基于测量放大器的心电前置放大器创新实验案例分析

胡睿康 李旭琼 晋良念

摘  要  结合心电信号频率低、信号弱、共模干扰强等特点，以测量放大器为核心实现一种具有高共模抑制比、高增益、高输入阻抗以及50 Hz陷波的心电前置放大器。通过原理图设计、仿真优化、硬件实现的全设计流程，有效提升学生的工程素养和解决复杂工程问题的能力，更好地适应新工科创新人才培养需求。

关键词  心电信号；测量放大器；陷波器；实验

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）10-0133-07

Innovation of Experiment Case of ECG Preamp-lifier Based on Measurement Amplifier//HU Ruikang， LI Xuqiong， JIN Liangnian

Abstract  Combined with the characteristics of low frequency， small signal amplitude and strong common mode interference of ECG signal， an ECG preamplifier with high common mode rejection ratio， high gain， high input impedance and 50 Hz notch is realized by using the measurement amplifier as the core com-ponent. Through the whole design process of schema-tic design， simulation optimization and hardware implementation， students engineering literacy and ability to solve complex engineering problems can be effectively improved to better meet the needs of training innovative talents in new engineering.

Key words  ECG signal; measurement amplifier; notch filter; experiment

Authors address  School of Information and Commu-nication， Guilin University of Electronic Techno-logy， Guilin， Guangxi， China， 541004

0  引言

近年來，新工科建设已经深入国内各个高校，新工科提倡重实践、跨学科，把创新创业教育贯穿人才培养全过程。实践性是工程教育的本质属性，将实际工程引入课程教学有利于培养学生解决实际问题的能力，提升学生的工程素养及实践创新能力，促进工程教育人才培养目标的达成[1]。

目前，许多高校电子信息类专业的模电实践课程仍然以验证性实验为主。比如，传统的分立元件差动放大器实验的内容通常是先利用理论知识分析计算电路的静态工作点、差模放大倍数、共模抑制比等指标参数，然后再让学生用现成的分立元件电路板接线测量静态工作点及各项指标。验证性实验侧重于理论验证，能够加深学生对理论知识的理解，但是没有考虑应用场景和工程因素，实用性不强。长期以来，学生只见电路不见系统，只会简单计算，对电路设计望而却步，这些一直以来都是模电课程教学的痛点和难点。为解决这些问题，迫切需要开发一些与实际工程紧密结合的设计性创新实验项目，让学生接触工程实际，提高他们的动手实践能力和工程素养。

1  实验内容与可行性分析

本实验引入心电监护仪实际工程案例，将其前端模拟部分——心电前置信号放大器作为传统差分放大电路实验的应用拓展。心电前置放大器负责将微弱信号放大并处理为后级A/D转换器可以处理的电平，是典型的微弱信号处理电路，涵盖丰富的模拟电子技术知识，包括差分放大、共模信号、共模抑制比、频率响应、有源滤波等，通过实验能够有效锻炼学生综合应用知识解决实际问题的能力。

项目要求学生在充分了解心电信号特征的基础上，参考已有设计案例完成电路系统的原理图设计，运用理论知识对关键节点信号进行分析并计算电路的性能指标；基于Multisim软件进行仿真分析，研究电路参数对性能指标的影响，进而优化、改进电路设计方案；最后完成硬件电路的制作与调试，测试电路的性能指标。

实验项目的开展，从原理图设计到仿真验证再到硬件实现，有助于学生充分认识三者的关联性与差距，体会电源噪声、环境、信号源等对实际电路系统的影响以及解决思路，锻炼学生的动手实践能力，提升工程素养。

整个电路系统以集成运放为主，参考已有设计方案进行改良优化，项目难度适中，具有一定的趣味性，学生容易上手。硬件电路可以制作PCB电路板，也可以用面包板或万能板搭建电路，整个装置成本低廉，有利于在高校开展及推广应用。

2  心电前置放大器设计

2.1  心电信号特征及设计指标

常规心电信号一般比较微弱，幅度为10 μV～5 mV，典型值1 mV，频率范围是0～200 Hz，主要能量信号集中在0.05～100 Hz[2]。与普通信号源不同，心电信号的等效信号源内阻会随人体及环境的差异产生较大变化，其变化范围大约在数千欧到几百千欧之间。此外，心电信号还存在大量噪声，包括呼吸信号、肌电干扰（几百Hz以上）、50 Hz工频干扰、其他电磁设备的体外干扰等[3]。

为满足心电信号放大的特殊要求，前置放大器必须具有高输入阻抗、高共模抑制比、高增益及宽的增益调节范围等特性[4]，具体指标要求为：中频增益Aud≥500；输入电阻Rid≥20 MΩ；通频带BW为0.14～200 Hz；共模抑制比KCMR≥80 dB；50 Hz陷波中心相对误差小于1%。

2.2  心电前置放大器系统框图

心电前置放大器的系统组成如图１所示，包括测量放大器、低通滤波器、50 Hz陷波器和后级放大器四个部分。

测量放大器为系统主体部分，由三个运放构成，其作用是将差分心电信号转换为单端心电信号并进行放大，抑制混叠在心电信号中的交流共模干扰。由于放大器要求增益Aud≥500，为了减小基线漂移的影响，前级差放的电压增益不宜过高，可以设置为10倍，由后级放大器承担主要放大作用。低通滤波器的作用是滤除肌电干扰和其他高频干扰，高频截止频率为200 Hz。陷波器中心频率为50 Hz，用于消除工频干扰。

2.3  测量放大器

三运放构成的测量放大器如图2所示。运放U1A、U1B构成同相放大器与输入信号相连。引入的电压串联负反馈使两个输入端具有很高的输入阻抗，为了获得高共模抑制比，两个同相放大器应该具有高对称性，因此对元器件的精度要求较高。电容C3、C4对输入端进行阻容耦合，其对低频心电信号的容抗较低，同时可以防止电极极化电压带来的直流信号对信号放大造成影响[2]。电阻R1、R2起限流作用，防止突然输入过大的电流。U2A构成增益為1的差分放大电路，能够将前级的双端输出转变为单端输出，同时消除前级的直流偏置和共模输出成分，要求R6=R7=R8=R9。

根据运放工作在线性区时的“虚断”和“虚短”特性[5]，求得差模电压增益为：

取Avd1=-10，R4=2 kΩ，则R3=R5=9 kΩ。取R6=R7=R8=R9=50 kΩ。

2.4  低通滤波器

心电信号频率范围是0～200 Hz，低通滤波器-3 dB截止频率为200 Hz。心电信号具有脉冲波形特征，为保证信号不失真放大，滤波器应具有线性相移特性。贝塞尔滤波器具有线性相移特性，最适合用于心电信号的处理，因此采用贝塞尔二阶有源低通滤波器，电路结构如图3所示。为了保证通带内频率响应的平坦度，品质因数取Q1=0.707。滤波器的增益为Av2，电路参数设计如下：

取电阻R12=100 kΩ，则R13=58.6 kΩ，取常用电阻56 kΩ。

滤波器的上限截止频率为：

取C5=C6=43 nF，则R10=R11=18.5 kΩ，取18 kΩ。

2.5  50 Hz陷波器

采用双T结构陷波器，如图4所示。C7-C8-R14组成高通滤波器，R15-R16-C9组成低通滤波器，两者并联且截止频率相等。运放U3A连接成电压跟随器，用来隔离负载对陷波器的影响；U3B也接成电压跟随器，构成输出到输入的反馈。中心频率由双T网络决定，其中，C7=C8=C9/2；R15=R16=2R14；取样电路由R17、R18组成，改变R17、R18可调整反馈量的大小，从而改变品质因数Q2，并影响滤波带宽[5]。陷波器的幅频响应为：

陷波器的中心频率为：

刘玉梅等[6]设计方案，取R17=500 Ω，R18=100 kΩ。

2.6  后级放大器

图5为后级放大器，由运放U4A构成反相放大器。整个系统要求电压增益Aud≥500，前级测量放大器增益为Av1=-10，低通滤波器增益为Av2=1.56，则后级放大器需要的增益大小为|Av3|≥32。C10为耦合电容，防止前级输出的直流偏置被放大干扰有用信号。

后级放大器的电压增益为：

取R19=10 kΩ，R20采用500 kΩ的电位器，则反相器的增益最大可以达到-50，整个电路的电压增益调节范围约为15～750，满足电路的增益需求。

3  心电前置放大器的仿真与参数优化

利用Mulitism软件对整个电路进行仿真分析和参数优化。心电信号用两个峰值10 mV、80 Hz的信号来模拟，共模信号由50 Hz工频信号经两个电容分压后的输出来模拟。仿真分析主要内容包括以下四个方面。

1）前级测量放大器的电压传输特性：利用DC Sweep仿真功能测量电压传输特性，获得电路的线性输入范围Uid、直流偏置位置及电路的对称度，研究影响电路直流偏置和对称性的因素。

2）测量陷波器的频响特性及稳定性分析：利用AC Sweep仿真功能或波特测试仪测量陷波器的频率响应，计算误差范围。研究电阻R17、R18变化对陷波器频率响应的影响，分析电路的稳定性，优化电路参数。

3）系统频响特性及失真度分析：示波器观察整体放大效果，测量失真度。利用AC Sweep仿真功能或波特测试仪测量整个电路的频率响应，获得电路的中频增益、下限截止频率、上限截止频率。

4）测量输入电阻和共模抑制比。

3.1  前级测量放大器的电压传输特性

图6为前级测量放大器的电压传输特性。由图6可知，差模输入电压为0时，输出电压近似为零，说明电路的对称性较好。在电源电压为±5 V时，电路的线性输入电压范围Uid=-82～+92 mV，输出电压范围是-4.5～+4 V。

3.2  陷波器的频响特性及稳定性分析

利用波特测试仪测量陷波器中心频率、频带宽度和陷波深度，仿真结果如图7所示。陷波中心频率为50.16 Hz，相对误差为0.3%，频带宽度为3 Hz，满足设计要求。陷波深度约为6 dB，相对较小。

利用Parameter Sweep功能研究电阻R18对陷波器频响特性的影响。R18分别取100 kΩ、70 kΩ、40 kΩ、10 kΩ，仿真结果如图8所示。从结果来看，R18取值越小，陷波深度越大，同时相位变化也越大。当R18=10 kΩ时，相频特性出现较大的跳动，超越陷波中心较远处才能恢复到正常相位，这样会使心电波形产生较大的失真。通过以上分析和比较，重新选择R18=40 kΩ，此时陷波器的中心频率为50 Hz，陷波深度增大到13 dB。由此可见，陷波深度与稳定性是互相影响的，在设计的时候应当根据实际需求进行折中考虑。

3.3  系统频响特性及失真度分析

利用波特测试仪测量整个电路系统的频率响应及指标，仿真结果如图9所示。由图可以得到以下指标参数：中频差模电压增益Aud =502，上限截止频率为201 Hz，下限截止频率为0.024 Hz，陷波中心频率为50.1 Hz，相对误差0.2%，均满足设计要求。

如图10所示，在输入端同时加入80 Hz、2 mV差模信号和50 Hz、4 V共模干扰信号，用示波器观察电路的输入输出波形，所得仿真结果如图10所示，其中红色线代表输出信号。结果表明，在较强的共模干扰下，系统可以实现对差模信号的有效放大，共模干扰下电路的总谐波失真度约为1.23%。通过仿真发现，差模信号频率越低，电路的失真度越大。

3.4  输入阻抗和共模抑制比测量

采用电阻分压法测量输入阻抗[7]，如图11所示。用电压探针测得输入信号有效值为10 mV，经过10 MΩ电阻RM分压后，电压降为5.14 mV。则输入电阻为：

共模输入情况下电路的幅频特性如图12所示，共模增益为Auc=-113 dB。差模电压增益为Aud =54 dB。则电路的共模抑制比为KCMR=54+113=167 dB，满足设计要求。在整个通带内，共模增益曲线不够平坦，靠近截止频率附近，共模增益相对较大。

4  硬件实现与调试测试

本实验电路需要运用到七个单运放，可以选用四片低噪双运放OPA2207来完成。电路中的元器件参数多采用常见的标称值，运放选择直插封装，不需要用到贴片电容、电感，所以本电路可以在面包板上搭建。此外，还可以通过制作手工板或工厂打板，再进行焊接、调试实现本电路。本实验电路层次清晰，若在搭建电路中有些许失误可以通过轻易地断开前后级以定位问题位置，从而在不耗费学生大量时间的前提下提高学生分析、调试电路能力。

4.1  调试过程出现的问题及解决思路

电路调试是理论联系实际的重要环节。前述仿真结果显示本电路能够满足所有指标要求，但是仿真不能替代实际电路，这是因为实际元器件的参数存在分散性，现实世界中的某些效应，包括串扰、电子噪声、分布电容电感等难以建模，无法在仿真中体现[8]。因此，实现实际电路时，必然会与仿真结果存在一定偏差，甚至得不到所需结果。

4.1.1  直流偏置问题

本实验电路由于需要防止冲激信号与直流信号输入的影响，故采用阻容耦合方式输入信号。在实际调试中发现，电容在输入端会导致运放的输出端产生直流偏置，并且经过后级差动放大器后仍然存在较高直流偏置。大部分双运放采用5 V供电，而输出信号大约为5 V，这必然会产生非线性失真，得不到所需结果。此外，阻容耦合对低频信号影响较大，会减小通频带。

将输入端电容去除，改为直接耦合的方式输入信号，可以消除直流偏置。然而在实际应用中，需要电容以防止元器件损害，而电容产生的直流偏置不可避免，所以采取其他方法降低或消除直流偏置。

在输入端和地之间并联一个电阻，改变电阻的大小可以改变直流偏置情况，但因后级是直接耦合，能够放大直流信号，所以每一级都需要并联电阻，且电阻阻值需要不断更换以达到所需要的效果。

输入级运放采用正相输入，如果均改变为反相输出入，只要负反馈电阻阻值不过大，直流偏置可以忽略，并且实际运用中对相位没有要求，但同时会带来输入阻抗变小的问题。

4.1.2  数据测量中存在的问题

仿真软件功能丰富，而实际实验中往往不具备这些测量工具，实际测量采用的方法与仿真测量存在差异。实际测量指标时，由于多种原因造成某些指标难以测量或者无法测量，只能通过仿真进行理想状况下测量。在低频信号输入时，示波器采样频率过低导致屏幕刷新慢、波形显示卡顿等问题，而本实验要求低频信号最小为0.14 Hz，所以实际中难以测出低频时的-3 dB点。

输入阻抗的测量是通过在输入端串联电阻分压实现。如果输入5 mV信号，声音、工频噪声等会淹没小信号，示波器无法观察分压后的信号。如果输入更大的信号，本实验要求电路放大倍數为500倍，输入信号在放大500倍后，容易损坏运放。此外，要求20 MΩ输入阻抗较大，而本电路理论输入阻抗大于实测指标，需要在输入端串联大阻值电阻，不仅会有较大热噪声而且实际示波器的内阻不是无限大，当与大电阻并联测量电压时，示波器不能正确显示电压。可以考虑测量对应的输出电压来计算，但势必会引入附加的误差。

50 Hz陷波中心频率相对误差需要用波特仪进行测量，而大部分实验室不配备波特仪，所以相对误差不易精确测量。

4.2  问题探究

1）本实验提供三种方法减小或消除直流偏置，保证得到所需结果。通过对比三种情况的异同，查阅相关文献、书籍，提出大胆猜想，并通过进行其他电路仿真检验，探究直流偏置产生的原因。

2）从心电信号的频谱特征着手，进一步深入研究在心电信号放大与处理电路中，相频特性对稳定性和失真度的影响，50 Hz陷波器存在的利与弊，在此基础上探索更好的实现方案。

5  结束语

本创新实验项目引入了与课程知识密切相关的实际工程案例，在设计中融入工程思维，运用丰富的仿真工具和手段进行仿真分析与参数优化，开拓学生思维，在一定程度上解决了实验设备短缺的问题。通过问题探究激发学生兴趣，引导学生更深入地研究和解决相关的问题，培养学生的批判思维和科学精神。随着现代医学对心电检测设备性能要求的提高，心电前置放大技术会不断发展，项目会随着新技术的发展迭代更新，从而更加契合新时代创新人才培养的需求。

6  参考文献

[1] 李童，杨楠.新工科背景下学生友好型案例教学的理念、构建与实践[J].高等工程教育研究，2022（1）：29-34.

[2] 黄敏松，行鸿彦，刘建成.ECG监护仪前置放大电路的设计[J].现代电子技术，2007（16）：187-189.

[3] 严正国，史王莹，万景涛，等.基于Multisim工频信号陷波器的设计与仿真[J].工业控制计算机，2021，34（11）：135-137.

[4] 李佳阳，苏其瑜.基于Multisim设计的心电采集放大电路[J].甘肃科技纵横，2017，46（1）：30-33.

[5] 王卫东，李旭琼，孙堂友，等.模拟电子技术基础[M].4版.北京：电子工业出版社，2021.

[6] 刘玉梅，綦俊炜，任立群，等.基于PYNQ的传感器数据采集系统实验案例设计[J].实验技术与管理，2021，38（1）：58-64.

[7] 李淑明，严俊，刘贤锋.电路与电子技术基础实验教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2017.

[8] 陈之勃，陈永真.新版大学生电子设计竞赛硬件电路设计指导[M].北京：电子工业出版社，2013.