心电信号采集放大电路的简单设计方法

2019年11月23日11:01:05 评论

1 人体心电信号的特点

心电信号属生物医学信号,具有如下特点:

  • 信号具有近场检测的特点,离开人体表微小的距离,就基本上检测不到信号;
  • 心电信号通常比较微弱,至多为mV量级;
  • 属低频信号,且能量主要在几百赫兹以下;
  • 干扰特别强。干扰既来自生物体内,如肌电干扰、呼吸干扰等;也来自生物体外,如工频干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来串扰等;
  • 干扰信号与心电信号本身频带重叠(如工频干扰等)。

2 采集电路的设计要求

针对心电信号的上述特点,对采集电路系统的设计分析如下:

  • 信号放大是必备环节,而且应将信号提升至A/D输人口的幅度要求,即至少为“V”的量级;
  • 应尽量削弱工频干扰的影响;
  • 应考虑因呼吸等引起的基线漂移问题;
  • 信号频率不高,通频带通常是满足要求的,但应考虑输入阻抗、线性、低噪声等因素。

3 采集电路设计分析过程

3.1 前级放大电路设计

由于人体心电信号的特点,加上背景噪声较强,采集信号时电极与皮肤间的阻抗大且变化范围也较大,这就对前级(第一级)放大电路提出了较高的要求,即要求前级放大电路应满足以下要求:

  • 高输入阻抗;高共模抑制比;
  • 低噪声、低漂移、非线性度小;
  • 合适的频带和动态范围。

为此,选用Analog公司的仪用放大器AD620作为前级放大(预放)。AD620的核心是三运放电路(相当于集成了三个OP07运放),其内部结构如图1所示。

心电信号采集放大电路的简单设计方法

该放大器有较高的共模抑制比(CMRR),温度稳定性好,放大频带宽,噪声系数小且具有调节方便的特点,是生物医学信号放大的理想选择。根据小信号放大器的设计原则,前级的增益不能设置太高,因为前级增益过高将不利于后续电路对噪声的处理。

根据上面的分析,前级放大电路按图2设计,并先运用Multisim 2001仿真。

心电信号采集放大电路的简单设计方法

仿真过程采用O.5MV,1.2Hz的差分信号源为模拟心电输入来模拟电路的放大过程,结果满足要求。

3.2次级放大电路(信号放大)

第二级放大电路主要以提高增益为目的,选用普通的AD OP07即可满足要求。

3.3高通滤波器(消除基线漂移)

在电路部分加上简单的高通滤波环节,对隔断直流通路和消除基线漂移将会起到事半功倍的效果,本部分电路置于预放大与信号放大电路之间,一个简单的无源高通滤波电路如图3所示。

心电信号采集放大电路的简单设计方法

其特征频率(转折频率)计算为:

心电信号采集放大电路的简单设计方法

经过高通滤波后,可X以大大削弱0.03Hz以下因呼吸等引起的基线漂移程度,心电信号低频端也就相应地取该频率。

3.4补偿电路(抵消人体信号源中的各种噪声)

引入补偿电路,是为了抵消人体信号源中的干扰(包括工频干扰)。引入补偿电路的方法:在前级放大电路的反馈端与信号源地端建立共模负反馈,为提高电路的反馈深度,将反馈信号放大后(仍采用OP07)接人信号源参考端,这样可以最大限度地抵消工频干扰。引入的这种电路形式,根据其结构和功能,可形象地将其称为“反馈浮置跟踪电路”。

3.5整个电路系统的框图结构

整个电路系统的原理框图及信号流程如图4所示。

心电信号采集放大电路的简单设计方法

3.6实际电路系统原理图

最后的综合电路如图5所示。图中U1单元为AD620前置放大;U2为反馈浮置跟踪部分;U3为第二级放大输出部分。

该电路的增益估算为:

第一级放大:

心电信号采集放大电路的简单设计方法

实际增益由于高通滤波及其他损耗的存在,要比理论估算值略小,但已满足放大输出的要求。

4 电路性能的实验验证

按图5搭建电路,采用虚拟仪器LabVIEW8.2系统,通过NI的USB-6009DAQ采集电路输出的心电信号,结果如图6所示(为便于对比,采用了相同的坐标刻度)。

在图6中,图6(a)为不加反馈浮置部分时采集到的信号波形,可以看出,干扰很大,其中的主要干扰为50Hz的工频干扰;图6(b)为加上反馈浮置电路部分后采集到的心电波形,其基线附近的仍有部分纹波干扰,但较图6(a)不加反馈浮置时得到的波形已大为改善,可见加上反馈浮置电路对降低人体中干扰信号有很大帮助。至于仍残留的工频干扰,可在系统后续部分采用有关滤波技术进一步加以抑制,这里不再讨论有关工频干扰的进一步滤波问题。

心电信号采集放大电路的简单设计方法

5 结语

采用以AD620及OP07为核心的信号放大器来实现心电信号的放大,电路功耗小,灵敏度高,理论上最低只需3 V的电源,可由外接电池提供,容易实现基于移动式设备(如笔记本电脑)为核心的心电信号采集及处理,是一种实用的心电信号前端采集放大电路(信号的进一步优化可在采集后由软件进行调理)。

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