207來完成。電路中的元器件參數多采用常見的標稱值，運放選擇直插封裝，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，再進行焊接、調試實現本電路。本實驗電路層次清晰，若在搭建電路中有些許失誤可以通過輕易地斷開前后級以定位問題位置，從而在不耗費學生大量時間的前提下提高學生分析、調試電路能力。

4.1? 調試過程出現的問題及解決思路

電路調試是理論聯系實際的重要環節。前述仿真結果顯示本電路能夠滿足所有指標要求，但是仿真不能替代實際電路，這是因為實際元器件的參數存在分散性，現實世界中的某些效應，包括串擾、電子噪聲、分布電容電感等難以建模，無法在仿真中體現[8]。因此，實現實際電路時，必然會與仿真結果存在一定偏差，甚至得不到所需結果。

4.1.1? 直流偏置問題

本實驗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。在實際調試中發現，電容在輸入端會導致運放的輸出端產生直流偏置，并且經過后級差動放大器后仍然存在較高直流偏置。大部分雙運放采用5 V供電，而輸出信號大約為5 V，這必然會產生非線性失真，得不到所需結果。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。然而在實際應用中，需要電容以防止元器件損害，而電容產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電阻，且電阻阻值需要不斷更換以達到所需要的效果。

輸入級運放采用正相輸入，如果均改變為反相輸出入，只要負反饋電阻阻值不過大，直流偏置可以忽略，并且實際運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? 數據測量中存在的問題

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

輸入阻抗的測量是通過在輸入端串聯電阻分壓實現。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，本實驗要求電路放大倍數為500倍，輸入信號在放大500倍后，容易損壞運放。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測指標，需要在輸入端串聯大阻值電阻，不僅會有較大熱噪聲而且實際示波器的內阻不是無限大，當與大電阻并聯測量電壓時，示波器不能正確顯示電壓。可以考慮測量對應的輸出電壓來計算，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行測量，而大部分實驗室不配備波特儀，所以相對誤差不易精確測量。

4.2? 問題探究

1）本實驗提供三種方法減小或消除直流偏置，保證得到所需結果。通過對比三種情況的異同，查閱相關文獻、書籍，提出大膽猜想，并通過進行其他電路仿真檢驗，探究直流偏置產生的原因。

2）從心電信號的頻譜特征著手，進一步深入研究在心電信號放大與處理電路中，相頻特性對穩定性和失真度的影響，50 Hz陷波器存在的利與弊，在此基礎上探索更好的實現方案。

5? 結束語

本創新實驗項目引入了與課程知識密切相關的實際工程案例，在設計中融入工程思維，運用豐富的仿真工具和手段進行仿真分析與參數優化，開拓學生思維，在一定程度上解決了實驗設備短缺的問題。通過問題探究激發學生興趣，引導學生更深入地研究和解決相關的問題，培養學生的批判思維和科學精神。隨著現代醫學對心電檢測設備性能要求的提高，心電前置放大技術會不斷發展，項目會隨著新技術的發展迭代更新，從而更加契合新時代創新人才培養的需求。

6? 參考文獻

[1] 李童，楊楠.新工科背景下學生友好型案例教學的理念、構建與實踐[J].高等工程教育研究，2022（1）：29-34.

[2] 黃敏松，行鴻彥，劉建成.ECG監護儀前置放大電路的設計[J].現代電子技術，2007（16）：187-189.

[3] 嚴正國，史王瑩，萬景濤，等.基于Multisim工頻信號陷波器的設計與仿真[J].工業控制計算機，2021，34（11）：135-137.

[4] 李佳陽，蘇其瑜.基于Multisim設計的心電采集放大電路[J].甘肅科技縱橫，2017，46（1）：30-33.

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[6] 劉玉梅，綦俊煒，任立群，等.基于PYNQ的傳感器數據采集系統實驗案例設計[J].實驗技術與管理，2021，38（1）：58-64.

[7] 李淑明，嚴俊，劉賢鋒.電路與電子技術基礎實驗教程[M].西安：西安電子科技大學出版社，2017.

[8] 陳之勃，陳永真.新版大學生電子設計競賽硬件電路設計指導[M].北京：電子工業出版社，2013.