一種心電信號采集放大電路的簡單設(shè)計(jì)方法.

1、1 1人體心電信號的特點(diǎn)心電信號屬生物醫(yī)學(xué)信號，具有如下特點(diǎn)：(1)(1) 信號具有近場檢測的特點(diǎn)，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(qiáng)。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(shí)因不良接地等引入的其他外來串?dāng)_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(shè)計(jì)要求針對心電信號的上述特點(diǎn)，對采集電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析如下：(1)(1) 信號放大是必備環(huán)節(jié)，而且應(yīng)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(yīng)盡量削弱工頻干擾的影響；(3)(3) 應(yīng)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(yīng)考慮輸入阻抗、線性、低噪聲等因 素。3 3采集電路設(shè)計(jì)分析過程3 3 1 1 前級放大電路設(shè)計(jì)由于人體心電信號的特點(diǎn)，加上背景噪聲較強(qiáng)，采集信號時(shí)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(yīng)滿 足以下要求：高輸入阻抗；高共模抑制比；低噪聲、低漂移、非線性度小；合適的頻帶和動(dòng)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(yù)放) )。AD620AD620 的核心是 三運(yùn)放電路 ( ( 相當(dāng)于集成了三個(gè) OP07OP07 運(yùn)放 ) ) ，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 1 所示。圖1AD620生暢醫(yī)學(xué)放大爲(wèi)的內(nèi)部建構(gòu)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(diǎn)，是生物醫(yī)學(xué)信號放大的理想選擇。根據(jù)小信號放大器的設(shè)計(jì)原則，前級的增益不能設(shè)置太高，因?yàn)榍凹壴鲆孢^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(shè)計(jì)，并先運(yùn)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(jié)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(yù)放大與信號放大電路之間，一個(gè)簡單的無源高通濾波電路如圖3 3 所示。其特征頻率（轉(zhuǎn)折頻率）計(jì)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(yīng)地取該頻率。3 3 . 4 4 補(bǔ)償電路（抵消人體信號源中的各種噪聲 ）引入補(bǔ)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(bǔ)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(fù)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(jié)構(gòu)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(gè)電路系統(tǒng)的框圖結(jié)構(gòu)整個(gè)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(shí)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(yù)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(tuán)n電路魁體站構(gòu)總增盅池=Al；ALIA 767(4)實(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jié)果如圖6 6 所示( (為便于對比，采用了相同的坐標(biāo)刻度) )。在圖 6 6 中，圖 6(a)6(a)為不加反饋浮置部分時(shí)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(shí)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(guān)濾波技術(shù)進(jìn)一步加以抑制，這里不再討論有關(guān)工頻干擾的進(jìn)一步濾波問題。5 5 結(jié)語采用以 AD620AD620 及 OP07OP07 為核心的信號放大器來實(shí)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