心電信號(hào)采集的硬件電路設(shè)計(jì)

1、浩銘科技工作室 下屬中國蓮溪書院發(fā)布技術(shù)文檔 版權(quán)所有心電信號(hào)采集的電路設(shè)計(jì)1.1 心電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)要求通過前面的分析得出心電信號(hào)是一種典型的人體生理信號(hào)，具有生物電信號(hào)的普遍特征，如幅度小、頻率低并且易受外界環(huán)境干擾，為采集和測量帶來了難度。由于本系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，所以對(duì)處理器的數(shù)據(jù)處理能力和速度也有很高的要求。如果選用處理速度很快的處理器，則相應(yīng)的外設(shè)也要有與之相適應(yīng)的性能指標(biāo)16。綜合各個(gè)方面因素，電路設(shè)計(jì)要求：(1)對(duì)微弱的心電心電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波等必要的信號(hào)調(diào)理a)設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，選擇合適的傳感器。b)設(shè)計(jì)合理的有源濾波器，能夠進(jìn)行005-100hz的帶通濾波，

2、50hz陷波。c)實(shí)現(xiàn)1000倍的信號(hào)放大。d)實(shí)現(xiàn)信號(hào)電壓抬高。(2)進(jìn)行符合要求的ad轉(zhuǎn)換根據(jù)采樣定理，采樣頻率要是心電頻率的2倍以上，所以a/d的采樣頻率至少要達(dá)到200hz以上。(3)設(shè)計(jì)電源電路1.2 心電采集電路總體框架a/d轉(zhuǎn)換電平抬升帶通濾波50hz陷波前置放大心電信號(hào)圖 1.1 采集電路總體框架由于心電信號(hào)是微弱信號(hào)，所以設(shè)置前置放大器用來放大心電信號(hào)；為了抑制基線漂移，設(shè)置了0.5hz高通濾波；由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，設(shè)置了二階低通巴特沃斯濾波器，消除100 hz以上的高頻成分；為了消除50 hz工頻干擾，設(shè)置50 hz雙t陷波電路；為了心電信號(hào)不失真，設(shè)計(jì)了電平抬升電路

3、；最后設(shè)置了a/d轉(zhuǎn)換電路，使信號(hào)頻率達(dá)到采樣要求17。本系統(tǒng)選用的前置放大器是ad620a，具有很好的性能，非常適合作為心電信號(hào)測量前置放大器，引腳分布如圖1.2其具體規(guī)格特性如下：(1)電源供應(yīng)范圍：2.3v-18v；(2)高精度：輸人最大偏置電流：1ma；輸人最大失調(diào)電流：o5na；輸入最大失調(diào)電壓：50v；最大溫度漂移：o6v；輸入阻抗：10g。(3)低雜訊：輸入電壓噪聲(f=1k hz)：9nv：共模抑制比(增益g=10)：100db。ad620的增益可調(diào)，范圍為11000倍，通過調(diào)節(jié)ad620a的1和8腿之間的rg的值來實(shí)現(xiàn)： 圖1.2 ad620引腳分布圖本電路所用的集成放大電路

4、為op07。引腳分布如圖1.3。op07芯片是一種低噪聲的單運(yùn)算放大器集成電路。由于op07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于op07a最大為75v），所以op07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。op07同時(shí)具有輸入偏置電流低（op07a為2na）和開環(huán)增益高（對(duì)于op07a為300v/mv）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得op07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。其主要規(guī)格參數(shù)有：電源供應(yīng)范圍：3v-18v；輸入最大失調(diào)電壓：75v；最大溫度漂移：1.3v /。圖1.3 op07引腳圖1.3 采集電路模塊1.3.1前置放大電路設(shè)計(jì)前置放大是整個(gè)信號(hào)放大最關(guān)鍵的環(huán)

5、節(jié)，關(guān)系到整個(gè)模擬采集部分的工作性能。前面已經(jīng)對(duì)心電信號(hào)的干擾因素已經(jīng)有比較全面和詳細(xì)的介紹，設(shè)計(jì)電路時(shí)必須把這些干擾因素減小到最小。前置放大器是整個(gè)前置放大電路的“心臟”，關(guān)系到前置放大電路的性能，因而它的選型非常重要18。本系統(tǒng)主要基于以下三個(gè)方面來確定前置放大器的選型。(1)心電測量中，皮膚和電極接觸將引起極化電壓，如果兩個(gè)電極完全對(duì)稱，這種極化電壓數(shù)值和相位相同，將作為直流共模信號(hào)輸入到心電放大器；無處不在的工頻干擾也是一種共模干擾。因而所選放大器一定要有很高的共模抑制比(cmrr)，共模抑制比高能很好地抑制干擾。心電信號(hào)前置放大器的共模抑制比一般要在80db以上。(2)電極和皮膚接觸

6、會(huì)存在極化電阻，而被測者身體的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致極化電阻阻抗值發(fā)生變化。極化電阻可以看作是整個(gè)電路系統(tǒng)源電阻，和前置放大電路的輸入電阻進(jìn)行分壓，變化的極化電阻會(huì)導(dǎo)致前置放大電路的分壓輸出處于不穩(wěn)定狀態(tài)。所以心電前置放大器必須具有很高的輸入阻抗才能減弱心電信號(hào)的衰減影響。信號(hào)源阻抗一般在數(shù)十歐姆到數(shù)k歐姆之間，心電前置放大器的輸入阻抗應(yīng)該比源阻抗至少高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，以保證信號(hào)的不失真。(3)由于電子電路溫度變化而造成的零點(diǎn)漂移也能嚴(yán)重影響正常的心電信號(hào)的檢測，因而要采用低溫漂的元件，尤其是在選擇心電信號(hào)放大器時(shí)更要選擇低溫漂的產(chǎn)品，否則會(huì)影響放大器的輸入范圍，使得微弱的緩變信號(hào)無法放大，心電信號(hào)中的低頻成

7、分不能得到正確的測量?？傊爸梅糯笃鞯倪x擇要從高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲和低溫漂這幾個(gè)方面著手。前置放大器的性能并不是整個(gè)實(shí)際電路的性能，還必須輔以合理的電路結(jié)構(gòu)來充分發(fā)揮前置放大器的作用。前置放大級(jí)最重要的電路參數(shù)為共模抑制比參數(shù)，很大程度上取決于電路的對(duì)稱性，本系統(tǒng)采用典型的差分放大電路來作為前置放大級(jí)，可以有效地提高共模抑制比，如1.4和圖1.5所示，和接成射極跟隨器，可以穩(wěn)定輸入信號(hào)和提高輸入阻抗和共模抑制比；將和的人體共模信號(hào)檢測出來用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線屏蔽層，以消除分布電容，進(jìn)一步提高共模抑制比：、和構(gòu)成浮地驅(qū)動(dòng)電路可將人體共模信號(hào)放大后用于激勵(lì)人體右腿，從而降低共模電壓，較強(qiáng)地抑制

8、50hz工頻干擾。極化電壓差作為差模直流電壓信號(hào)輸入到放大器，會(huì)造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏離，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致放大器進(jìn)入截止或飽和狀態(tài)。這種極化電壓的存在限制了前置放大級(jí)的增益，為了避免截止或飽和，前置放大電路的增益不能太大，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前置放大電路的增益。圖1.4 前置放大電路圖1.5 前置放大電路1.3.2 右腿驅(qū)動(dòng)電路心電電極和電力線之問由于存在電容耦合會(huì)產(chǎn)生位移電流id，位移電流大部分從人體流經(jīng)地，對(duì)人體是十分有害的。皮膚與接地間的接地阻抗為z3，位移電流流經(jīng)z3建立共模電壓，對(duì)微弱的心電信號(hào)檢測影響很大19。假定zi，z2為皮膚和電極1，2間的接觸電阻，id1和id2為心電電極1，2和電

9、力線之間的位移電流，則導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的兩個(gè)電極輸入端a，b因位移電流將產(chǎn)生電位差：降低位移電流干擾的一種有效辦法是采用右腿驅(qū)動(dòng)法，圖3.6為右腿驅(qū)動(dòng)的具體連接電路。由圖1.5，右腿不直接接地而是接到輔助運(yùn)算放大器u10的輸出。從r43和r44電阻結(jié)點(diǎn)檢出共模電壓，它經(jīng)過輔助的反相放大器放大后通過電阻r39反饋到右腿。人體的位移電流這時(shí)候不再流入地而是流入r39和輔助放大器的輸出。r39起安全保護(hù)作用，當(dāng)病人和地之間出現(xiàn)很高電壓時(shí)輔助放大器飽和，右腿驅(qū)動(dòng)不起作用，這時(shí)候u10等效于接地，r39此時(shí)起到限流保護(hù)作用。右腿驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際可以看成以人體為相加點(diǎn)的共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，任何流入人體的位移電流基

10、本等于反饋電阻上的驅(qū)動(dòng)電流。只要放大器a的開環(huán)增益足夠大，那么即使有大的位移電流流入人體，人體的電位基本保持零電位。采用右腿驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)50hz干擾的抑制并不以損失心電信號(hào)的頻率成分為代價(jià)。但由于右腿驅(qū)動(dòng)存在交流干擾電壓的反饋電路，而交流電流經(jīng)人體，成為不安全因素，限流電阻通常在1m以上。圖1.6 右腿驅(qū)動(dòng)電路1.3.3 濾波電路設(shè)計(jì)(1)濾波理論模擬濾波器類型由低通、高通、帶通、帶阻以及全通等，濾波電路傳遞函數(shù)一般采用復(fù)頻率表示方式，既s域法。傳遞函數(shù)的零、極點(diǎn)決定了該電路具體的濾波類型。“零點(diǎn)”是分子s多項(xiàng)式的根，“極點(diǎn)”則是分母多項(xiàng)式的根。需要注意的是必須保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，既極點(diǎn)都處

11、于s平面的左半側(cè)，否則電路會(huì)產(chǎn)生自激振蕩21。圖1.7為二階有源濾波器的示意圖，運(yùn)放接成同相放大器，其增益為圖1.7 二階有源濾波器示意圖該電路的傳遞函數(shù)推導(dǎo)如下：根據(jù)電路，分別列出節(jié)點(diǎn)c及b的電流方程i=0，得： 聯(lián)立上式可得：賦予y1到y(tǒng)4不同的阻容元件，可以得到不同類型的濾波器，令y1=y3=1/r，y2=y4=sc,則傳遞函數(shù)：該傳遞函數(shù)共有兩個(gè)極點(diǎn)而沒有零點(diǎn)，是一個(gè)二階低通濾波器。其中，式中 -特征角頻率，k-運(yùn)放增益，q-濾波電路的等效品質(zhì)因素，q值太低，濾波器很難有陡峭的過渡帶。當(dāng)k3時(shí)，母中系數(shù)s項(xiàng)變?yōu)樨?fù)，極點(diǎn)就會(huì)移至s平面的右半平面，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。如果將低通電路中的r和

12、c的位置互換，就可以得到rc高通電路。即若y1=y3=sc,y2=y4=1/r,就可以得到二階有源高通濾波器，由于二階高通濾波器與二階低通濾波器在電路結(jié)構(gòu)上存在對(duì)稱性，他們的傳遞函數(shù)也存在對(duì)偶關(guān)系，可得高通濾波器的傳遞函數(shù)為：當(dāng)?shù)屯ê透咄V波電路串聯(lián)，可以構(gòu)成帶通濾波電路，條件是低通濾波器的截止角頻率大于高通濾波電路的截止角頻率，兩者覆蓋的通帶就提供了一個(gè)帶通響應(yīng)。(2)心電信號(hào)的帶通濾波器設(shè)計(jì)圖1.8是帶通濾波電路圖，采用兩個(gè)運(yùn)放設(shè)計(jì)成二階有源高通和低通濾波電路并組合成帶通濾波，兩個(gè)運(yùn)放的增益為1。op-07(圖中標(biāo)識(shí)為u13和u14)是常用的通用放大器，價(jià)格便宜，它具有高精度、低功耗，低偏

13、置的特點(diǎn)。其中、和構(gòu)成高通電路，其截止頻率， 等效品質(zhì)因素q=13。、和組成低通電路，為了不損失心電信號(hào)的高頻成分，其截止頻率。該部分電路實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，如果f2設(shè)為150hz，信號(hào)發(fā)生器提供的正弦輸入信號(hào)要到200hz才會(huì)有明顯的衰減，為了使濾波電路的選頻性能更精確，帶通頻帶上限留有的余量不是很大，實(shí)驗(yàn)也證明這樣效果更好。 圖1.8 帶通濾波電路1.4電平抬升電路由于本系統(tǒng)的a/d轉(zhuǎn)換是通過單3.3v電平供電的，而ecg信號(hào)經(jīng)過放大后會(huì)是交變信號(hào)，為了是心電信號(hào)不失真，必須在把信號(hào)送到a/d轉(zhuǎn)換之前，把電平給抬升上去。這里采用了一個(gè)25v的穩(wěn)壓管lm385經(jīng)電阻分壓，從而把電平抬升上去2

14、0，如圖1.9所示：圖3.9 電平抬升電路1.5 心電信號(hào)的50hz帶阻濾波器設(shè)計(jì)雖然心電信號(hào)前置放大電路對(duì)50hz工頻干擾有很強(qiáng)的抑制作用，但僅僅靠共模抑制是不夠的，還需要設(shè)計(jì)專門的濾波電路來濾除，模擬帶阻濾波器，俗稱陷波器。最典型的陷波電路是無源雙t網(wǎng)絡(luò)加運(yùn)算放大器，雙t網(wǎng)絡(luò)實(shí)際是由低通和高通濾波器并聯(lián)組合成的二階有源帶阻濾波器，兩個(gè)運(yùn)算放大器接成射隨狀態(tài)，增益都為l22。本系統(tǒng)實(shí)際采用的電路就是這種雙t網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的帶阻濾波器，如圖1.10所示，運(yùn)算放大器仍選用的是op-07。 = =r， = =c，、并聯(lián)為2c，、并聯(lián)為r/2，設(shè) = ， = ，該電路的傳遞函數(shù)為： 式中，調(diào)節(jié)r1,r2的

15、比值可以控制q的值。圖1.10 50hz陷波電路取c44=c45=c46=c35=0.068uf，r49=r50=r51=r52=47k，r53=r54=50k，由上式，q=0.5，實(shí)際調(diào)試過程表明，該電路對(duì)50hz的衰減在20db左右，對(duì)工頻干擾有一定的遏制作用，但并不能滿足系統(tǒng)要求。1.6 a/d轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)1.6.1 adc0809簡介adc0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.11 。1主要特性1）8路輸入通道，8位ad轉(zhuǎn)

16、換器，即分辨率為8位。 2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s 4）單個(gè)5v電源供電 5）模擬輸入電壓范圍05v，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度范圍為-4085攝氏度 7）低功耗，約15mw。 2內(nèi)部結(jié)構(gòu)adc0809是cmos單片型逐次逼近式ad轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.11所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型ad轉(zhuǎn)換器、逐次逼近。 3外部特性（引腳功能）adc0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖1.10所示。下面說明各引腳功能。 in0in7：8路模擬量輸入端。 2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。 adda、addb、addc：3位地址輸

17、入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 ale：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 start： ad轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換）。 eoc： ad轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)ad轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 oe：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)ad轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 clk：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：基準(zhǔn)電壓。 vcc：電源，單一5v。 gnd：地。 圖1.11 adc0809示意圖1

18、.6.2 adc0809的工作過程首先輸入3位地址，并使ale=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。start上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) ad轉(zhuǎn)換，之后eoc輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到ad轉(zhuǎn)換完成，eoc變?yōu)楦唠娖?，指示ad轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)oe輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。1.6.3 adc0809與單片機(jī)的接口adc0809可以以查詢方式或中斷方式與單片機(jī)at89c52相連，本課題采用查詢方式，并采用定時(shí)器t0定時(shí)4 ms中斷，進(jìn)行250 hz采樣。adc0809與at89c52單片機(jī)的接口如圖1.12所示。由于adc0809片內(nèi)無時(shí)鐘，可利用at89c52提供的地址鎖在允許信號(hào)ale經(jīng)d觸發(fā)器二分頻后獲得ale腳的頻率是at89c5