心电检测与分析系统设计

1.概述................................................................ 3

1.1实验目的 ............................................................................................................................................................... 3 1.2实验内容 ............................................................................................................................................................... 3 1.3实验要求 ............................................................................................................................................................... 3 1.4实验仪器及设备.................................................................................................................................................. 4 1.5实验步骤 ............................................................................................................................................................... 4 1.6实验时间计划 ...................................................................................................................................................... 4 1.7实验注意事项 ...................................................................................................................................................... 5

2.心电采集系统设计.................................................... 6

2.1技术指标 ............................................................................................................................................................... 6 2.2设计路线 ............................................................................................................................................................... 6 2.3设计步骤 ............................................................................................................................................................... 6

2.3.1电源转换电路 ............................................................................................................................................ 6 2.3.2输入保护电路 ............................................................................................................................................ 7 2.3.3前置放大级 ................................................................................................................................................. 8 2.3.4时间常数电路 .......................................................................................................................................... 10 2.3.5二级放大及增益调节 ............................................................................................................................. 10 2.3.6滤波电路 ................................................................................................................................................... 11 2.3.7 50Hz限波电路 ........................................................................................................................................ 11 2.3.8右腿驱动电路 .......................................................................................................................................... 13 2.3.9元器件清单 ............................................................................................................................................... 13 2.3.10硬件系统电路原理图 ........................................................................................................................... 14

2.4电路安装 ............................................................................................................................................................. 14 2.5分级测试及调试................................................................................................................................................ 14

2.5.1前置放大级 ............................................................................................................................................... 14 2.5.2增益调节级 ............................................................................................................................................... 15 2.5.3滤波电路 ................................................................................................................................................... 16 2.5.4 50Hz限波电路 ........................................................................................................................................ 17 2.6硬件系统整体性能测试 .................................................................................................................................. 19 2.6.1差模增益 ................................................................................................................................................... 19 2.6.2共模抑制比 ............................................................................................................................................... 19 2.6.3输入阻抗 ................................................................................................................................................... 20 2.6.4噪声 ............................................................................................................................................................ 20 2.6.5频响 ............................................................................................................................................................ 21 2.6.6 50Hz限波 ................................................................................................................................................. 22 2.6.7硬件系统整体性能总结及分析 ........................................................................................................... 23 2.6.8加人体信号测试 ...................................................................................................................................... 24

3.软件系统设计....................................................... 24

3.1技术指标 ............................................................................................................................................................. 24 3.2设计思路 ............................................................................................................................................................. 25 3.3设计步骤 ............................................................................................................................................................. 25

3.3.1流程图设计 ............................................................................................................................................... 25 3.3.2编程步骤 ................................................................................................................................................... 27 3.3.3部分功能模块说明.................................................................................................................................. 28 3.3.4前面板设计 ............................................................................................................................................... 31

3.4软件调试 ............................................................................................................................................................. 32

4.软、硬件系统统调................................................... 32

4.1标准信号源测试................................................................................................................................................ 32 4.2加人体信号测试................................................................................................................................................ 32

5.总结讨论........................................................... 34

生物医学信号检测与处理综合实验

引言

心电研究一直是医学领域的一个重要课题。心电图是心血管等疾病临床检查诊断的重要方法。

[1]心肌是由无数个心肌细胞组成，由窦房结发出的兴奋，按一定的途径和

时程，依次向心房和心室扩布，引起整个心脏的循环兴奋。心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序、和时间均有一定的规律。由于人体为一个容积导体，这种电变化也必须扩布到身体表面。因此，可以通过安放在身体表面的胸电极或四肢电极，将心脏产生的电位变化以时间为函数记录下来，这种记录曲线称为心电图，如图1所示。

图1 典型心电波形

心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。正常心电图由一个P波、一个QRS波群和一个T波等组成。P波起因于心房收缩之前的心房极时的电位变化；QRS波群起因于心室收缩之前的心室除极时的收位变化；T波为心室复极时的电位变化，其幅度不应低于同一导联R波的1/10，T波异常表示心肌缺血或损伤。ECG的持续时间由：P-R间期（或P-Q间期）为P波开始至QRS波群开始的持续时间，也就是心房除极开始至心室除极开始的间隔时间，正常值为0.12～0.20s，若P-R期延长，则表示房室传导阻滞；

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Q-T间期为QRS波群的开始至T波的末尾的持续时间，意为心室除极和心室复极的持续时间，正常值为0.32～0.44s；S-T段为从QRS波群终末导T波开始之间的线段，此时心室全部处于除极状态，无电位差存在，所以正常时与基线平齐，称为等电位线，若S-T段偏离等电位线一定范围，则提示心肌损伤或缺血等病变；QRS波群持续时间正常值约为0.06～0.11s。

因此，实时的检测心电信号，可以从所得出的心电图上观察心脏的变化，医生就可以从所测的心电图上判断心脏各个部位的功能是否正常，所以心电图是医生治疗心脏方面的疾病所不可或缺的依据。因此心电检测就有了实际应用的意义。

传统的心电记录方法主要靠心电图机来完成 。其信号采集、处理和显示主要由硬件电路完成，电路生产技术要求较高，设备价格较贵，且维护和更新不便。

随着信息技术的不断发展，现代计算机技术和电子仪器技术完美结合 ，产生了一种新的仪器模式：虚拟仪器。虚拟仪器利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接 ，以计算机为核心 ，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示。用户可以很方便地组建 自己的自动测试系统。虚拟仪器技术强调软件的作用 ，提出了“软件就是仪器”的概念，软件模拟传统仪器面板，方便地实现信号的各种功能。虚拟仪器技术的发展为改造传统的心电记录设备提供了很好的技术支持。

LABVIEW是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件，具有编成简单，结果直观等特点。

本文利用LabVIEW和UA304数据采集盒配合自行设计的心电采集系统

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（心电放大器）组成虚拟仪器系统，开发出界面友好的智能化心电采集、记录、分析系统。使心电数据处理、显示、存储、回放和分析等全部由计算机完成。简单易操作且大大降低了教学实验成本，对于教学和医疗事业的发展具有重要意义。

1.概述

1.1实验目的

对基本知识和理论进行验证、巩固、提高和扩展。学会人体新电信号的检测处理方法，还可引申至其它生理信号地研究。

初步了解科研课题的基本过程和方法，锻炼学生思考问题和解决问题的能力，培养对科学工作的严肃态度、严密的工作方法、实事求是的工作作风和团结协作精神。为今后临床实践和科学研究培训基本技能。为毕业设计打好基础。

总体目标：通过实践，培养综合运用所学理论的能力、课题设计能力、实际动手能力、分析解决问题的能力。达到把专业课所学理论知识融会贯通、灵活运用的目的。

1.2实验内容

设计并实现简易的人体心电检测系统。能够正确显示心电信号并进行简单的处理分析。

1.3实验要求

实验前充分做好预习准备工作，认真阅读有关教材和资料，复习有关理论。掌握实验原理和实验方案。熟悉实验所用的仪器设备的性能和使用方法。

实验要严肃认真，仪器使用应该严格遵操作规程，注意安全，爱护仪器设

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备和工具。节约器材。

试验中要以科学的态度实事求是的做好每个实验。认真仔细的做好实验记录。保证实验数据的可靠性。

1.4实验仪器及设备

表1 仪器设备清单

仪器名称 双通道数字存储示波器 函数信号发生器 直流稳压电源 计算机 A/D数据采集盒 万用表 剥线钳等工具 电极、导联线 导线 型号 DS5022M SP12B DF1731SLL3A 联想扬天T4900D UA304 VC9802A+ 数量 1台 1台 1台 1台 1台 1台 1套 1套 若干 1.5实验步骤

(1)根据题目要求查阅资料，设计检测处理系统的方框图。

(2)根据设计方案作出电路原理图，并总结所需器材，列出元器件清单。 (3)硬件电路各模块的安装调试及统调。

(4)数据采集、显示、处理及心电信号分析的软件编程及测试。 (5)整个系统统调，测量人体心电信号。

1.6实验时间计划

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表2 试验时间计划

时间 10.18～10.19 10.20～10.22 10.25～10.26 10.27～10.29 11.1～11.2 11.3～11.15 11.16～11.17 11.18～11.19 内容 查阅资料 确定实验方案，设计综合实验设计书 硬件系统设计及参数确定 硬件系统电路各模块安装与调试 硬件系统统调与测试 软件设计测试 这个系统统调与人体心电测试 完成实验报告 1.7实验注意事项

1.在确定元件参数时要联系实际。理论计算得到的器件参数要考虑在实际中有没有合适标称值的元件。

2. 前置放大部分元件参数要尽量匹配以达到较好的共模抑制能力。三运放第一级可选用集成双运放以保证其参数的一致性，第二级可选用高共抑的精密运放。

3.陷波器一般要放在最后，这样可有效滤除前端电路引入的干扰；在使用带通相消时要注意原件选取时尽量匹配。

4.在电路安装前要再次对元器件参数进行测量核对，确保无误。引脚要尽量短以减少干扰的引入。

5.注意实验数据的记录要真实而详细，以便更好的分析和解决问题。 6.试验中要注意安全，检查无误后再通电。

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2.心电采集系统设计

2.1技术指标

增益：1000～3000连续可调 频响：0.1～75Hz 共模抑制比：≥80db 差模输入阻抗：≥5MΩ 噪声：≤10μV 时间常数：τ=3秒

50Hz工频抑制：限波幅度：20dB；中心频率：f0=50HZ；品质因数：Q=14；阻带宽度：BW≤4Hz

2.2设计路线

输入信号 输入缓冲电路 前置放大电路 高通滤波电路 后级放大电路 低通滤波电路 50Hz陷波 输出保护电路 右腿驱动 [2]

图2 心电采集系统框图

2.3设计步骤

2.3.1电源转换电路

本电路中，有源器件选用LF353和OP07。根据其供电要求（±3V～±18V）及系统输出要求，采取±12V直流供电。

如果使用的是市电（220V，50Hz）供电，在给放大器供直流电源时就要

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进行电源转换。这里采用二极管桥进行整流，再采用DC-DC芯片进行电源转换。

市电经变压、整流、滤波，再利用78、79系列三端集成稳压器进行稳压，可输出较稳定的直流电压。电路设计原理图如图1所示。

D21N400757LM7812CTU1C11C3330nFC5100uFC7100nF3R110k¦¸1%1mF2T14D11LED1Red0TS_PQ4_24233N246C21mF6LED2GreenC4330nFU2LM7912CT9C6100uFC8100nF4R210k¦¸1%1N4007D3

图3 电源转换电路

2.3.2输入保护电路

实际测量中，心电信号常常受到高频治疗、超声测量、手术电刀、医学遥测、除颤装置以及无线电波等产生的高频干扰，在输入级设计低通滤波器或高压保护电路可以有效的对后级电路进行保护。

本文采用RC低通滤波电路：

10kΩR151pFC1

图4输入保护电路

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截止频率为：

fc12R1C1

此处的目的在于滤除高频高压脉冲，起保护作用，并不以滤波为目的，因此没必要把截止频率设的很低（100Hz）。

取R1=10K ，C1=51pF，则

fc312kHz

实验显示，当R1或C1过大，fc过低时，电路的共模抑制能力大大降低（不排除由于元件参数不对称导致）。有资料给出[3]10KHz的截止频率。

2.3.3前置放大级

由于心电信号的特殊性（幅度小，频率低，干扰大，活体测量），决定了心电放大器对前置放大级的要求：

高输入阻抗。被提取的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。一般情况下信号源内阻为100KΩ，则放大器的输入阻抗应大于1MΩ。

高共模抑制比。人体所携带的工频干扰以及所测量的参数以外的生理作用的干扰，一般为80dB共模干扰，前置级须采用CMRR高的差动形式，以减少共模干扰向差模干扰转化。

低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。

电路设计原理图如图5所示：

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51kΩR410kΩKey=AW15.1kΩR751kΩR951kΩR55.1kΩR3kΩR810kΩKey=AW210kΩR3

图5前置放大电路

第一级（同向并联差动比例放大器）： 放大倍数：

A1,212R3W1

注意电阻不要选的太大，否则增加漂移影响。为使电路具有高共模抑制比，两只运放的共模抑制比要尽量相同，因此这里选用双集成运放LF353。同时R3和R4，R5和R6也应尽量保证一致。本试验中，W1取10KΩ；R3，R4取51KΩ。故一级增益为：A1,2=11.2

第二级选用高CMRR（>110dB）精密运放OP07。放大倍数为：

A2R7R5

本试验中，R7取51KΩ；R5取5.1KΩ。故二级增益为：A2=－10，前置级总增益：A=－112

前置级理论共模抑制比计算：

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CMRR1,2=(CMRR1·CMRR2)/(CMRR1－CMRR2)

CMRRD=126dB；CMRRR=(1＋A2)/(4δ)=(1＋10)/(4×0.1%)=2750 CMRR3=(CMRRD·CMRRR)/(CMRRD＋CMRRR)=2746.2=69dB CMRR=(A1·CMRR1,2·CMRR3)/(A1·CMRR3＋CMRR1,2)

由于A1和A2采用双集成运放，具有较好的对称性，因此CMRR1,2>>A1·CMRR3 ,则：

CMRR≈A1·CMRR3=11.2×2746.2≈90dB

2.3.4时间常数电路

如图6所示，即RC高通滤波器。其作用有二：一是起隔直流，滤除极化电压，消除基线漂移的作用；二是要保证有用低频信号不失真。在低频放大器中输出幅度随时间变化而减小，时间常数τ越小减小的越快，因此τ值过小可能导致低频输出失真。一般取τ≥1.5s。

4uFC3680kΩR10

图6

截止频率：fc12R9C3；时间常数：R9C3

本实验取R9=1MΩ，C3=4.7μF,故fc=0.058Hz；τ=2.72

2.3.5二级放大及增益调节

为避免极化电压的影响，放大器增益应分级实现。电路图如图7所示。

增益:

A110

R12W4R11

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理论增益范围：10.1～55.5

2.2kΩR1120kΩR12100kΩKey=AW4

图7

2.3.6滤波电路

由于人体新电信号的频谱范围为0.05～100Hz，所以需要经过滤波处理，去除次频段以外的信息。本实验采用二阶压控电压源低通滤波电路，如图8所示：

100nFC420k¦¸R1320k¦¸R1456nFC5

图8

截止频率：

fc12R13R14C4C5C5R13C4R14

阻尼系数：一般取fc=106Hz。

2C5R14C4R13，先选择适当电阻值，再根据截止频率计算电容。本实验中

2.3.7 50Hz限波电路

市电电源的50Hz（部分国家为60Hz）干扰是心电信号的主要干扰，虽然

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前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分共模干扰是以差模信号方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因素，前置电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。在生物医学仪器中，有源滤波器主要用来抑制某一特定频率的干扰，而心电信号放大器中，工频干扰的消除是突出问题。本文给出的限波电路是由带通滤波器和加法电路组成的。

（1）带通电路

330nFC7¸100k¦¸50k¦R15Key=AW5500¦¸Key=AW6270k¦¸R17330nFC650%270¦¸R18

图9 50Hz带通电路

先选择合适的电容值，然后根据二阶带通滤波的公式计算相关电阻值

中心频率：f012(R15W5)(R18W6)C7R17C6(R15W6)(C6C7)

f0处增益：Au

（2）加法电路：

10k¦¸R1610k¦¸R1910k¦¸R22OPAMP_3T10k¦¸R2010k¦¸R21 12

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图10

2.3.8右腿驱动电路

体表驱动电路是专为克服50Hz共模干扰而设计的。原理是采用以人体为相加点的共模电压并联负反馈。其方法是取出前置放大级中的共模电压，经驱动电路导向放大后再加回体表上，一般的做法是将此反馈共模信号接到人体右腿上。电路图如图11所示。

10k¦¸R351pFC45.1M¦¸R23图11

10k¦¸Key=AW3

2.3.9元器件清单

表3 元器件清单

元件 规格 10k 电阻 (Ω) 20k，51k 5.1k 数量 8个 各3个 2个 270，2.2k，43k，100k，270k，680k，5.1M 各1个 51p，0.1μ 电容 （F） 电位器 （Ω） 运放

各3个 各1个 2个 3个 各1个 1个 6个 0.056μ，4μ 0.033μ 10k 510，51k，100k OP07 LF353 13

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2.3.10硬件系统电路原理图

10kΩR151pFC110kΩKey=AW151pFC210kΩR25.1kΩR3kΩR810kΩ50%Key=AW251kΩR4100nFC45.1kΩR751kΩR920kΩR1320kΩR1251kΩRuFC3680kΩR1020kΩR142.2kΩR11100kΩKey=AW4100kΩR15330nFC756nFC5270kΩR17330nFC650kΩKey=AW5500ΩKey=AW610kΩR351pFC4270ΩR1810kΩR1610kΩR225.1MΩR2310kΩR1910kΩKey=AW310kΩR2010kΩR21

图12硬件系统电路原理图

2.4电路安装

根据原理图在实验电路板上实际搭建电路。

搭建电路前要仔细检查测试电路板的线路连接，确保无短路、错接等安全隐患，确定对应的元件（本实验中就要注意前置放大第二级的运放引脚的接线方式是和OP07对应的，其余均为LF353）。

注意元件尽量紧贴板子以减少干扰；减少连接导线导线走线和元器件排列尽量以平行和垂直为主，不斜跨。

为了能顺利完成初步电路，采取分级实现的办法，分模块逐步搭建和测试，不把问题留到最后。

2.5分级测试及调试

2.5.1前置放大级

考虑到共模信号会向差模信号转化，所以先进行共模检测，将共模信号抑

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生物医学信号检测与处理综合实验

制到最小，再进行差模检测。

（1）共模增益Ac

两输入端短接并与地之间输入50Hz，10V共模信号。通过示波器观察输出。 调整W2，使输出最小并记录输出值。 输出信号幅值为：3.2mVp-p 共模增益为：

Ac=0.00032

（2）差模增益Ad

输入5mVp-p，30Hz正弦信号作为测试信号，输出接示波器，观察输出波形，读出峰峰值为：556mVp-p

Ad=111

（3）共模抑制比CMRR的计算

CMRR=20log（4）输入阻抗Ri

用万用表直接测量，无示数，故Ri大于万用表量程（200MΩ），Ri>200MΩ。

（5）输入噪声Vin

输入端对地短接，测量输出为：Vo=3.8mV 噪声Vin=Vo/Ad=34μV。

AdAc=20log1110.00032=110.8dB

2.5.2增益调节级

输入：30Hz，5mVp-p正弦信号

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调节电位器W4值至最小，输出：58mVp-p 调节电位器W4值至最大，输出：292mVp-p 增益范围：11.6～58.4。

2.5.3滤波电路

输入：30Hz，1Vp-p正弦信号，调整频率，观察输出波形并记录入表4。

表4

频率(Hz) 30 50 60 70 80 90 97 100 680 输出幅值（mVp-p） 1000 944 912 880 840 720 708 增益 1 0.94 0.91 0.88 0.84 0.72 0.71 0.68 频响曲线如图13所示：

LPF幅频特性0-0.5-1增益(dB)-1.5-2-2.5-3-3.530405060频 率708090100

图13

观察可得-3dB截止频率为：fc≈97Hz。

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2.5.4 50Hz限波电路

（1）带通

输入2Vp-p正弦信号，调节W5和输入频率，使得输出最大幅度为2Vp-p(即增益为1)；

输入频率调整为50Hz，调节W6使出幅度达到最大，即使中心频率移至50Hz；

调整输入信号频率，观察输出波形并记录入表5。

表5

频率(Hz) 46 47 48 49 50 输出幅值（Vp-p） 0.92 1.16 1.5 1.88 21.78 1.4 1.08 0.9 .0 增益 0.46 0.58 0.75 0.94 1 0. 0.7 0. 0.45 51 52 53 频响曲线如图14所示：

50Hz带通 幅频特性0-1-2增益（dB）-3-4-5-6-747484950频率515253

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生物医学信号检测与处理综合实验

图14

观察可得：

通带增益：K=1；中心频率f0=50Hz；低频截止频率fl≈48Hz； 低频截止频率fH≈52Hz；通带宽度：B≈4Hz (2)带阻:

输入端不变，输出移至加法器输出端。输入：50Hz，2Vp-p正弦信号，调整输入信号频率，观察输出波形并记录入表6。

表6

频率(Hz) 30 45 1.92 0.96 46 47 48 48.3 49 1.0 0.5 55 输出幅值（Vp-p） 2.0 增益 频率(Hz) 1 1.86 1.74 1. 1.4 0.93 0.87 0.77 0.7 51.7 52 1.41 1.5 53 50 51 输出幅值（Vp-p） 0.1 1.03 增益 1.76 1.86 1．9 0.05 0.515 0.705 0.75 0.88 0.93 0.95 频响曲线如图15所示：

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50Hz限波幅频特性0-5-10增益（dB）-15-20-25-30404244485052频 率565860

图15

观察可得：

中心频率f0=50Hz；低频截止频率fl=48.3Hz；低频截止频率fH=51.7Hz 阻带宽度：B=3.4Hz；品质因数：Q=f0/B≈12.5；陷波深度：K=5%

2.6硬件系统整体性能测试

2.6.1差模增益

输入：30Hz，2mVp-p正弦信号

调节电位器W4值至最小，输出：2.06Vp-p 调节电位器W4值至最大，输出：11.1Vp-p 增益范围：1030—5550

2.6.2共模抑制比

调整Ad=2000

将输入端短接并与地之间加输入50Hz，2Vp-p正弦信号， 输出：38mVp-p

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共模增益：Ac=0.019 共模抑制比：CMRR=20log20000.019≈100.4dB

2.6.3输入阻抗

用万用表直接测量，无示数，故Ri大于万用表量程（200MΩ）

[4]间接测量法：电路原理图如图16所示。E为恒压源，r为万用表内阻（万

用表打至直流电压测量档），R0为已知电阻（MΩ级），Ri为电路输入阻抗，U为万用表示数，K打至①和②时万用表示数分别记为U1和U2。则有：

U1rrR0E，U①KRiUr②2R0rrRiE

E 图16

所以有：

Ri(rR0)U1U2r……….⑴

其中

rR0U1EU1……………….⑵

本实验中取E=24V，R1=5MΩ，测得U1=2.2mV，U2=16.06V，带入式(1)、(2)可得：r=10.1MΩ，Ri=110GΩ。

2.6.4噪声

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增益调至2000，将输入短接至地，测量输出。示波器显示输出Vo≤20mV。折合至输入端得输入噪声为：

VinVoAd=20mV/2000=10μV

2.6.5频响

输入：5mVp-p，29Hz正弦，调输出至10Vp-p（Ad=2000），50Hz，调整W6使输出最小；

改变频率，记录对应输出，填入表17：

表7

频率(Hz) 输出幅值(Vp-p) 增益 4 1120 1408 1760 1984 2000 1984 1872 1 50 0.992 0.936 51 51.5 1 2 2.86 5 10 9.92 20 10 30 40 3.22 5.6 7.04 8.8 9.92 9.36 相对增益 0.322 0.56 0.704 0.88 0.992 频率(Hz) 输出幅值(Vp-p) 增益 相对增益 频率(Hz) 1760 1584 1408 1168 6 45 8.8 47 47.8 48.5 49 7.92 7.04 5.84 4.48 0.26 4.32 5. 52 8 1128 0.88 0.792 0.704 0.584 0.448 0.026 0.432 0.5 52.4 53 21

70 80 83 90 100

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输出幅值(Vp-p) 增益 相对增益 7 7.44 7.92 7.76 7.28 7.04 6. 6 1400 1488 1584 1552 1456 1408 1328 1200 0.7 0.744 0.792 0.776 0.728 0.704 0.6 0.6 频响曲线如图17所示。 由图可得频响范围：2.8Hz～85Hz

硬件电路频响特性曲线0-5-10增 益（dB）-15-20-25-3010203040506070频 率8090100110

图17

2.6.6 50Hz限波

通过频响特性曲线可得限波性能参数： 中心频率f0=50Hz 低频截止频率fl=47.8Hz 低频截止频率fH=52.4Hz

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阻带宽度：B=4.6Hz 品质因数：Q=f0/B≈10.9 陷波深度：K=2.6%

2.6.7硬件系统整体性能总结及分析

增益：Ad=1030～5550（要求1000～3000） 共模抑制比：CMRR=100.4dB（要求>80dB） 输入阻抗：Ri=110GΩ(要求>5MΩ) 噪声：Vin=10μV(要求≤10μV)

频响：2.86Hz～83Hz（要求0.05～100Hz）

50Hz工频抑制：2.6%；f0=50HZ；BW=4.6Hz；Q=10.9（要求10%；f0=50HZ；BW≤4Hz；Q=14）

硬件系统整体上满足甚至优于指标，但仍有两处不满足要求：

（1）频响范围窄。低频截止频率过高可能由于信号发生器输出频率范围（0.1Hz~10MHz）和示波器频率响应范围算所限，频率过低时信号发生器的输出和示波器显示均有衰减，导致实测截止频率高于真实值。

根据[5]临床用心电图机参数（1Hz~75Hz）以及实验结果显示，本电路效果良好，此问题不成为系统性能制约因素。

（2）50Hz限波带宽偏大。通过课堂经验和与分级测试的对比可推测，整体测试时限波幅度偏大，导致带宽增加。可通过调节W5将限波幅度适当减小，应该可以得到满足要求的带宽。由于时间所限，此实验并未进行。

另外，可以发现，分级测试的结果和整体测试结果有较大不同，可见整体是各个模块的有机结合。如分级测试时前置级噪声偏大，可能原因是未经滤

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波，干扰较大，经后级滤波以后整体测试噪声值降低。

2.6.8加人体信号测试

检查线路连接无误后，按标Ⅱ导联方式接入电极，输出接示波器。打开电源，观察波形。

起初看到的波形毛刺很大，无法分辨T波。将W1调节至阻值中心位置，加固输入出处接线端，电极加上导电液以后，波形明显干净了。如图21所示：

图18

3.软件系统设计

3.1技术指标

(1)正确采集信号，波形连续、不失真；采样频率可连续调节；程序控制A/D采集器增益；能够将采集的数据记录存盘。

(2)动态监视状态时能够正确实时显示当前采集的最新波形；静态回放状态能够打开数据文件，正确显示文件中的记录波形。

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(3)监视状态下实时检出心电信号的R波并显示心律。

3.2设计思路

LabVIEW开发平台下编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为VI。VI包括三个部分：前面板程序、框图程序和图标/连接器。前面板程序的功能是实现信号采集的控制、处理和直观表达;框图程序程序乃系统程序的图形化源代码，主要包括函数、结构和代表前面板上各控制对象和显示对象的端子以及连线等，用于实现对信号的采集处理和分析等操作。

开始 加载UA300.dll AD采集盒初始读取数据 波形绘制显示调节 波形分析及显示报警 图19软件系统框图

3.3设计步骤

3.3.1流程图设计

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启动程序 采集盒初始化 打开采集盒 N 数据采集 回放 Y 波形显示1 数据转换 波形回放 Y 滤波 增益调节 N 滤波器 N 停止 Y 停止回放 波形显示2 N 检测参数设置 心率显示 波峰检测 保存 Y 心率计算 波形存储 报警 N 正常 Y N 停止 Y 停止存储 N 停止采集 Y 停止采集 关闭采集盒 Y N 终止 关闭程序 图20流程图

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3.3.2编程步骤

本实验编程环境为LabVIEW8.6.1。具体实现步骤如下：

新建VI---导入ua300库函数---OpenUA300---调用minit2函数并设置采样参数---创建While循环---调用readdata2函数并设置读取参数---添加“创建波形”VI---计算t0及dt---创建波形图表----原始波形显示----创建高通、低通及带阻滤波器---创建乘法器(增益调节)---创建波形图表---滤波后波形显示---创建频谱测量VI---创建波形图---频谱显示---创建“波峰检测”VI---输入参数设置为可调---利用输出位置信息进行心率计算---创建显示控件显示心率---设置心率上下限---异常心率报警---创建条件结构---创建“写入波形至文件”VI---为输入波形创建局部变量指向源波形---另建While循环---创建“从文件读取波形”VI---为输入波形创建局部变量指向源波形---为路径创建局部变量指向保存路径---设置偏移量为循环变量i---新建波形图表---回放波形显示---输出错误接循环条件---创建“等待下一个毫秒倍数”VI---创建输入变量控制回放速度。

框图程序如图21所示。

程序最外层设计了一循环结构和一条件结构，通过“开始采样”开关决定是否启动内循环进入心电采集状态。回放模块外层又加了一层条件结构和while循环，是为了方便控制。

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图21

3.3.3部分功能模块说明

（1）滤波器

图22

高通滤波器：

[6]在各种噪声中，电源线干扰和基准漂移是最为重要的。电源线干扰是以

50Hz为中心的窄带噪声，带宽小于1Hz。通常，心电信号的采集硬件或者通过软件陷波滤波器可以消除电源线干扰。但是，基准漂移和其它宽带噪声通过硬件设备很难抑制。而软件设计则成为更为强大而可行的心电信号处理方法。基准漂移的产生通常源于呼吸，频率在0.15到0.3Hz之间，可以通过使用高通数字滤波器进行抑制。

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低通滤波器：

虽然硬件电路已经有较好的滤波性能，但由于输入输出接触不良、导线引入等原因可能再次引入高频干扰，因此有必要再进行数字滤波。

带阻滤波器：

滤除可能因导线再次引入的50Hz共模干扰。

为比较各种滤波的作用及根据实际情况选择不同的组合，这里利用“选择”VI来实现各种滤波器的不同组合。

（2）R波检测

利用波峰检测VI，注意输入输出参数的理解。阈值和宽度的设定要视具体波形而定。波峰的检出条件为：当连续出现（宽度）个点的值均在阈值以上。而无论这些点的变化趋势是怎样的。因此，遇到较宽的波峰或阈值设置过小或宽度设置较小时时，将有很宽的范围在阈值以上，导致连续数个“波峰”的检出而得出异常的“高频”。

（3）心率的计算

思路：心率=1/相邻两R波时间间隔

方法：利用波峰检测的输出位置信息计算出当前R波所处索引位置，利用移位寄存器可方便求出前后两R波索引位置之差，再将其与dt（相邻两采样点时间间隔，即1/采样频率）相乘即得两R波时间间隔。

要注意的是输出的“位置信息”指本次循环中所检测到的波峰所在的索引位置，其值是小于每次取样长度的。当前R波所处索引位置应加上之前的n次循环的点数之和。

程序框图见图23：

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图23

（4）波形存储：

图24

利用函数—编程—波形—波形文件I/O中“写入波形至文件”VI实现波形存储，用条件结构来控制其运行。注意存储前应先选择好路径。

（5）波形回放：

由于存储的波形是分为多条记录的，因此在回放时须设置递增的偏移量才能读取所有的波形，通过延时可调节回放的速度。

外层再设一个While循环是为了能使采集和回放同时进行。 程序框图见图25。

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图25

3.3.4前面板设计

如图26所示。

图26心电采集记录系统前面板

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虚拟仪器的前面板是仪器与用户交互的可视化操作界面，用户通过操作前面板的各种开关和按钮，可以实现心电信号的实时采集、心率显示与报警、频谱分析、波形存储和回放等各项功能。

前面板中设置了两个波形显示控件，分别用来实时显示采集到的原始心电波形和经滤波处理后的波形；一个波形回放控件，用来显示回放的波形，以利于医生观察、诊断所需的心电图。一个频谱图显示控件，实时显示波形频谱，可直观的显示出波形的频率成分分布情况；心率显示区可实时显示被测者心率并根据已设的报警上限自动报警；存储回放控制区用于控制存储与回放。为节省空间，频谱分析和波形回放放置于一个选项卡中。

3.4软件调试

通过ua304采集盒输入1Hz，2Vp-p正弦信号，采集盒输出接入PC，运行软件，观察软件运行情况。

实时显示、频率显示及报警、频谱分析、保存回放等功能均运行正常。

4.软、硬件系统统调

4.1标准信号源测试

(1)打开电源，调节至±12V，关闭电源。注意之后避免碰触电源调节旋钮。 (2)打开信号源，调节输出1Hz，2mVp-p正弦波。

(3)打开示波器，用探头补偿信号进行自检，并调节探头上的可变电容至正确补偿。

(4)检查电路连接无误后，打开电源，启动程序。

(5)观察输出及各功能模块运行正常后准备加人体信号测试。

4.2加人体信号测试

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(1)检查电极、导联线连通是否良好

(2)拔掉输入端接头，换上电极、带连线接头，注意接好地线。 (3)采用标Ⅱ导联将电极接入人体，输出同时接PC和示波器。 (4)打开电源，启动程序，观察PC显示，并与示波器显示进行比较。 结果显示：原始波形基线漂移较严重，在-1V左右，如图27(1)所示。经高通滤波后基线回归至0，见图27(2)。而示波器显示无漂移，可见示波器内部有漂移抑制措施。回放波形见图27(3)。

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频谱分析见图28。由图可知心电信号大部分能量集中在20Hz以内的低频区域。

图27

图28频谱分析

此处高频干扰及50Hz共模干扰不显著，因此低通、限波滤波器没必要开通，如图29所示。心率显示及报警如图30所示。

图29 图30

5.总结讨论

总的来说，本次试验达到了预期的效果。能够很好的完成心电信号的采集、处理、存储回放等功能。硬件系统设计简单但合理，性能优良。尤其是50Hz限波模块，采用带通滤波器和加法器相结合的方式，性能明显优于直接设计

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的带阻滤波器。前置级的设计简练巧妙。软件设计在所要求的范围之外又增加了报警、频谱分析等功能使系统更加实用。界面设计精心细致，使人感到有好而舒适。

实验过程中遇到的一些问题：

（1）硬件前置级测试过程中，遇到前后两天测试相差10倍的现象，当时用示波器检查信号源，显示比信号源“输出”少了10倍，当时判断是信号源问题（后“自动”好了）。经工程师讲解后，得知探头有1×和10×之分别，故又认为是当时探头设置不对的原因。软硬件测试时，又发现PC显示比信号源小了10倍，而此时是没有使用探头的，再用万用表测试及更换信号源测试，最终得出结论是信号源的显示和实际输出偶会发生不一致，其“20dB”衰减实际上并没有衰减。

兜这么大个圈子才找到，其实是考虑问题不够全面、处理问题方法不科学以及对实验仪器了解不够造成的。

（2）其他同学的数个例子说明，输入级低通滤波截止频率过低可大大减小CMRR。

（3）低通滤波器指导书原理图两电容倒置了，倒置截止频率降到了50Hz～60Hz，但实验表明这影响并不大，有的同学故意倒置来降低高频干扰，还起到了一定效果。可见心电的主要成分集中在更低频的区域，若不是做更加细致的心电分析，低通截止频率可不必强求于100Hz。

（4）数例表明，50Hz限波模块两电容（C6、C7）的匹配程度对限波效果影响非常大，真可谓“差之毫厘，谬以千里”。而实际中电容有很难做的很精确，因此安装电路时一定要进行测量，尽量使用电容值比较接近的一对。

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（5）很多时候，干扰大、无输出等问题都出在输入输出的连接和元器件的插接松动上。接触问题，无处不在，要耐心细致，不容忽视。

（6）软件编程过程中心率计算绕了很大一个弯，原因在于对程序组件的理解不正确，可见知之而后才能用的得心应手。万事准备工作应定要做好，否则会困难重重，事倍功半。

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