基于放大電路的采集心電信號的設(shè)計方法

1 人體心電信號的特點
心電信號屬生物醫(yī)學(xué)信號，具有如下特點：
(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)心電信號通常比較微弱，至多為mV量級；
(3)屬低頻信號，且能量主要在幾百赫茲以下；
(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?dāng)_等；
(5)干擾信號與心電信號本身頻帶重疊(如工頻干擾等)。
2 采集電路的設(shè)計要求
針對心電信號的上述特點，對采集電路系統(tǒng)的設(shè)計分析如下：
(1)信號放大是必備環(huán)節(jié)，而且應(yīng)將信號提升至A／D輸人口的幅度要求，即至少為“V”的量級；
(2)應(yīng)盡量削弱工頻干擾的影響；
(3)應(yīng)考慮因呼吸等引起的基線漂移問題；
(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 采集電路設(shè)計分析過程
3．1 前級放大電路設(shè)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(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??；合適的頻帶和動態(tài)范圍。
為此，選用Analog公司的儀用放大器AD620作為前級放大(預(yù)放)。AD620的核心是三運放電路(相當(dāng)于集成了三個OP07運放)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該放大器有較高的共模抑制比(CMRR)，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(xué)信號放大的理想選擇。根據(jù)小信號放大器的設(shè)計原則，前級的增益不能設(shè)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設(shè)計，并先運用Multisim 2001仿真。

仿真過程采用O．5 MV，1．2 Hz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。
3．2 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AD OP07即可滿足要求。
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，一個簡單的無源高通濾波電路如圖3所示。

其特征頻率(轉(zhuǎn)折頻率)計算為：

經(jīng)過高通濾波后，可X以大大削弱0．03 Hz以下因呼吸等引起的基線漂移程度，心電信號低頻端也就相應(yīng)地取該頻率。
3．4 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(fù)反饋，為提高電路的反饋深度，將反饋信號放大后(仍采用OP07)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”。
3．5 整個電路系統(tǒng)的框圖結(jié)構(gòu)
整個電路系統(tǒng)的原理框圖及信號流程如圖4所示。

3．6 實際電路系統(tǒng)原理圖
最后的綜合電路如圖5所示。圖中U1單元為AD620前置放大；U2為反饋浮置跟蹤部分；U3為第二級放大輸出部分。
該電路的增益估算為：
第一級放大：