心电信号测量及multisim仿真笔记

标签：仿真 R1 R2 原理图 电信号 信号源 电路 multisim 电压

心电信号

• 心电信号测量
• • 无源低通滤波仿真电路
  • • 原理图（二阶低通滤波）
    • 电路作用
    • 知识点补充
    • 基础概念补充
  • 运放跟随器
  • • 原理图
    • 作用
    • 原理：
    • 作用：
  • 双向模拟开关电路
  • • 原理图
  • 基准电压电路
  • • 原理图
    • 该电路的作用
  • 导联脱落检测电路
  • • 原理图
    • 作用
  • 仪器仪表放大电路
  • • 原理图
    • 作用
  • 右腿驱动电路
  • • 原理图
    • 放大倍数计算
    • 作用
  • 运算放大器电路
  • • 1.反向运算放大器（信号源在运放的反向输入端）
    • 2.同向运算放大器（信号源在运放的同向输入端）
    • 3.差分比例运算电路

心电信号测量

无源低通滤波仿真电路

原理图（二阶低通滤波）

电路作用

过滤掉不需要的高频信号（如：空间中的磁场的高频信号）以减少高频干扰而确保心电信号通过。

知识点补充

由测量图可知

输入电压峰峰值为2v （峰峰值为波形的最高点到最低点之差）

输出电压峰峰值为1.4v

输出电压峰值为0.7v（峰值即为最高点电压）

根据公式(A为放大倍数)
G = 20 l o g A = 20 l g 1.4 / 2 = − 3 d B G = 20logA = 20lg1.4/2 = -3dB G=20logA=20lg1.4/2=−3dB
再由下图可知

该电路的截止频率近似为12.6（截止频率（或截止点）是指滤波器在工作频率高于或低于这个频率时开始显著衰减输入信号）

基础概念补充

峰峰值：为波形的最高点到最低点之差

峰值：即为最高点电压

电压源：

**1Vrms：**表示为有效值电压为1V，峰值电压√2V

**1Vpk：**表示为峰值电压为1V，有效值电压1/√2V
电压有效值 = 峰值电压 / √ 2 电压有效值 = 峰值电压/√2 电压有效值=峰值电压/√2

运放跟随器

原理图

作用

确保提供充足稳定的电压，规避掉因为负载高电阻而产生的电压下降。

原理：

1. 高输入阻抗：输入阻抗是输入信号源看到的阻抗，运放的输入阻抗非常高，因此它不会吸取输入信号源的电流，对于信号源来说几乎是开路，从而降低了信号源的输出负担。
2. 低输出阻抗：输出阻抗是指负载获取的能量在负载上产生的电压变化的量度。由于运放的输出级通常设计为具有较低的输出阻抗，因此即使负载阻抗变化，输出电压也不会有很大的变化。

作用：

1. 减缓负载变化：当信号源驱动一个大负载时，例如长电缆或低阻抗的后续放大器，负载的变化可能会导致输出电压的波动。运放跟随器可以提供稳定的输出，减缓这些变化的影响。
2. 放大电流驱动能力：如果信号源的输出电流能力有限，运放跟随器可以将小信号源放大为能够驱动较大电容或较高阻抗负载的信号。
3. 电压不变：运放跟随器可以提供几乎与输入相同的输出电压，这是一个非常有用的特性，当需要不改变信号电压的情况下提升信号电平时非常有效。
4. 信号隔离：跟随器可以作为信号源和实际负载之间的一种隔离，这样可以减少由于负载变化导致的信号源供电电源的变动。
5. 放大器匹配：在多个放大器的级联配置中，跟随器可以用于调整不同放大器级的输入和输出阻抗，以确保最佳匹配和最小信号失真。

双向模拟开关电路

原理图

其中MC74HC4066J是一种四路模拟开关

功能：它能够在整个电源范围内变化的模拟和数字电压进行双向切换，实现信号的复用与解复用功能。

信号切换功能：MC74HC4066J作为四路模拟开关，能够在不同的模拟信号源和目的地之间进行切换。这在音频、视频等模拟信号的管理中特别有用，可以实现多种输入信号源向单一输出设备的切换，或者单一输入信号源向多种输出设备的切换。

多路复用与解复用：它可以实现信号的多路复用（多个输入到一个输出）和解复用（一个输入到多个输出），从而在电路设计中节省空间和成本，提高系统的灵活性和可扩展性。

控制和电平适应：MC74HC4066J可以通过控制引脚来选择连接的信号路径，因此在设计中可以根据需要动态地切换信号源或目的地。它适用于各种模拟电平的信号管理，包括电源管理、传感器信号选择等应用场景。

性能优势：由于采用了硅栅CMOS技术，MC74HC4066J具有快速的传播延迟、低导通电阻和低通道漏电流特性，这些特点保证了在高频率和高精度模拟信号处理中的稳定性和可靠性。

该电路中主要是起多路复用与解复用功能。

基准电压电路

原理图

该电路的作用

起缓冲隔离作用，使输出的电压幅值，相位等与输入电压相同。

具体作用如下

1. 提供稳定的参考电压：基准电压电路能够产生一个几乎不随外部条件变化而变化的电压，这对于需要高精度的电路和测量非常重要。
2. 支持精确的模拟电路：在模拟电路中，基准电压用于设置参考点，确保电路在设计的电压范围内稳定工作，例如用于放大器、滤波器等。
3. 用于模数转换和数模转换：在ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）中，基准电压直接影响转换的精确性和准确性，因此需要稳定且精确的电压源来保证转换的准确性。
4. 作为传感器接口：对于需要高精度的传感器接口电路，基准电压电路确保传感器的输出信号准确地转换成数字或模拟信号。
5. 保证系统整体性能：无论是用于通信设备、计算机系统还是精密仪器，基准电压电路都是保证整体系统性能稳定和可靠的重要组成部分。

导联脱落检测电路

原理图

该图为一个单门限电压比较器（非零电平比较器）

同向输入端为输入信号，反向输入端则接入了一个参考电压（该参考电压为电阻R1的电压），根据分压公式计算得该参考电压为1.9V

即可通过输出电压的正负来判断输入电压的大小（判断导联是否脱落）

作用

使心电导联在脱落与连接切换过程中波形能快速回到基线附近，减少信号的波动幅度。

仪器仪表放大电路

原理图

作用

将输入信号放大了5倍，该电路由两个同向放大器和一个差分比例运算电路组成（图中成对称设计可以抵消相位漂移），该电路对共模信号起了抑制作用（本电路的共模抑制比较大），故心电采集时采用差模输入。

共模抑制比（CMRR）(A1为差模放大倍数，A2为共模放大倍数)（共模抑制比越大对共模信号的抑制程度越明显）
C M R R = ∣ A 1 / A 2 ∣ CMRR = |A1 / A2| CMRR=∣A1/A2∣

右腿驱动电路

原理图

放大倍数计算

作用

放大从TP2和TP6获取的共模信号放大后输出一个反向的共模信号从而抑制输入源的共模信号

运算放大器电路

1.反向运算放大器（信号源在运放的反向输入端）

放大倍数计算公式
A = − R 2 / R 1 A = -R2/R1 A=−R2/R1
加入抬高基线电压U2(U1为输出电压，U0为输入电压)
U 1 = （ 1 + R 2 / R 1 ） U 2 − R 2 / R 1 ∗ U 0 U1 = （1+R2/R1）U2 - R2/R1*U0 U1=（1+R2/R1）U2−R2/R1∗U0

2.同向运算放大器（信号源在运放的同向输入端）

放大倍数计算公式
A = 1 + R 2 / R 1 A = 1+R2/R1 A=1+R2/R1
加入抬高基线电压U2(U1为输出电压，U0为输入电压)
U 1 = （ 1 + R 2 / R 1 ） U 0 − R 2 / R 1 ∗ U 2 U1 = （1+R2/R1）U0 - R2/R1*U2 U1=（1+R2/R1）U0−R2/R1∗U2

3.差分比例运算电路

原理图

​ 根据叠加定理，将该电路看成反向比例运算电路和同向比例运算电路的叠加可得公式

(当R2 = R3 ，R4 = R1时) U0为同向端电压 U1为反向端电压
U 2 = R 1 / R 2 ( U 0 − U 1 ) U2 = R1/R2(U0 - U1) U2=R1/R2(U0−U1)
加入直流电压U3后

U 2 = R 1 / R 2 ( U 0 − U 1 ) + U 3 U2 = R1/R2(U0 - U1) + U3 U2=R1/R2(U0−U1)+U3

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