基於集成運放心電放大器設計(原創)

原創作者：einyboy or alert

最近在看美劇《危機邊緣》關於邊緣科學的案件，科技控可以看一下，但建議不在吃東西的時候看。想像力是創造的思想源頭，動手能力則是創造的車牀。 自認爲是沒有想像力的那類，只能發揮動手能力了。

• 心電測量簡介

 

圖1 心電極接線圖

如圖1心電測試一般使用3個心電極進行測量，各個電極的說明如下：

RA: Right Arm縮寫，右手電極

LA: Left Arm縮寫，左手電極

RL: Right Leg縮寫, 右腿電極

   心電信號特點：

1. 心電信號的頻率是0.1Hz~200Hz之間屬於，我們市電的交流電頻率是50Hz, 意味着心電信號的測量會受到50Hz交流電引起的電磁感應影響，必須過濾掉。
2. 心電信號的電壓範圍爲：0.1~2mV,  這以爲着放大1000倍的值爲100mV~2V(這個電壓才能被電路儀器測試出來，通過信號放大電路實現)

 

圖2 心電極圖片

• 基本原理

RL電極可以理解爲接地的電極，記：

V1: RA電極相對RL電極電壓，V1的電壓組成V1 = Vra - Vrl + 噪聲電壓。

V2: RL電極相對RL電極電壓，V1的電壓組成V1 = Vrl - Vrl + 噪聲電壓。

Vi: 最後輸入電壓爲V2-V1 = (Vrl - Vrl + 噪聲電壓) -(V1 = Vra - Vrl + 噪聲電壓) =  Vrl-Vra , 從Vi的公式看“噪聲電壓”被減掉了，Vi在電路設計裏稱爲差模電壓輸入。

A: 電路的放大倍數

Vo:最後的測試輸出Vo = A*Vi = A*(V1-V2)

實現Vo上述運算的電路如下：

 

圖3 差分放大電路

由圖3的電路，這裏的放大電路A爲R2/R1, 如果R2=1000 Ω，R1=1Ω那A=1000/1=1000倍，三角形的放大器可以用LM358實現。

 

如果不想實踐搭建電路的使用multisim仿真也行，電路仿真結果如下：

圖4 仿真電路

 

 

• 基於INA128、LM358的二級心電檢測儀

由於1級放大倍數不能設置太大，太大會導致噪聲也會放大，噪聲信號的電壓比心電信號的強很多(即使數學運算上被減了，還是真實輸入到電路的)，而放大器是有工作電信範圍的和影響放大器共模抑制，輸入的噪聲信號會超出放大電器的工作電壓所通常的儀用放大器做成兩級放電電路。如下圖：

圖5 仿真電路

INA128作爲一級放大， LM358作爲2級放大和濾波

圖6 INA128內部電路

注：完全可以把INA128改造成用於腦電波的測試，只需要多加些電極配套INA128就行。不過腦電的數據處理遠比心電覆雜。

INA128放大倍數計算公式如下，通過調整相應的電阻Rg值可以獲得相應的放大倍數：

基於INA128、LM358方案的心電測試電路需要使用示波器測試輸出的心電信號，示波器的價格比較昂貴。有個替代物理示波器的方案，就是利用電腦的音頻輸入到電腦通過軟件示波器來測量心電。

相關的實現參考如下：

http://www.geekfans.com/thread-62728-1-1.html

 

INA128, LM358, 麪包板的材料某寶上都有，我實際電路的樣板如下：

圖7 實際測試效果

仿真文件下載地址：

https://download.csdn.net/download/huandaohack/12302058

• 基於Ardunio+AD8232高性價比心電測量儀

這個Ardunio+AD8232的方案相當簡單，把部件從某寶買下來就可以簡單實現了，通過USB上傳電腦會制心電圖，數據還可以保存下來。電路連線如下：

圖8 電路連線

圖9 實際電路

圖10 計算機上接收到的波形

 

Adruino端的代碼：

Processing中的心電繪製代碼：

該方案的代碼放在百度盤上了想要的去下載：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1C_Sd-amBx7yRG3BJ9_W8bw

提取碼：r4p0

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