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　　心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，信号比较微弱，其频谱范围是0.05～ 200Hz，电压幅值为0～5mV，信号源的阻抗为数千欧到数百千欧，并且存在着大量的噪声， 所以心电采集系统的合理设计是能否得到正确的心电信号的关键部件。心电信号的测量条件是相当复杂的，除了受包括肌电信号、呼吸波信号、脑电信号等体内干扰信号的干扰以外还受到50HZ 市电、基线漂移、电极接触和其他电磁设备的体外干扰，因此，在强噪声下如何 有效地抑制各种干扰将成为心电采集系统设计的关键。
　　1 心电采集系统简介
　　完整的心电采集系统包括模拟和数字两部分，其中模拟部分主要完成心电信号的拾 取、放大和滤波等，数字部分将对模拟部分获得的心电信号进行分析与处理，以便医护人员 得出正确的诊断结果，因此心电采集系统中的模拟电路在心电监护系统中具有重要作用。心电采集系统的总体结构如图1 所示。
　　由携带在人体上的专用电极拾取的心电信号首先经前置放大器初步放大，并在对各种干扰信号进行一定抑制后送入带通滤波器，以滤除心电频率范围以外的干扰信号，然后由主放 大器将滤波后的信号进一步放大到合适范围，再经50Hz 陷波器滤除工频干扰，得到模拟的 心电信号将被送入AD 转换系统进行模数转换，转换成数字信号后由中央处理单元负责后续 的分析处理。
　　2 前置放大电路
　　从人体体表拾取的心电信号一般只有几个毫伏，为了提高其分辨率以便于后端显示和 处理，首先需要对信号进行放大。在心电信号采集过程中，前置放大电路对心电信号的影响 最大，为提高心电信号的性能，前置放大电路的放大倍数不能选择得太大(一般小于20)， 否则会由于有较大的干扰信号(指电极的极化电压)，致使放大器产生阻塞现象。
　　对于心电信号而言，采集的信号属于差模信号，所以其放大器都采用差动放大电路结 构，使用最普遍的是采用低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比、高增益和抗干扰能力强的同 相并联差动放大电路，即通常所说的三运放仪表放大器，本系统采用通用的集成运放LM324 来构成这种放大器的。LM324 是一种4 集成运算放大器，由于价格低廉且使用方便，所以被 广泛应用于控制和信号放大处理之中。我们在实验室认真设计和反复实验，用LM324 构成的 电路成功实现了心电信号的放大处理，其主要技术指标都能满足要求。LM324 既可以单电源 使用，也可以双电源使用，电源电压可以从+5V 一直用到±15 V，而且驱动功耗低，每一组 运放差模增益可达到100dB。通过外围电路的合理设计，使得以LM324 为主要器件的放大电 路完全能满足高放大倍数、高稳定性的心电信号放大处理要求。
　　值得一提的是，LM324 的低电流噪声特别适用于ECG 的应用，它有很好的直流特性：输 入失调电压小于5mV，输入失调电压温漂小于7uV/℃，输入偏置电流小于40nA，共模抑制 比达100dB，而它的低功耗、低电源(低至3V)、精简封装等特性更是电池供电便携式心电监 护系统的极佳选择。放大电路原理如图2 所示。
　　图2 设计的放大器由两级组成，U1C 和U1D 构成第一级的差动输入输出级，U2A 为基本 型差动比例电路，总的电压增益Au，等于两级增益之积。由于第一级采用同相输入，有较 高的输入电阻，U1C 和U1D 选用相同特性的运放，使它们的共模输出电压和漂移电压也都相 等，再通过U2A 组成的第二级差分式电路，可以互相抵消，第二级差分放电路将双端输入变 单端输出，适应接地负载的需要。把两级电路级联后，它们相互取长补短，使组合后的这个 电路具有输入阻抗高、电压增益调节方便、共模抑制比高和漂移相互抵消等一系列优点。为 提高共模抑制比和降低温漂影响，进一步提高电路的性能，测量放大器采用对称结构，即严 格挑选几个外接电阻R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16 和调节RW2，使得R11=R12、R13 =R14、R16=R15+调节后RW2。所以通过调节外接电阻RW2 的大小可以很方便地改变测量放大器的增益。
　　去除人体携带的交流共模干扰的一种有效方法是采用右腿驱动电路，在本图2 的系统 中，右腿RL 端不是直接接地，而是接到放大器的输出端。从驱动屏蔽的输出端检出共模电 压，它经辅助的反向放大器U0 放大后，再经过电阻R1 反馈到右腿，由此而得到右腿驱动的 名称，即人体的位移电流不再流入地，而是流向R1 和辅助放大器U0 的输出端。但是由于右 腿驱动电路存在交流干扰电压的反馈环路，而可能有交流电流流经人体，成为不安全因素， 限流电阻不能很小，通常取1M 欧以上，即R1 在这里起安全保护作用，当病人与地之间出现 很高电压时，辅助放大器U0 饱和，右腿驱动电路不起作用，U0 等效于接地，因此电阻R1 这时就起限流保护作用。干扰信号送右腿驱动放大器进行反相放大,传到右腿驱动电极RL 对于干扰信号是一种深度的负反馈，它有效地削弱了人体上感应的共模干扰信号。
　　3 主放大和滤波电路
　　心电的主放大及滤波电路如图3 所示。由于检测信号中存在的主要干扰信号有电极板 与人之间的极化电压、50Hz 工频干扰、仪器内部噪声和仪器周围电磁场干扰等等。要想获 得清晰稳定的心电信号，滤波器的设计也很关键，特别是50Hz 的带阻滤波器尤其重要。采 集到的心电信号中，200Hz 以上的干扰信号较强，而0.05Hz 以下的干扰信号相对较弱，所 以在滤波电路中采取先低通滤波取出200Hz 以下的信号，然后通过接高通的方式，从而滤除 极化电压及高频干扰。在电路中U2B 及电阻、电容组成带通滤波器，同时使电路具有较高的 输入阻抗。滤波电路采用阻容耦合电路，输入阻抗高输出阻抗低，并且输入和输出之间具 有良好的隔离。其作用主要是隔去前置放大器的直流电压和直流极化电压，耦合心电信号。 为了保证心电信号不失真地耦合到下一级，必须耦合 RC。RC 乘积越大，放大器的低频响应 越好，但RC 的取值不能无限制加大，因为 R 值受输入阻抗的限制，C 值太大不但体积大， 漏电流增加还会引起漂移，同时还会延长回路充放电时间。人体的心电信号频率较低，用 RC 滤波电路可以有效地避免有源滤波电路中由于通用型集成运放的带宽较窄而不适用于高 频范围的缺陷。
　　4 电平抬升电路
　　放大滤波后的心电信号将被送入A/D 转换电路进行模数转换，而本系统选择的AD 转换 器是单5V 供电的MAX187，所以滤波之后需加一级电平抬升电路，将心电信号抬升到0～+ 5V 的范围。电路设计很简单，如图4 所示。
　　5 结果分析
　　通过上述方法成功地设计实现了心电采集系统的模拟电路部分，其中的电平抬升电路简 单可靠，放大电路具有高增益、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、合适的带宽 和动态范围等特点，电路能在强的噪声背景下，通过体表传感器不失真地将微弱的心电信号 检测出来并放大、抬升至合适的幅度，获得较好的心电信号如图5 所示。
　　经试验证明，文中设计的心电信号采集电路能够得到临床上有价值的心电数据，为心电信号 的后续处理提供了可靠的保证。
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98模拟电路第五章 集成运算放大器-2
VIO∑=VIO+IIORS（5―11）；其中，失调电压VIO反映由两管参数VBE(on)；电路的不对称性将给电路带来运算误差；图5.3示出了两种常用的调零电路；5采用有源负载的差分放大器，不仅具有放大差模信号；在高输入阻抗的模拟集成电路中，常采用输入电阻高、；7、差分放大器的传输特性；如图5.4所示；（1）vid=0iC1/I0=iC2/I0=0.；电路处
　VIO∑=VIO+IIORS
（5―11）其中，失调电压VIO反映由两管参数VBE(on)、IS及RC不等引起的失调。失调电流IIO主要反映因两管β值不等而引起的失调。电路的不对称性将给电路带来运算误差。减小失调的方法是采用调零电路。但应注意，调零电路不能克服失调温漂的影响。 4、差分放大器的调零图5.3示出了两种常用的调零电路。其中，图（a）为发射极调零电路，图（b）为 5采用有源负载的差分放大器，不仅具有放大差模信号、抑制共模信号的能力，而且，在单端输出情况下，还具有双端输出的增益（见题【5-21】）。 6、FET差分放大器在高输入阻抗的模拟集成电路中，常采用输入电阻高、输入偏置电流很小的FET差分放大电路。FET差分放大电路的电路结构、工作原理和分析方法与BJT差分放大电路基本相同，并具有相似的电路特点。由JFET构成的差分放大器的输入电阻可达1012Ω，输入偏置电流约为100pA数量级；而MOSFET差分放大器的输入电阻则可高达1015Ω，输入偏置电流仅在10pA7、差分放大器的传输特性如图5.4所示。（1）vid=0 iC1/I0=iC2/I0=0.5，iC1+iC2=I0， 电路处于静态工作状态。 （2）│vid│≤VT电路处于线性放大区。 （3）│vid│≥4VT电路呈现良好的限幅特性。（4）在差分对管射极分别串接电阻 123RE，可扩大传输特性的线性工作范围。5.2.4 集成运算放大器集成运算放大器品种繁多，内部电路结构也各不相同，但它们的基本组成部分、结构形式、组成原则基本一致。因此，对典型电路的分析具有普遍意义。虽然F007是一个相当“古老”的设计，但它对于描述一般电路的结构和分析仍然能提供有用的实例。通过对F007的学习，旨在熟悉复杂电子电路的读图方法，并对电子电路系统有一个初步的了解。 1、F007的电路结构2、电子电路的读图方法无论多复杂的电子电路，均有各种基本单元电路组合而成。在读图时，可按以下步骤进行：（1）综观全图，化整为零：由于电子电路是处理电信号的电路，因此，读图时应以信号传输途径为主线，把电路划分为若干个基本单元电路； （2）分析单元电路的功能；（3）化零为整：根据信号流向，把单元电路组合起来，分析整个电路的功能； （4）分析电路中的改善环节，了解电路性能的优劣。 1243、F007的组成及特点（1）偏置电路偏置电路包含在各级电路中，采用多路偏置的形式，为各级电路提供稳定的恒流偏置和有源负载，其性能的优劣直接影响其他部分电路的性能。其中，T10、T11组成的微电流源作为整个集成运放的主偏置。 （2）差动输入级由T1、T3和T2、T4组成的共集―共基组合差分放大电路组成，双端输入、单端输出。其中，T5、T6、T7组成的改进型镜像电流源作为其有源负载，T8、T9组成的镜像电流源为其提供恒流偏置。由于上述的结构组成，输入级具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部分电路。 （3）中间增益级由T17构成的共发射极电路组成，其中，T13B和T12组成的镜像电流源为其集电极有源负载。故本级可获得很高的电压增益。 （4）互补输出级由T14、T20构成的甲乙类互补对称放大电路组成。其中，T18、T19、R8组成的电路用于克服交越失真，T12和T13A组成的镜像电流源为其提供直流偏置。输出级输出电压大，输出电阻小，带负载能力强。 （5）隔离级在输入级与中间级之间插入由T16构成的射随器，利用其高输入阻抗的特点，提高输入级的增益。在中间级与输出级之间插入由T24构成的有源负载（T12和T13A）射随器，用来减小输出级对中间级的负载影响，保证中间级的高增益。 （6）保护电路T15、R6保护T14，T21、T23、T22、R7保护T20。正常情况下，保护电路不工作，当出现过载情况时，保护电路才动作。 （7）调零电路由电位器Rp组成，保证零输入时产生零输出。可见，F007是一种较理想的电压放大器件，它具有高增益、高输入电阻、低输出电阻、高共模抑制比、低失调等优点。 4、集成运放的主要参数为了正确地使用运放，必须了解其参数的含义。集成运放的主要参数大体上可分为五类：（1）输入失调参数――输入失调电压VIO、输入失调电流IIO、输入偏置电流IIB、输入失调电压的温漂△VIO/△T和输入失调电流的温漂△IIO/△T。（2）差模特性参数――开环差模电压增益AVO和带宽BW、差模输入电阻Rid、最大差 125模输入电压VIdmax。（3）共模特性参数――共模抑制比KCMR、最大共模输入电压VIcmax。 （4）大信号动态特性参数――转换速率SR、全功率带宽BWP。 （5）电源特性参数――静态功耗PV、电源电压抑制比KSVR。此外，还有输出电阻Ro、最大输出电流Iom等。上述参数中，尤其以VIO、△VIO/△T、IIB、AVO、KCMR、BW、Rid和SR等在很多场合下更为重要。5.3
典型习题详解【5-1】集成运放F007的电流源组成如题图5.1所示，设VBE(on)=0.7V。（1）若T3、T4管的β=2，试求IC4=？（2）若要求IC1=26μA，则R1=？
【解】本题用来熟悉：电流源电路的分析方法。 （1）T3、T4管组成镜像电流源。由图可知： （2）T1、T2管组成微电流源。由图可知： 【5-2】由电流源组成的电流放大器如题图5.2所示，试估算电流放大倍数Ai=Io/ Ii=？
【解】本题用来熟悉：电流源电路的分析方法。 126T1、T2管组成一比例式电流源；T3、T4管组成另一比例式电流源。由图可知： IC2 = IC3【5-3】用电阻R2取代晶体管的电流源如题图5.3所示，试证明IC2为 【证明】本题用来熟悉：电流源电路的分析方法。当T1、T2管的β值很大时，可忽略其基极电流。因此有； 【5-4】在题图5.4所示电路中，设各管的β值相同，T1和T2管的集电结面积分别为T3管集电结面积的n1和n2倍，（1）证明T1管中的电流（2）在什 么条件下Io1≈n1IR ？【证明】本题用来熟悉：电流源电路的分析方法。
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一、选择题：在下列各题中，将你认为正确的答案代码填入题末括号内(本大题 共 10 小题，每小题 2 分，总计 20 分) 1、 在 串 联 电 压 负 反 馈 放 大 电 路 中 ， 若 将 反 馈 深 度 增 加 ， 则 该 电 路 的 输 出 电 阻将( )。 A. 减 小 ； B. 增 加 ； C. 不 变 ； 2、电 路 如 图 1-2 所 示， 设 晶 体 管 工 作 在 放 大 状 态， 欲 使 静 态 电 流 IC 增 大， 则 应（ ） 。
B.保 持 UCC，RC 一 定， 增 大 RB；
A. 保 持 UCC，RB 一 定， 减 小 RC； C. 保 持 UCC，RC 一 定，减 小 RB ；
图 1 -2 3、下列条件中符合理想运算放大器条件之一者是( ) A.开环放大倍数→0 ； B.差模输入电阻→∞； C.开环输出电阻→∞ ； D.共模抑制比→0； 4、 放 大 电 路 如 图 1 - 4 所 示 ， R F 支 路 引 入 的 反 馈 为 (
串联电压负反馈； 并联电压负反馈；
串联电流负反馈； 正反馈；
图 1-4 5、 电 路 如 图 1 - 5 所 示 ， 该 电 路 为 (
图 1-5 )。
A.积 分 电 路 ； B.比 例 — 积 分 电 路 ； C.比 例 — 微 分 电 路 ； 6、电 路 如 图 1 -6 所 示 ， 双 向 稳 压 管 D Z 的 稳 定 电 压 为 ? U Z ， 且 U Z 小 于 运 放 的 饱 和 电 压 值 U O (sat)， 当 u i = - 1 V 时 ， u O 等 于 ( )。
A. 零 ； B. + UZ ； C. -UZ ；
R ＋ ＋ R uO
图 1 -6 7、 电 路 如 图 1-7 所 示 ， 其 输 出 电 压 uO 为 (
图 1-7 )。
ui1 ? ui2 ；
B. -( ui1 ? ui2 ) ；
ui1 ? ui2 ；
8、 对 放 大 电 路 进 行 静 态 分 析 的 主 要 任 务 是 （
A . 确 定 电 压 放 大 倍 数 A u； B. 确 定 静 态 工 作 点 Q； C . 确 定 输 入 电 阻 ri ， 输 出 电 阻 ro ； 9、 射 极 输 出 器 是 ( A.
共集电极电路；
)。 B.共 发 射 极 电 路 ；
C. 共 基 极 电 路 ；
10、 电 路 如 图 所 示 ， 电 阻 R E 1 引 入 的 反 馈 为 ( A. 串 联 电 压 负 反 馈 ； B. 串 联 电 流 负 反 馈 ； C. 并 联 电 压 负 反 馈 ； D. 并 联 电 流 负 反 馈 ；
RC C2 + ?U CC
C1 + + ui -
RE1 RB2 RE2
二 、 判 断 题：判断下列说法是否正确，用“√”或“×”表示判断结果 (本大题共 10 小题， 每小题 1 分，总计 10 分)
1、 功 率 放 大 电 路 与 电 压 放 大 电 路 的 区 别 是 前 者 比 后 者 电 源 电 压 高 ； （ 2、负反馈放大电路不可能产生自激振荡。 ） （
3、 一般情况下， 在电压比较器中， 集成运放不是工作在开环状态， 就是仅仅引入了正反馈。 （
4、在输入电压从足够低逐渐增大到足够高的过程中，单限比较器和滞回比较器的输出电压
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