基于C8051F206的心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　摘要：介紹了一種采用C8051F206設(shè)計的心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了它的詳細軟硬件構(gòu)成。該系統(tǒng)具有精度高、噪聲低、共摸抑制比高、抗干擾能力強等特點，具有一定的實用性。

    關(guān)鍵詞：心電；數(shù)據(jù)采集；C8051F206；A/D轉(zhuǎn)換

　　心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段。心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關(guān)鍵部件。人體心電信號的主要頻率范圍為０．０５～１００Ｈｚ，幅度約為０～４ｍＶ，信號十分微弱。由于心電信號中通?；祀s有其它生物電信號，加之體外以５０Ｈｚ工頻干擾為主的電磁場的干擾，使得心電噪聲背景較強，測量條件比較復(fù)雜。為了不失真地檢出有臨床價值的干凈心電信號，往往要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強抗干擾能力等性能。本文利用Ｃ８０５１Ｆ２０６的片上Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換和多路模擬開關(guān)設(shè)計了一種符合上述要求的多路心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號調(diào)理

　　圖１所示是一個心電數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成框圖，其中心電信號由專用電極拾取后送入前置放大器初步放大，并在對各干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波器，以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號。主放大器可將濾波后的信號進一步放大到合適范圍后，再經(jīng)５０Ｈｚ和３５Ｈｚ陷波器濾除工頻和肌電干擾，然后將符合要求的心電模擬信號由模擬輸入端送入Ｃ８０５１Ｆ２０６的片上ＡＤＣ，以進行高精度Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的采集存儲。

１．１ 前置放大電路

　　前置放大是心電數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具體電路如圖２所示。由于人體心電信號十分微弱，噪聲背景強且信號源阻抗較大，加之電極引入的極化電壓差值較大（比心電差值幅度大幾百倍），因此，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能，設(shè)計時一般都采用差分放大電路。本設(shè)計選用儀用放大器ＡＤ６２０作為前置放大器。ＡＤ６２０輸入端采用超β處理技術(shù)，具有低輸入偏置電流、低噪音、高精度、較高建立時間、低功耗等特性，共模抑制比可達１３０ｄＢ，非常適合作為醫(yī)療儀器前置放大器使用。其增益可調(diào)（范圍約１～１０００倍），并可由公式

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　　來確定。為防止前置放大器工作于飽區(qū)和或截止區(qū)，其增益不能過大。試驗表明：１０倍左右效果較好。通過Ｕ３可將Ｒ２、Ｒ３上的人體共模信號檢測出來用于驅(qū)動導(dǎo)線屏蔽層，以消除分布電容，提高輸入阻抗和共模抑制比。Ｕ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｃ１構(gòu)成的“浮地”驅(qū)動電路可將人體共模信號倒相放大后用于激勵人體右腿，從而降低甚至抵消共模電壓，以達到較強抑制５０Ｈｚ工頻干擾之目的。Ｕ１、Ｕ２主要用于穩(wěn)定輸入信號和提高輸入阻抗，進一步提高共模抑制比。

１．２ 帶通濾波及主放大電路

　　如圖３所示，帶通濾波由雙運放集成電路ＯＰ２１７７構(gòu)成。ＯＰ２１７７具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片內(nèi)集成了兩個運放，可靈活組成各類放大和濾波電路。由于心電信號頻帶主要集中在０．０５～１００Ｈｚ左右，頻帶較寬，為此，采用ＯＰ２１７７的兩個運放分別設(shè)計二階壓控有源高通和低通濾波器并組合成帶通濾波。其中，Ｕ６Ａ、Ｃ６、Ｃ７、Ｒ８、Ｒ９構(gòu)成高通濾波器，為不損失心電信號的低頻成分，其截止頻率設(shè)計為ｆ＝１／２πＣ６Ｃ７Ｒ８Ｒ９１／２＝０．０３Ｈｚ。Ｕ６Ｂ、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｃ８、Ｃ９構(gòu)成低通濾波器，同樣，為不損失其高頻成分，截止頻率設(shè)計為ｆ＝１／２πＣ８Ｃ９Ｒ１０Ｒ１１１／２＝１３０Ｈｚ。主放大電路由ＯＰ１１７７（Ｕ７）、Ｒ１２、Ｒ１３構(gòu)成。考慮到心電信號幅度約為０～４ｍＶ，而Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換輸入信號要求１Ｖ左右，因此，整個信號電路的放大倍數(shù)需１０００倍左右。而前置放大約１０倍左右，因此本級放大倍數(shù)設(shè)計為１００倍左右，即Ｇ＝１＋Ｒ１２／Ｒ１３≈１００。

１．３ 陷波和電平抬升電路

　　工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號方式進入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強的工頻干擾，所以必須專門濾除。常規(guī)有源陷波器的頻率特性對電路元件的參數(shù)比較敏感，因此難以精確調(diào)試，且電路穩(wěn)定性不高。而開關(guān)電容集成濾波器無需外接決定頻率的電阻或電容，濾波頻率僅由外接或片內(nèi)時鐘頻率決定，且其頻率特性對時鐘和外圍電路的參數(shù)不敏感，因而性能較穩(wěn)定。凌特公司的ＬＴＣ１０６８－５０集成開關(guān)電容濾波器內(nèi)部集成了四個獨立的二階開關(guān)電容濾波器，時鐘與中心頻率之比為５０：１，誤差為