心電圖儀的研制

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1、第6卷第2期中央民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)1997年X心電圖儀的研制王靜(中央民族大學(xué)物理系,北京100081)摘要在對(duì)心電圖儀的研制過程中,整機(jī)應(yīng)用了優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想,并使這一設(shè)計(jì)思想付諸實(shí)施.關(guān)鍵詞:心電圖儀;濾波器;頻率特性心電圖儀作為生物醫(yī)學(xué)工程的一部分已是種類繁多,本文談到的心電圖儀的研制不僅是基于理論與實(shí)踐相結(jié)合,同時(shí)也可作為高?？蒲姓n題或是畢業(yè)實(shí)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)的多種考慮而研制的.心電圖儀首先是采用了“常規(guī)心電圖機(jī)動(dòng)態(tài)理論研究”的結(jié)果,整機(jī)應(yīng)用了優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想,從時(shí)域與頻域的結(jié)合上,統(tǒng)一地、全面地確定參數(shù),使在整機(jī)研制之前,即對(duì)

2、儀器的性能指標(biāo)、記錄信號(hào)的波形有了較清晰的了解,從而在具體研制心電圖儀的過程中,可保證儀器的各項(xiàng)性能指標(biāo)較全面地達(dá)到技術(shù)要求,這樣,可克服以往的設(shè)計(jì)、調(diào)試中,因參數(shù)的確立為個(gè)別、分散地進(jìn)行,而使一些指標(biāo)上升的同時(shí),卻使另一些指標(biāo)下降太多.同時(shí),本文談到的整機(jī)的研制過程還借助了計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的結(jié)果,使求出的結(jié)果更加準(zhǔn)確、清晰、快捷.11整機(jī)方框圖整機(jī)方框圖如圖1所示圖1整機(jī)方框圖整機(jī)首先選用校醫(yī)院提供的導(dǎo)聯(lián)選擇器引導(dǎo)人的體表電位差,其電位變化約為015～X本文1996年11月17日收到第2期王靜:心電圖儀的研制1375mv,頻率范圍在01

3、5～200Hz,心電圖儀的任務(wù)是忠實(shí)地記錄這種信號(hào),并加以放大,同時(shí)濾掉(抑制)其它頻段的各種干擾信號(hào).引導(dǎo)的心電信號(hào)先通過前置放大器,這里采用了具有高輸入阻抗、高共模抑制比和可變?cè)鲆娴娜\(yùn)算數(shù)據(jù)放大器作為輸入級(jí),且附設(shè)1mv的標(biāo)準(zhǔn)電壓發(fā)生器用以校正心電圖儀的靈敏度.主放大器包含兩部分:后級(jí)放大器和為記錄儀提供功率的功率放大器.主放大器在結(jié)構(gòu)上也是直流放大器,一般輸入級(jí)是由高輸入阻抗的差放電路構(gòu)成,其次是多級(jí)反饋放大器的構(gòu)成,如圖2所示.為了穩(wěn)定工作點(diǎn),提高線性度,抑制干擾,常常引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋,針對(duì)反饋網(wǎng)絡(luò)的多種形式,這里設(shè)其為一階

4、低通網(wǎng)絡(luò),則反饋傳輸函數(shù)為Vf(s)GF(s)==V0(s)S1+Xf其中G和Xf均為電路中的固有參數(shù),G是含電阻的靜態(tài)反饋系數(shù),Xf是反饋電路中含動(dòng)態(tài)元件及電阻的轉(zhuǎn)折角頻率.主放大器的功率是為推動(dòng)記錄儀,而記錄儀的頻帶很窄,若使反饋放大器在高頻段的增益提升,就要調(diào)整Xf以補(bǔ)償記錄儀高頻段增益的衰減,因此,在研究整機(jī)的頻率響應(yīng)時(shí),可將反饋放大器近似看成一個(gè)比例環(huán)節(jié),其反饋放大器的原理方框圖如圖3所示.設(shè)其總的放大倍數(shù)為A3,其傳輸函數(shù)可表示為A3A31SHf(s)==≈(1+)1+A3FA3GGXf1+1+S?Xf∵A3G>>1圖2多級(jí)

5、反饋放大器圖3反饋放大器的原理方框圖最后,記錄儀通常有點(diǎn)陣式記錄和描筆式記錄方式.前者機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,響應(yīng)頻率很高,但電路復(fù)雜,且熱點(diǎn)陣頭價(jià)格昂貴,后者因是采用描筆和恒速走紙進(jìn)行記錄,所以機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,響應(yīng)頻率較低,但電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,故這里選擇了描筆式記錄儀.設(shè)記錄儀的輸入信號(hào)是E,輸出信號(hào)是指針偏轉(zhuǎn)角度H,其傳輸函數(shù)為H(s)AnHn(s)==22E(s)S+2QXnS+Xn[3]這是個(gè)二階函數(shù),其Q是阻尼比,而Xn是記錄儀的固有角頻率.可見,記錄儀與低通濾波器(LPF)具有相同的數(shù)學(xué)模型,加上考慮到經(jīng)濟(jì)上的原因,故這里采用了二階的LPF

6、模擬仿真的記錄儀.級(jí)聯(lián)間的耦合電容C,因其RC時(shí)常數(shù)很大(秒量綱),故略去其對(duì)整機(jī)頻響中的影響.閉138中央民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第6卷鎖開關(guān)是在導(dǎo)聯(lián)切換時(shí)短路主放大器的輸入級(jí),以保護(hù)記錄儀的指針偏轉(zhuǎn)角度不致過大而受到損壞.21心電圖儀的理論研制211整機(jī)傳輸函數(shù)的建立若在整機(jī)研制之前,用計(jì)算機(jī)作一輔助優(yōu)化設(shè)計(jì),以便整體、全面地對(duì)各技術(shù)指標(biāo)有一清晰的了解,就要先建立起整機(jī)傳輸函數(shù).如前所述,設(shè)前置放大器的三運(yùn)放放大倍數(shù)為A1,主放大器的輸入級(jí)放大倍數(shù)為A2,并且A1、A2放大器對(duì)后級(jí)放大器來看為寬帶放大,所以可以看成是個(gè)常數(shù).多級(jí)反

7、饋放大器和記錄儀的傳輸函數(shù)分別為Hf和Hn,則整機(jī)傳輸函數(shù)SS1+1+A1A2AnXfXfH(s)=A1A2HfHn=2?=K(1)GXnSS2SS1+2Q+()1+2Q+()2XnXnXnXnA1A2A3其中,K=2為整機(jī)低頻增益.GXn212優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(1)式可知,技術(shù)指標(biāo)除了和放大倍數(shù)有關(guān),還和動(dòng)態(tài)參數(shù)Xf、Q和Xn有關(guān).當(dāng)選定仿真記錄儀之后,其頻率f也確定下來(40Hz).這樣,真正需要設(shè)計(jì)的是Xf與Q.為使整機(jī)性能達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì),通常需滿足約束條件.0≤Xf≤Xn0016≤Q≤1[3]在對(duì)整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能提出帶寬、定標(biāo)信號(hào)響應(yīng)理

8、想化和相頻線性度的三方面要求后,再對(duì)(1)式進(jìn)行離散化處理,則可建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)nn222f(Xf,Q)=6A[H(kTs-H0)]+6B[(i?$X)-di$X]+D(Xn-Xn0)(2)l=0l=