毕业设计（论文）基于EDA技术的人体微弱信号检测与抗噪研究

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1、 合 肥 学 院本科生毕业论文 (设计报告) 题目: 基于EDA技术人体微弱信号的检测及抗噪研究 -信号检测部分的设计与实现 系别: 电子信息与电气工程系 专业: 电子信息工程 年级: 01级 学号: 010203028 姓名: 朱 宏 亮 导师: 谭 敏（副教授） 目 录 任务书 3 开题报告4 摘要 51 背景介绍 7 1.1生物医学工程学 7 1.2生物医学信号检测与处理的意义 7 1.3生物医学信号的特点 7 1.4医学电子仪器的国内外进展状况82 生物医学信号采集处理系统概述 82.1生物医学信号采集处理系统的特点 82.2生物医学信号采集处理系统的原理 83 前置放大器的设计与实现

2、 93.1 生物电采集对前置放大器的要求9 3.2高精度仪表放大器AD620的原理9 3.3 带自举电路的前置放大器 11 3.4 前置放大器的具体实现 12 3.5 电路测试结果 14 3.6 PCB制板 164 滤波器的设计与实现 164.1 生物电采集系统对滤波器的要求 164.2 高通滤波器的设计与实现 174.3 基于开关电容滤波器（SCF）的ADC抗混叠处理 205 可控增益放大器的设计与实现 225.1 多路模拟开关CD 4051 225.2 可控增益放大器的原理分析 22 6 低噪声设计原理 24 6.1 热噪声 24 6.2 低频噪声 24 6.3 电子元器件的噪声 24 6

3、.4 前置放大器与输入源阻抗的合理匹配 25 6.5 反馈放大器噪声分析 267 抗干扰技术 26 7.1 屏蔽技术 27 7.2 接地技术 27 7.3 电源滤波 288 工作电源电路 29 9 结论 30 10 结束语 30 11 致谢词30 参考文献 31附录 1：前置放大器PCB板图 32 2：滤波器、可控增益放大器电路原理图 33 3: 模拟自适应滤波器原理34论文题目基于EDA技术人体微弱信号的检测及抗噪研究导师姓名谭敏主要内容及设计要求本研究课题属于生物医学信号检测和处理领域。人体的生物电信号属于强噪声背景下的低频弱信号，由于人体多种生物电信号和各种噪声的交织，以及测量系统本身的

4、影响，使得人体信号的测量及传输成了难度较高的技术。要求：1、设计制作一前置放大器，其性能指标为：差模电压增益：401000倍差模输入阻抗：10M共模抑制比：110dB工作频带：0.05Hz1kHz 2、数字信号处理 基于现代DSP技术设计一滤波器，对前置放大器采集的信号进行处理。参考文献Willis.J.Tompkhs 著 林家瑞译 生物医学数字信号处理 华中科技大学出版社 2001年张彦平、余 平 电磁辐射对神经行为和生物电的影响 环境与健康杂志 2003 20(1) : 53-55吴小培 采用独立分量分析方法消除信号中的工频干扰 中国科学技术大学学报 2000 30(6) 671-676李

5、刚 、林凌 新型的高性能生物电放大器 电子产品世界 2002 11：52-53潘松 现代DSP技术 西安电子科技大学出版社宋万杰. CPLD 技术及应用 西安电子科技大学出版具有的设计条件1、 存储示波器、常用电子仪器、电子器件2、 DSP开发系统、QuartusII 、DSP Builder 3、 医用换能器4、 计算机计划学生数及任务分配任务一：设计制作一前置放大器（1人）1、查阅参考文献及相关资料，分析人体生物电信号的特点；2、分析生物医学信号采集系统的特点，并了解国内外发展状况；3、分析信号采集过程中噪声产生的原因，提出抑制噪声的方法；4、设计制作一符合要求的前置放大器。任务二、数字信

6、号处理（1人）1、查阅参考文献及相关资料，分析人体生物电信号的特点；2、掌握生物医学信号采集与处理系统的原理；3、分析前置放大器采集信号中存在的噪声信号的特点及规律4、基于现代DSP技术设计一数字滤波器合肥学院毕业设计任务书合肥学院毕业设计（论文）开题报告学生：朱宏亮 班级：01电子本（3）班论文题目基于EDA 技术的人体微弱信号的检测及抗噪研究 -信号检测部分的设计与实现导师姓名谭敏（副教授）可行性方案分析设计思想：由于人体生物电信号十分微弱,且很大一部分能量分布在50HZ左右，所以常被强烈的50HZ的工频干扰所湮没.为了能够准确地从强噪声背景中提取出信号,这就要求生物电前置放大器具有很高的

7、精度和抗干扰性能. 另外,为了减小放大器对信号源的影响，放大器的输入阻抗应尽量高.为此,将前置放大器的设计目标定位于高输入阻抗和高共模抑制比. 由于在某种特定信号(如心电信号)检测过程中,其它的人体生物电信号(如肌电)也会混入放大器中, 所以仅仅依靠高性能的前置放大器仍然不能得到纯净的目标信号. 这就需要对前置放大器检测到的信号进行滤波处理。为了实现前置放大器的输出双极性信号与ADC的05V输入电平相匹配，还需对前置放大器的输出信号进行电平的衰减和平移，达到ADC的输入电平范围。考虑到Nyquist采样定理，为了使AD转换时不发生频谱混叠现象，需要设计一个抗混叠低通滤波器对信号滤波，滤去高频噪

8、声。技术路线：根据上述设计要求,采用高精度仪表放大器芯片AD620作为前置放大器的主要器件.其外围元件采用低噪声元件.为了进一步提高共模抑制比,电路加入屏蔽驱动和浮地技术.本论文以心音与脉搏信号为例,设计两路二阶有源高通滤波器.分别对心音与脉搏信号进行滤波,滤除直流分量和目标信号频谱以外的低频非目标信号。采用模拟开关和运放设计可控增益放大器，通过FPGA的反馈控制信号来调节其增益。最后，采用先进的开关电容滤波器来设计抗混叠低通滤波器。流程图如下所示：人体电极或医用换能器高通滤波可控增益放大器抗混叠滤 波前置放大参 考文 献1 Willis.J.Tompkhs 著 林家瑞 译 生物医学数字信号处

9、理 武汉 华中科技大学出版社 2001年2 李刚 、林凌 新型的高性能生物电放大器 电子产品世界 2002 11：52-533 吴小培、詹长安，周荷琴，冯焕清 采用独立分量分析方法消除信号中的工频干扰 中国科学技术大学学报 2000 30(6) : 671-6764 潘松 现代DSP技术 西安电子科技大学出版社5 张彦平、余 平 电磁辐射对神经行为和生物电的影响 环境与健康杂志2003 20(1) : 53-556 刘丁 采用MSP430设计的12位心电（ECG）放大器 21IC中国电子网 2004-12-5开题报告小组及教研室意见题目符合专业教学要求。在开题答辩会上，对人体微弱信号的检测原理

10、和方法分析清楚，设计思想正确，采取的技术路线可行，总体方案合理。能很好地运用本专业所学知识。经开题小组和教研室研究和讨论，一致同意开题。开题小组签名 胡敏 周宏 谭敏05 年 03月 25日基于EDA技术人体微弱信号的检测及抗噪研究 -信号检测部分的设计与实现 摘 要本论文的研究课题是院自然科学基金资助项目。人体微弱信号的检测及抗噪研究属于生物医学工程领域。本文根据人体生物医学信号的特点，基于EDA技术，设计并实现了一套生物医学信号检测与处理系统。该系统通过医用换能器采集微弱的人体生物医学信号，经前置放大器放大、模拟滤波器滤波、AD转换后送给数字滤波器进行抗噪处理。该系统由于采用了高精度的仪表

11、放大器和现代数字信号处理技术，采集的生物电信号相当准确，能够满足临床医学应用的需求。本文的主要内容如下：1. 提出了采用高精度的仪表放大器(Instrumentation amplifier)AD620设计一前置放大器对生物电信号进行放大. 该放大器具有输入阻抗高、共模抑制比高、低噪声等优点，在强噪声背景下仍能准确采集到微弱的生物医学信号。2. 针对有用信号的频谱范围设计两路有源高通滤波器HPF1与HPF2，截止频率分别为0.05HZ和 20HZ，对前置放大器输出的信号滤波，滤除直流分量和低频干扰，提取有用信号。2. 设计一可控增益放大器，该可控增益放大器可以实现电平匹配，将输出的任意幅度的信

12、号放大或衰减为ADC的输入电平范围。4. 为了满足Nyquist采样定理，保证ADC采样不发生频谱混叠现象，采用先进的开关电容滤波器(SCF)设计一款抗混叠低通滤波器。该低通滤波器结构简单灵活，参数易调，经过测试，滤波效果很好。经过AD转换，将模拟信号转化为数字信号。数字信号处理部分，采用基于EDA技术的自适应滤波器对信号进行抗噪处理。最后，在通过分析实验数据和观察结果的基础上，提出了一种模拟自适应滤波器。该滤波器可以通过纯模拟的方法实现自适应滤波，在消除50HZ工频干扰的同时保留50HZ信号分量，实现了带阻陷波器无法实现的无损滤波。但由于时间有限，没有进行系统的实验，只是一种未成熟的想法，故

13、将它安排在附录中，本人会在今后的工作中实验并完善。关键词：生物医学工程、仪表放大器、前置放大器、高共模抑制比、低噪声 、开关电容滤波器、EDA技术、FPGA、自适应滤波器.The acquisition and anti-chirp research for human bodys weak signal based on EDA technology- The design and realization of the signal acquisition part. AbstractThe subject of research for this thesis is a project t

14、hat is subsidized by the natural science foundation of the Hefei University. Biomedicine signal acquisition and processing belongs to the bio-medical engineering domain. According to the characteristics of the biomedicine signal, and based on the EDA technology, This paper has designed and realized

15、a set of system to process biomedicine signal. This system acquires the weak bioelectrical signal through the medical transducer. After the signal passes through the pre-amplifier to amplify、filter and analog to digital converting, it gives the digital filter for anti-chirp processing. Because this

16、system has used the high accuracy instrumentation amplifier and the modern digital signal processing technology, the bioelectricity signal acquired is quite accurate, and it can satisfy the demand of clinical medicine application. The papers main researching content is as follows:Firstly, the paper

17、has put forward that adopting the high-accuracy instrumentation amplifier AD620 to design a pre-amplifier for amplifying the electric signal of living beings. Since this pre-amplifier have advantages of high input impedance, high common mode rejection and low noise altogether, it can still acquire t

18、he faint electric signal of living beings accurately under the strong noise background.Secondly, designing two active high-pass filter, carry on filtration to the signal the pre-amplifier output, filters weight of direct current and the noise of low frequency. Thirdly, Designs a gain controllable am

19、plifier. This amplifier can realize the level match, free scope signal will amplify or weaken to ADC input level range.Fourthly, In order to satisfy the Nyquist sampling theorem, making sure that the ADC sampling does not have the phenomenon of the frequency spectrum aliasing, we use the advanced sw

20、itch capacitor filter (SCF) to design an anti-aliasing low pass filter. Through the sample of ADC, the analog signal acquired is converted into digital signal. In the digital signal processing part, the auto-adaptive filter based on EDA technology is applied to carries on anti- chirp processing to t

21、he signal.At last, on the basis of analysis observation result of the experiment, we have proposed a kind of analog auto-adaptive filter implementation method. This filter can realize self-adaptation filtration through the pure analog method. Keep 50HZ signal weight while dispelling 50HZ interfere,

22、it realized the no-loss filtration which notch cant realize. Keywords: Biomedical engineering, Instrumentation amplifier, Pre-amplifier, High common mode rejection ratio, Low noise, Switch-capacitor filter, EDA technology, FPGA, Auto-adapted filter.第1章 背景介绍1.1 生物医学工程学生物医学工程（Biomedical Engineering, B

23、ME）是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的新兴边缘学科，其基本任务是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题，揭示人体奥秘，造福人类。其主要研究方向包括：生物系统建模与仿真、生物医学信号检测与分析、生物医学成像和图像处理、电磁场生物效应、人工器官以及相关的生命科学医疗仪器研制等。目前，生物医学工程学的主要分支领域有：生物力学和生物流变学，生物材料和人工器官，生物系统的建模和控制，生物医学信息的检测和处理，医学或图像处理，现代医疗仪器的研制与开发，医院信息管理，光子医学生物学，计算机辅助医学诊断等。1.2 生物医学信号检测与处理的意义生物医学信号的检测与处理属于生物医学

24、工程学范畴，是它的一个主要分支领域。 人体含有大量医学中有用的生理信号，诸如心电、肌电、脑电、心音、脉搏等生理信号，它们从一定程度上表征着人体的健康状况。以心音信号为例，心音信号是临床评估心脏功能状态的最基本方法，是心脏及大血管机械运动状态的反映，当心血管疾病尚未发展到足以产生临床及病理改变以前，心音中出现的杂音和畸变是主要的诊断信息。生物医学信号的检测、分析和处理在医学研究和临床诊断与治疗中具有十分重要的意义。 1.3生物医学信号的特点生物体内可兴奋性细胞在进行生命活动的过程中，总是伴有电的变化，即生物电活动。对于某一特定组织，其生物电活动具有一定的规律性。这些常用的生物医学信号，具有如下特

25、点：（1）信号微弱：电压低，仅为uVmV数量级；电流小，达nApA水平。（2）频率低：约从0到1KHz。（3）信号源内阻高：包括组织电阻，细胞膜电阻及微电极电阻等，可达几千欧数万千欧。（4）随机性强,易为干扰和噪声所掩蔽： 生物电之间的相互干扰，如肌电对心电、肌电对脑电等的干扰。50Hz（美国，日本为60Hz）交流电源产生的工频干扰。电极极化电压的干扰。空间电磁波干扰，如汽车引擎火花塞的电磁波干扰，手机信号干扰等。上述特点决定生物医学信号采集处理系统设计中的关键是：前置放大器的设计。它必须具备高增益、高输入阻抗、高共模抑制比、高安全性、低噪声等性能。表格 1.1 典型人体生理电信号的幅值和频率

26、范围生理信号 典型幅值 频率范围心电（ECG）脑电（EEG）肌电（EMG）眼电（EOG）心音（PCG）呼吸50u 50mV1 10uV20uV 10mV10u V 4mV-美国心脏协会规定的0.051KHz1100Hz10 10KHz0.1 100Hz20 600Hz0.15 1.5Hz 1.4 国内外的进展状况 技术上微电子化智能化组合化和遥测化成为当今医学电子仪器的发展方向。信号处理的方式也从传统的模拟技术发展到现在的数字信号处理（DSP）技术，且数字处理方法多种多样：如有限冲激响应滤波器（FIR），无限冲激响应滤波器（IIR），整数型滤波器，自适应滤波器等。这些年来，又发展出了基于独立分

27、量分析（Independent Component Analysis）方法进行生物医学信号处理。 国外已研制出多种高性能的生物信号采集处理系统。埃德仪器公司生产的PowerLab系列是较好的应用于科研教学的生物医学信号采集处理系统。国内也有南京美易科技有限公司生产的MedLab生物信号采集处理系统。 目前，国内在生物医学信号检测方面还处在发展阶段。第2章 生物医学信号采集处理系统概述2.1 生物医学信号采集处理系统的特点生物医学采集处理系统是一种可以检测、分析和处理多种生物医学信号的多功能系统。它由硬件系统和软件系统组成，具有如下特点：（1） 通用性强，更换医用换能器或电极可采集到如心电、肌电

28、、心音、脉搏等多种生理信号。（2） 前置放大器输入阻抗高、噪声小、共模抑制比高、抗干扰能力强。（3） 信号采集的频谱范围有限：大约在0.05Hz-1KHz之间。（4） 软件系统中有诸如平滑、滤波等功能的实时处理程序，且预留空间，允许用户添加程序。2.2 生物医学信号采集处理系统的原理生物医学采集处理系统一般由信号源、传感器、信号放大、信号处理、显示生物体电极或医用换能器信号放大信号处理显示图2.1 生物医学采集处理系统一般原理图五部分组成、如图2-1所示： 本次设计的生物医学采集处理系统由传感器、前置放大器、模拟滤波器、程控增益放大器、A/D转换器、DSP处理器和输出显示等几部分组成。其原理方

29、框图如图2-2所示：生理信号由传感器进入前置放大器，经前级放大后，由二阶高通滤波器滤除直流或低频成分干扰信号（该系统含两路高通滤波器，下截止频率分别为0.05HZ和20HZ，可分别对脉搏和心音信号滤波。）。再经程控增益放大器放大或衰减为ADC的输入电平范围。为满足奈奎斯特采样定理，信号由八阶低通开关电容滤波器进行ADC的抗混叠滤波，再经AD转换后送给FPGA芯片进行抗噪处理。FPGA芯片根据信号的幅值产生控制信号来控制程控放大器的增益以得到幅值大小满足A/D采集要求的信号。信号进入FPGA芯片后由基于现代DSP技术的自适应滤波器跟踪滤除50Hz(美国、日本为60Hz)工频干扰信号，得到较好的目

30、标信号。此时DSP处理器中若加入了用户程序，则运行用户处理程序后将结果送到计算机显示，否则直接送计算机显示。电极或医用换能器前置放大器高通滤波器程控增益放大器FPGA芯片 DSP处理显示器抗混叠低通滤波器A/D转换器图2.2生物医学采集处理系统实现原理框图 第3章 前置放大器的设计与实现3.1 生物电采集对前置放大器的要求 前置放大是生物电数据采集的关键环节。由于人体心电信号十分微弱，噪声背景强且信号源阻抗较大，因此，通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能，设计时一般都采用差分放大电路。一般情况下,被采用的放大器主要是分立的三运放

31、构成的仪表放大器,和集成三运放的仪表放大器.用集成的仪表放大器构成的前置放大电路具有如下优点:1、共模抑制比高。2、电路简单，可靠性高。3、节省元器件，节省电路板空间。本设计选用集成仪用放大器AD620作为前置放大器。AD620输入端采用超处理技术，具有低输入偏置电流、低噪音、高精度、较高建立时间、低功耗等特性，共模抑制比可达130dB，其增益可调（范围约11000倍），非常适合作为医疗仪器前置放大器使用。3.2高精度仪表放大器AD620的原理- 35 - - 如图3-1所示是内部集成三运放的仪表放大器AD620。它由两级放大器组成，第一级是由运放A1、A2和电阻R1、R2及外接增益调节电阻R

32、g组成的同相输入式并联差分放大器，具有非常高的输入阻抗。第二级由运放A3和电阻R4、R5、R6、R7组成的差分放大器，可将双端输入变为单端输出以适应后级电路的要求。 表格 3.1 AD620的特性参数 图 3.1 AD620的内部简化原理图假设运放A1、A2、A3都具有理想运放特性，电阻R4=R5=R6=R7时，输出电压由下式确定： （3-1）可见此电路对差模信号的增益为，对共模信号的增益为零，即电路的共模抑制比趋于无穷大。实际上，运放A1、A2、A3的共模抑制比有限，且R4、R5、R6、R7的阻值也不可能完全匹配。考虑到这些因素的制约后，仪用放大器的共模抑制比可由下式确定： （3-2）式中：

33、=,为第一级放大器的差模增益，为第一级放大器的共模抑制比，为第二级放大器的共模抑制比。 由式（3-2）可见，仪用放大器的CMRR与、有关，以及越大，则仪用放大器的CMRR也越大。 仪用放大器的第一级放大器的共模抑制比由式（3-3）确定： （3-3）式中：CMRR1为A1的共模抑制比，CMRR2为A2的共模抑制比。由式（3-3）可见， 的大小与A1,A2的匹配程度有关。集成化的仪表放大器AD620，其A1，A2能达到很高的匹配程度。芯片封装后，R4，R5，R6，R6通过激光微调技术提高电阻网络的匹配程度。所以集成仪表放大器AD620具有很高的共模抑制比。3.3 带自举电路的前置放大器为了使电路的

34、共模抑制比进一步提高，可采用图3-2所示的带共模自举和屏蔽驱动技术。图3.2 带共模自举和屏蔽驱动技术的前置放大器 图3-2中的集成运放A4从两只电阻R的中点取出第一级运放输出的共模电压反馈到正负电源的公共端，使运放电源电压跟随输入共模电压浮动，从而使各级偏置电压都跟踪共模输入电压。则各级共模信号大大削弱，使前置放大器的共模抑制比提高了CMRR4倍。另外，仪表放大器输入电阻很高，为防止外界改用一组浮置电源（不共地）供电。由图可见，浮置电源公共端N点的电位与输入共模电压Uic相同，即UN=UM=(U01+U02)/2=(Ui1+Ui2)/2=Uic。因此，对于运放A1、A2来说，输入共模电压相当

35、于零，从而有效地消除了共模干扰的影响。另外，仪用放大器输入阻抗很高，为防止外界信号对输入线的干扰，通常采用屏蔽并接地的方法来防止干扰。这样输入电缆的两条芯线与屏蔽层之间形成了两个分布电容C1和C2，两条芯线存在着漏电阻Rs1和Rs2，设Rs1和Rs2中也包括了信号源内阻。于是C1、Rs1和C2、Rs2在仪用放大器输入端形成了RC分压器。如图3-3所示，若，则交流共模干扰便会在仪用放大器的两个输入端之间形成差模误差信号，仪用放大器的输出信号中就会出现共模误差电压，降低了放大器的共模抑制能力。图3.3 分布参数对CMRR的影响若电缆的屏蔽层不接地，如图3-2所示那样，接到图中N点，形成共模驱动屏蔽

36、。这样电缆屏蔽层上的电压就能跟踪输入共模电压的变化，两条芯线与屏蔽层之间就没有共模电压差存在，较好地解决了长线传输时交流共模干扰的问题。3.4前置放大器的实现如图3-4所示为前置放大器的具体实现电路图。增益计算公式为：，Rg=2R/R4 （3-4） 取R=10K，R4=50 ,则Rg=2R/R4=49.9.计算得差模增益Gain=1000。并联电容C可在信号到达运放前旁路掉高频噪声。图中运放U2作为一个电压跟随器将第一级放大器输出的共模电压直接接到电源的公共参考点上，而正负电源的公共参考点不接地（浮地），这样对于仪表放大器而言，工作电源随共模电压一起变化，从而抵消共模信号。同时，输入换能器或电

37、极的连线也与浮地点相连，达到共模驱动的目的。这样就大大的提高了共模抑制比。 在电极提取生物电信号时，与电极接触的是电解质溶液，当电流流过电极时，在电极溶液间存在数百毫伏的直流电位差，称为电极的极化电压。而输入电极的极化电压不可能完全相等，存在极化电压差。此时若第一级放大倍数过大，会使第二级运算放大器输入差分信号过大，造成运算放大器工作在非线性区，极大的限制了运算放大器的动态工作范围。因此必须在电路中加入滤除直流成份的高通滤波器。图中运放U3和电阻R11，R12，电容C11，C22构成二阶高通滤波器HPF1，当R11=225K,R12=450K,C11=C12=10时,其上截止频率是0.05HZ

38、 ，有效滤除极化电压的影响，提高了运放的动态工作范围，从而进一步提高了共模抑制比，同时减少了1/f噪声干扰。滤波器的详细介绍将在第四章进行。图3-4前置放大器电路原理图 3.5电路测试结果 通过测试得到前置放大器的各项指标，如下所示：共模抑制比CMRR127.5dB输入阻抗 Rin=1000M （AD620的输入阻抗）增益Gain=11000 （ 增益电阻开路时Gain=1,增益电阻取49.4时 Gain=1000） 均达到了论文任务书的要求。 具体测试过程如下:差摸增益的测量：在增益电阻取50，电源电压为12V时，输入端加上50HZ、峰-峰值2mV 的正弦波，测得输出电压峰-峰值为19.64

39、V,计算得差模增益Gain=982。差模增益理论计算值为990。误差主要是由于电阻的误差造成的。共模增益测量：在电源电压为12V时，联接两输入端IN1 ,IN2, 加上50HZ，12V的共模电压Vcom，如图3-4所示，用示波器测得输出电压.共模增益为 经计算得共模抑制比为： 由于AD620的输入阻抗高达1000M，而电极的输出阻抗一般低于10M，脉搏和心音换能器的输出阻抗一般为几千欧至几十千欧。所以信号源的阻抗对放大器几乎没有任何影响。 图3.5 共模增益的测量电路 在测试中，把脉搏换能器的输出端接在前置放大器的输入端，用存储示波前置放大器的输出端检测到了清晰的脉搏信号，如图3-6所示。 图

40、3-6(a) 未加屏蔽驱动和浮地技术时用存储示波器测得的前置放大器输出的脉搏信号波形图3-6（b）加了共模驱动和浮地技术时用存储示波器测得前置放大器输出的脉搏信号波形由图可以看出来,未加屏蔽驱动和浮地技术时输出信号波形上叠加了很大的工频干扰。采集心音信号时，直接从前置放大器的输出端取出的信号是夹杂了很多其他低频人体生物医学信号的模糊波形，心音信号已被淹没，而且从图3-6中可以看出波形含有很大的直流分量。考虑到心音信号的频谱范围是20600HZ ，将信号再经过一路高通滤波器HPF2的滤波得到了较清晰的心音信号波形，消除了低频干扰和直流成分，如图3-6所示。图3.6（a）未加高通滤波器时采集系统输

41、出的心音信号（被湮没在噪声中）图3.6(b) 加了高通滤波器时采集系统输出的心音信号 （脱颖而出） 3.6 PCB制板检测人体微弱信号的前置放大器对抗干扰性能要求很高，在制作其PCB板（Printed Circuit Board 印刷电路板）时应注意以下几点：（1） 电源去耦电容尽量靠近芯片的VCC或VEE端。（2） 输出端与输入端尽量远离。（3） 放大器输入阻抗很高，易受干扰，在布线时，应使输入线尽可能短且对称。（4） 接地线应宽而短，以尽可能减小地阻抗，且要注意一点接地。（5） 为了增加电路的抗干扰性能，在电路板上布上大面积的栅格网络。（6） 共模驱动运放U3工作时热量大，应注意通风散热。

42、第4章 滤波器的设计与实现4.1 生物电信号采集系统对滤波器的要求在生物电信号采集过程中，不可避免的会混入各种干扰，因此想要得到清晰稳定的生物医学信号，滤波器的设计很关键。干扰的来源主要有三类。第一类是各种电子设备辐射出的高频噪声。第二类是市电的50HZ工频噪声，这类噪声很明显。第三类是直流或低频干扰，例如心电信号采集过程中，电极与皮肤之间产生的直流极化电压；在脉搏信号采集过程中，病人手的运动产生的低频干扰信号（约零点零几赫兹）造成有用信号的基线漂移；心音信号采集过程中，呼吸和肌肉的运动会产生低频干扰。这些直流或低频干扰幅值很高，易使放大器进入非线性区。为此需要设计多个滤波器对信号滤波。本论文

43、针对脉搏与心音信号的采集设计两路高通滤波器和一路共用的低通滤波器（ADC的抗混叠滤波器）。工频50HZ滤波处理将在数字滤波器部分介绍。采用的滤波器是基于EDA技术的自适应滤波器。这种滤波器能够抑制50HZ的工频干扰而保留50HZ的信号分量。是一种新型的数字滤波器。表 4.1 本次设计的滤波器一览表截止频率作用电路拓扑结构主要器件高通滤波器10.05HZ滤除直流和低频噪声Butterworth 2阶sallen-key运放OP27高通滤波器220HZ心音信号采集专用，滤除其他低频生物电信号Butterworth 2阶sallen-key运放OP27低通滤波器（ADC的抗混叠滤波器）1KHZBut

44、terworth 8阶开关电容滤波器（SCF）MAXIM公司的SCFMAX74804.2高通滤波器的设计与实现4.2.1 低噪声运算放大器OP-27 OP-27是高共模抑制比（CMRR）、低漂移、高速、低噪声运算放大器。工作电源电压为15v，在工作电压为15v，温度25C的环境下，OP-27E的CMRR为126dB，在测试信号为10Hz时，输入端等效噪声En为3.5,等效电流In为1.7 。引脚图如图4-1所示。 图4.1 OP27引脚图 4.2.2采用sallen-key拓扑结构的滤波电路 sallen-key结构的二阶高通滤波器如图4-2所示，这种结构的滤波器的优点是外围元件的参数漂移对滤

45、波器的性能影响很小，使电路的稳定性得到保证。（该滤波器也可以用软件设计 。其软件是：Analog Filter v1.0 可以在图 4-2 二阶高通滤波器滤波器的传递函数是 （4-1） 电阻，电容的计算公式如下: （1）. P=R2/R1 (4-2) （P值最好为0.110，P可以用于优化元件值，或元件发散比。例如可以改变P值，是C2等于期望值，便于购买）。 （2）. (4-3) （3）. (4-4)（4）. (4-5) （5）. (4-6)（6）. （4-7） 通过选择，,计算得HPF1的 R，C值为：R1=225K，R2=450K，C11=10，C12=0，C3=10.通过选择，计算得HP

46、F2的 R，C值为：R1=2.8K，R2=5.6K，C11=1.，C12=0，C13=1.HPF2的频响曲线如下 图 4.2 HPF2的幅频特性曲线4.3基于开关电容滤波器（SCF）的ADC抗混叠处理为数据采集系统选择合适的低通（抗混叠）滤波器可以根据Nyquist采样定理，将滤波器的转角频率设为Nyquist采样频率的1/2即可。但是设计一款能瞬间从+1V/V增益转换到零的“砖墙式” 滤波器是不切实际的。因此，实际应用中常取采样频率为35倍的信号最高频率或更高的频率。也可以采用尽量逼近“砖墙式”的滤波器。如开关电容滤波器(SCF).20世纪80年代技术改造一个重大课题是实现各种电子系统全面大

47、规模集成（LSI）。使用最多的滤波器成为“拦路虎”，RC有源滤波器不能实现LSI，无源滤波器和机械滤波器更不用说了，于是，人们只能另辟新径。50年代曾有人提出SCF的概念，由于当时集成工艺不过关，并没有引起人们的重视。1972年，美国一个叫Fried的科学家发表了用开关和电容模拟电阻R，说SCF的性能只取决于电容之比，与电容绝对值无关，这样才引起人们的重视。1979年一些发达国家单片SCF已成为商品（属于高度保密技术）。现在SC技术已趋成熟。SCF采用MOS工艺加以实现，被公认为80年代网络理论与集成工艺的一个重大突破。当前MOS电容值一般为几皮法至100pF之内，它具有（10100）10-6

48、/V的电压系数与（10100）10-6/的温度系数，这两个系数几乎接近理想的境界。SCF具有下列一些优点：SCF可以大规模集成；SCF精度高，因为其性能取决于电容之比，而MOS电容之比的误差小于千分之一；功能多，几乎所有电子部件和功能均可以由SC技术来实现；比数字滤波器简单，因为不需要A/D、D/A转换；功能小，可以做到小于10mW。-SCF的应用以声频范围应用为主体，工作频率在100kHz之内。在信号处理方面的应用有：程控SCF、模拟信号处理、振动分析、自适应性滤波器、音乐综合、共振谱、语言综合器、音调选择、语声编码、声频分析、均衡器、解调器、锁相电路、离散傅氏变换 总之，SCF在仪表测量、

49、医疗仪器、数据或信息处理等许多领域都有广泛的应用前景。4.3.1 开关电容滤波器MAX7480本论文采用MAXIM公司的集成8阶开关电容滤波器MAX7480。MAX7480是一款低失真低功耗的8阶Butterworth低通滤波器，工作于+5V的单电源电压下，转角频率可以通过外加脉冲或外接电容设置为12KHz，失真小于-73dB，输出失调电压小5mV，工作模式下静态电流小于2.9mA 关闭模式下静态电流小于0.2.器件引脚图如图4.5所示。 图 4.5 MAX7480的引脚图4.3.2 具体电路实现MAX7480使用极其方便，通过在CLK端外加时钟脉冲就可以设置滤波器的转角频率。与的关系是：=/

50、100 (4-8)或者也可以使用芯片内部的振荡器获得时钟频率，这时需要在CLK端外接电容，与的关系是: , (4-9) 由于本系统只需600HZ和1KHZ的转角频率,故采用外接电容法.通过跳线开关 选择一个电容. 经过计算得到分别为:=600HZ时, =1060PF;=1KHZ时, =530PF 。电路如图4.6所示 图 4.6 抗混叠滤波器实现原理图=1KHZ时,电路的频率响应曲线如图4.7所示：图4.7 滤波器的频率响应曲线通过存储示波器观察到前置放大器输出的脉搏信号经过低通滤波器滤波之后,叠加在信号波形上的毛刺(高频噪声)明显减少.如图4.8所示: 图4.8(a) 未加低通滤波器时系统的

51、输出脉搏信号波形 （含有高频噪声） 图4.8（b）加了低通滤波器后系统输出的脉搏信号波形 （眉清目秀） 第5章 可控增益放大器的设计与实现在很多实际的数据采集系统中，前置放大器输出的都是左右的双极性信号，而现在大多数的和数字集成芯片则常常使用较低的单电源电压来进行供电。新型在低供电电压时大多采用差分输入方式以获得较好的共模抑制比和较好的抗干扰性能，因此，具有输入范围的单端仪用放大器与只有差分输入范围的级联就成为一个比较棘手的问题，为此，设计时必须对输入信号进行衰减和平移，为此,我们针对本次设计的前置放大器输出信号的幅度范围设计了一款可控增益放大器.如图5-1所示,实现了信号可控衰减和平移的功能

52、.5.1多路模拟选择开关CD4051CD4051是单八通道双向模拟选择开关，电源电压典型值是15V,导通电阻Ron=80,导通电阻路间差Ron=5,开关关断下的漏电流I=0.08A，开关转换时间=120s.功能如表5.1所示， 表 5.1 CD4051的功能表INHC B A公共通道I/O接向通道:INHC B A公共通道I/O接向通道:00 0 0 001 0 1 500 0 1 101 1 0 600 1 0 2 01 1 1 700 1 1 3 1X X X 关01 0 0 45.2可控增益放大器的原理分析本次设计的可控增益放大器由两级组成，如图5.1所示： 图 5.1 可控增益放大器的

53、实现原理图第一级的功能是通过FPGA的反馈信号或手动按键调节放大器的增益，使第一级输出电压保持在-2.5 +2.5V范围之内。第二级是一个加法电路，实现的功能是将第一级输出电压提升2.5V，输出0 5 V电压以便与ADC的输入电压相匹配。 采用手动按键调节时，电路的工作过程是：手动按键产生计数脉冲给计数器74161，计数器的的输出端Qc Qb Qa共产生8种输出组态，作为CD4051的控制信号。输出Qd作为清零信号实现8进制计数。采用FPGA反馈信号来调节增益时，电路工作过程是：下载到FPGA的DSP处理程序根据信号的幅度反馈一个增益控制信号给CD4051的控制输入端，实现增益的自动控制（AGC）。CD4051的输入控制信号CBA的8种组态分别控制8个通道接向公共I/O端，使放大器获得8种反馈电阻值，实现8种增益。该系统的前置放大器输出电压幅度较大，可达10V，所以该级放大器主要实现信号衰减。Rin取10K，分别取 1K，2K，3K，3.9K，5.1K，6.8K，10K，20K。可实现的放大倍数为：0.1，0.2，0.3，0.39，0.51，0.68，1，2。 第二级加法电路实现电位提升的原理是： (5-1)