一種心電信號采集放大電路的簡單設計方法.

1、1 1人體心電信號的特點心電信號屬生物醫(yī)學信號，具有如下特點：(1)(1) 信號具有近場檢測的特點，離開人體表微小的距離，就基本上檢測不到信號；(2)(2) 心電信號通常比較微弱，至多為 mVmV 量級；(3)(3) 屬低頻信號，且能量主要在幾百赫茲以下；(4)(4) 干擾特別強。干擾既來自生物體內(nèi)，如肌電干擾、呼吸干擾等；也來自生物體外， 如工頻干擾、信號拾取時因不良接地等引入的其他外來串擾等；(5)(5) 干擾信號與心電信號本身頻帶重疊 ( ( 如工頻干擾等 ) ) 。2 2采集電路的設計要求針對心電信號的上述特點，對采集電路系統(tǒng)的設計分析如下：(1)(1) 信號放大是必備環(huán)節(jié)，而且應將信

2、號提升至A A D D 輸人口的幅度要求，即至少為 “ V V”的量級；(2)(2) 應盡量削弱工頻干擾的影響；(3)(3) 應考慮因呼吸等引起的基線漂移問題；(4)(4) 信號頻率不高，通頻帶通常是滿足要求的，但應考慮輸入阻抗、線性、低噪聲等因 素。3 3采集電路設計分析過程3 3 1 1 前級放大電路設計由于人體心電信號的特點，加上背景噪聲較強，采集信號時電極與皮膚間的阻抗大且變 化范圍也較大，這就對前級 ( ( 第一級 ) )放大電路提出了較高的要求， 即要求前級放大電路應滿 足以下要求：高輸入阻抗；高共模抑制比；低噪聲、低漂移、非線性度??；合適的頻帶和動態(tài)范圍。為此，選用 Analog

3、Analog 公司的儀用放大器 AD620AD620 作為前級放大( (預放) )。AD620AD620 的核心是 三運放電路 ( ( 相當于集成了三個 OP07OP07 運放 ) ) ，其內(nèi)部結構如圖 1 1 所示。圖1AD620生暢醫(yī)學放大爲的內(nèi)部建構簡國該放大器有較高的共模抑制比（CMRRCMRR），溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小且具有調(diào)節(jié)方便的特點，是生物醫(yī)學信號放大的理想選擇。根據(jù)小信號放大器的設計原則，前級的增益不能設置太高，因為前級增益過高將不利于后續(xù)電路對噪聲的處理。根據(jù)上面的分析，前級放大電路按圖2 2 設計，并先運用 MultisimMultisim 20012001

4、 仿真。仿真過程采用 0 0. 5 5 MVMV , 1 1 . 2 2 HzHz 的差分信號源為模擬心電輸入來模擬電路的放大過 程，結果滿足要求。3 3 . 2 2 次級放大電路（信號放大）第二級放大電路主要以提高增益為目的，選用普通的ADAD OP07OP07 即可滿足要求。3 3 . 3 3 高通濾波器（消除基線漂移）在電路部分加上簡單的高通濾波環(huán)節(jié)，對隔斷直流通路和消除基線漂移將會起到事半功 倍的效果，本部分電路置于預放大與信號放大電路之間，一個簡單的無源高通濾波電路如圖3 3 所示。其特征頻率（轉折頻率）計算為:X X 以大大削弱 0 0 . 0303 HzHz 以下因呼吸等引起的基

5、線漂移程度，心電 信號低頻端也就相應地取該頻率。3 3 . 4 4 補償電路（抵消人體信號源中的各種噪聲 ）引入補償電路，是為了抵消人體信號源中的干擾 （包括工頻干擾）。引入補償電路的方法：在前級放大電路的反饋端與信號源地端建立共模負反饋，為提高電路的反饋深度， 將反饋信號放大后（仍采用 OP07OP07）接人信號源參考端，這樣可以最大限度地抵消工頻干擾。引入的這種電路形式，根據(jù)其結構和功能，可形象地將其稱為反饋浮置跟蹤電路”。3 3 . 5 5 整個電路系統(tǒng)的框圖結構整個電路系統(tǒng)的原理框圖及信號流程如圖4 4 所示。3 3. 6 6 實際電路系統(tǒng)原理圖最后的綜合電路如圖 5 5 所示。圖中

6、U1U1 單元為 AD620AD620 前置放大；U2U2 為反饋浮置跟蹤部 分；U3U3 為第二級放大輸出部分。該電路的增益估算為：第一級放大:AM= 1 +R唁禺=7. 6第二級放大；弘=! +慕=101樓預展輸出”47葉接故大輸入112nR,Ca=0- 034(1)經(jīng)過高通濾波后，可團n電路魁體站構總增盅池=Al；ALIA 767(4)實際增益由于高通濾波及其他損耗的存在，要比理論估算值略小，但已滿足放大輸出的 要求。4 4 電路性能的實驗驗證按圖 5 5 搭建電路，采用虛擬儀器 LabVIEWLabVIEW 8 8 . 2 2 系統(tǒng)，通過 NINI 的 USB-6009DAQUSB-6

7、009DAQ 采 集電路輸出的心電信號，結果如圖6 6 所示( (為便于對比，采用了相同的坐標刻度) )。在圖 6 6 中，圖 6(a)6(a)為不加反饋浮置部分時采集到的信號波形，可以看出，干擾很大， 其中的主要干擾為 5050 HzHz 的工頻干擾；圖 6(b)6(b)為加上反饋浮置電路部分后采集到的心電波 形，其基線附近的仍有部分紋波干擾，但較圖 6(a)6(a)不加反饋浮置時得到的波形已大為改善，可見加上反饋浮置電路對降低人體中干擾信號有很大幫助。至于仍殘留的工頻干擾，可在系統(tǒng)后續(xù)部分采用有關濾波技術進一步加以抑制，這里不再討論有關工頻干擾的進一步濾波問題。5 5 結語采用以 AD620AD620 及 OP07OP07 為核心的信號放大器來實現(xiàn)心電信號的放大，電路功耗小, 敏度高，理論上最低只需 3 3 V V 的電源，可