基于Multisim的同相串联型心电放大器实验设计

2021-08-31李强叶洋吕锦彬刘莉

电子测试 2021年17期

李强，叶洋，吕锦彬，刘莉

（新疆医科大学厚博学院，新疆克拉玛依，834000）

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在医疗仪器中，信号多是由传感器对温度、压力、血流、呼吸等进行变换得到的。这些换能器产生的电信号往往非常微弱，而且其中包含了各种共模干扰信号。以心电信号为例，其主要频率范围为0.05-100 Hz，幅值约为10 μV-4 mV，信号微弱且不能用示波器测量。另外生物体内还包含多种生物信号，这多种信号之间存在着干扰，导致噪声强难测量。因此，应用于心电信号测量的放大器应具有高输入电阻、高共模抑制比和高电压放大倍数、低噪声及强抗干扰能力等特点。目前心电图机前置放大器多采用同相串联型运放组成的心电放大器。

1 同相串联型心电放大器的组成结构

同相串联型运放组成的心电放大器实验电路如图1所示，信号uI1由运放A1的同相输入端输入，A1的输出信号uo1和信号uI2一起输入至运放A2，从A2获得单端输出。差动信号从两个运放同相输入端输入，一般输入阻抗可达到几十兆欧姆。

图1 同相串联型心电放大电路

由uI1和运放A1所构成的第一级电路为同相比例运算放大器，因此输出电压uo1为[1]

由uo1、信号uI2和A2构成的第二级电路为加减运算放大器，因此输出电压uo2为：

当R2/RF2=RF1/R1时，电压放大倍数为[1]

从图中电路可计算出Au1=27信号由A2输出后，uo2与A3构成了同相比例运算放大器，因此输出电压放大倍数为Au3=1+RF/R2=33，由A1、A2组成的差动放大器与A3共同构成了多级放大电路，则这个电路的放大倍数Au=Au1*Au3=27*33=891倍。

2 Multisim仿真软件简介

Multisim软件是由美国国家仪器有限公司推出的一种集成电路设计和电路测试虚拟仿真软件，适用于模拟、数字电路设计与分析工作。该软件具有直观的图形界面、众多的元器件、丰富的测试仪器、强大的仿真能力、完善的仿真分析等特点，尤其在波形显示、波特图分析、频谱分析等方面具有较大的优势[2-4]。在绘制电路时，只需将所需元件和虚拟仿真仪器直接放置在同一窗口下，再用导线将它们连接起来，且虚拟仪器的操作方式与实物相似，测量数据、特性曲线、波形图的显示也与真实仪器一致[5]。在实验教学中，Multisim软件可实现设计与实验同时进行，可边设计边修改调试，仿真速度快、效率高、准确性高。另外，该软件对计算机的适配性较好，学生可自行安装，无论在课内、课外都可以进行实验设计和测试，能够充分调动学生的积极性，提高实验教学效果。

3 同相串联型心电放大器的Multisim 仿真

3.1 搭建电路

基于图1电路，在Multisim软件中找到对应的元器件，搭建好仿真实验电路，如图2所示。图中集成运放选择μA741型，XSC为虚拟示波器，可显示输入信号uI1、uI2和输出信号uO的波形和幅值。V1和V2为调频信号源，VCC和VSS为直流电源，给各级电路提供合适的静态工作点，为信号放大提供能量。

图2 仿真电路图

3.2 仿真参数设定

选择调频信号（chirp voltage）V1和V2作为uI1和uI2输入信号源，V1参数设置：电压为1mv-4mv，频率为0.004-300Hz，脉冲时长为0.3S，弛豫时间为0.05S，V2参数设置：电压为2mv-6mv，频率为0.005-1000Hz，脉冲时长为0.3S，弛豫时间为0.05S。在达到上述条件时，V1和V2可用来模拟心电信号输入，uI1和uI2相当于心电图机的两个采集电极。VCC和VSS分别为15V和-15V。

3.3 仿真结果分析

3.3.1 波形观察

接通电路，按下仿真按钮，打开虚拟示波器观测到的波形如图3所示，可以看出通过同相串联型心电放大器放大后虚拟示波器能够显示出波形，且在相对较长的时间内都有输出波形，证明可以测量到信号。

图3 输出波形图

3.3.2 放大倍数测量

通过虚拟示波器分别测量出了uI1、uI2和输出信号uo的值，在测试中将RC高通滤波器和RFCF为低通滤波器断开，具体结果如表1所示，其中一次测量数据如图4所示。通过公式Au=uo/ (uI2-uI1)计算出三次测量的放大倍数分别为872.73、849.47、913.29，平均值为878.60，这与理论值891很接近，相对误差约为1.4%。从测量数据来看，经过多次放大之后的放大倍数Au波动范围较大，主要是由差模输入过程中的零漂漂移所导致。