六导联低功耗心电图仪前端电路设计

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摘要:
心电信号主要特点在于信号微弱、干扰较大。本系统就是针对心电信号的这两个特点设计出的小信号放大、除噪电路。系统通过三个放大模块和四个滤波模块得到了可用于临床分析的心电波形。根据国家对心电仪制定的相关标准，我们对电路的性能进行测试，测试结果显示，此系统符合国家标准。

关键字:心电信号、放大、滤波、低功耗

1作品简介
1.1项目介绍
该项目是一个心电仪前端模拟电路，用于采集并放大人体心电信号，放大后的信号具有低失真、低干扰的特点。同时，系统可以多导联切换，进行多路信号采集。整个系统采用正负2.5V供电，功耗极低，正常工作电流不到10mA,可以采用干电池供电。

1.2 设计目标
系统的基本功能为实现六导联心电信号的测量，因此电路主要分为两个模块:输入电路、信号放大电路。

1.2.1. 输入电路主要功能:在六个导联间进行切换。
导联是记录心电图时电极在人体体表的放置位置及电极与放大器的连接方式。本系统采用的六导联包括三个标准导联和三个加压单极肢体导联构成。

1.2.2.信号放大电路主要实现心电信号的放大和滤波。
该电路由三个放大模块和四个滤波模块组成。三个放大模块将信号放大1000倍左右，滤波模块滤除功频干扰、高频噪声。系统应性能尽量满足国家制定的心电图机相关标准。最终预期得到可用于临床分析的心电信号：即得到的信号具备标准心电的特征。

1.3性能指标
国家对心电仪主要参数的规定如表11预计设计系统达到国家规定的标准。



2方案设计
2.1系统结构



2.2系统分析
心电信号是典型的小信号，所以心电仪的前端电路实现的是一一个高精度放大、滤波器的功能。同时，由于心电信号是通过测量皮肤表面的电位获得的，所以会存在很多干扰。实现这个系统，就必须解决其面对的各种干扰问题。



2.3 器材选择



3系统设计
3. 1输入电路
心电图系统硬件的输入电路包括缓冲电路、导联选择电路、屏蔽驱动电路和威尔逊电阻网络，其功能是为信号放大电路提供各导联信号。

3.1.1 Wilson 电阻网络
威尔逊网络是由9个电阻组成的平衡电阻网络，6个20k电阻组成三角形连接，3个30k电阻组成星形连接”。威尔逊网络结构如图3_ 1所示。



网络的三个顶点通过缓冲放大器分别与左臂(LA)、右臂(RA)、左腿(LL)电极相连，三角形各边的中点是加压肢体导联的参考点，星形的中点(WCT)是威尔逊网络的中心点。

本系统通过威尔逊网络得到6个肢体导联信号。
3.1.2屏蔽驱动电路
获取心电信号的电极与电路的缓冲放大器之间是由一-条长约1. 5m的导联线(多股带屏蔽层的电缆)相连接。导联线的输入线线心与屏蔽层之间存在着一定数量的分布电容(大约每米100pF) ，为消除干扰，均将屏蔽层良好接地。

在频率为50Hz时，屏蔽层分布电容(约200pF)的容抗可达几兆欧，与前置放大器的输入阻抗差不多，由于两者并联，就降低了信号放大电路的输入阻抗。同时由于各股心线的屏蔽电容值不完全相同，又造成前置放大器两端的输入阻抗不平衡，导致电路的共模抑制比下降。



屏蔽驱动电路如图32所示。此时屏蔽地即是信号地。屏蔽驱动电路可以消除屏蔽分布电容的影响，因为它实际上是一-个电压跟随器，输入阻抗很高”。它的同相输入端接威尔逊网络的中心点，即信号地，而输出端接屏蔽地。

这样既保证了屏蔽层的地与信号地之间是等电位，又可以将屏蔽地与信号地隔离开来，保持了输入电路的高输入阻抗。

3.2电源电路
电源电路如图3_3所示，由于系统的低功耗特性，提供给所有芯片的供电必须是标准正负2.5V电压。在本设计中我们采用的方案是将输入电压通过7805进行稳压后输入1117-25芯片，从而得到标准2.5V电压。再通过MAX828芯片将2.5V电压转换成负2.5V电压。

我们在每个电源的输入输出端都对地接了两个电容，大电容作为电路的蓄能电容，减小自激振荡，小电容则旁路掉该器件的高频噪声。_  



3.3 信号放大电路及设计参数
心电信号放大电路将输入电路选择的心电信号进行处理并放大，主要包括前置放大电路、滤波电路和主放大电路三个部分。

3.3.1前置放大电路
在生物电信号采集电路中，前置放大一般采用仪表放大器l3，主要有共模抑制比高、输入阻抗大、精度高、漂移小等原因。本设计使用的是ADI公司的AD620，如图34所示。

右腿驱动电路由运放U5和电阻电容构成，由对称电阻R6和R7取出人体共模电压，经AD705运算放大器组成反相驱动放大器施加给人体的右腿，抵消共模干扰。电容器C13的值要做适当选择以维持右腿驱动电路稳定性。限流电阻R11=1MS，取值较大，限制电流为毫安级的水平，增加了安全保护性能，防止病人受到可能的伤害。此外，较低的偏置电流和电流噪声，以及较低的电压噪声改善了AD620 的动态范围，从而得到了更好的放大性能。



前置放大电路增益理论值:



3.3.2滤波电路
滤波电路由两个RC高通网络、80Hz低通电路和50Hz陷波电路构成，如图3_3所示。



高通电路3dB截止频率理论值:



低通电路 3dB 截止频率理论值:



陷波电路中心频率理论值:



3.3.3后级放大电路
后级放大电路，即主放大电路，由两个单运放直接耦合构成，由于放大器采用正负2.5V供电，输出电压必须在该范围内，所以放大倍数不能选择过大，本设计中每级增益为20。为了使输出波形尽量平滑并且消除自激振荡，我们在每个负反馈端接了0.033uF的自举电容。

放大倍数理论值:



4性能测试与分析
4.1系统测试方法
4.2.1输入阻抗
输入阻抗采用间接法测量。在输入端串联一- 个测试电阻，输入1V交流电压，使用交流毫伏表精确测定测试电阻上的电压，间接计算出电路的输入阻抗。

4.2.2噪声水平
在示波器上观察波形，读出波形中毛刺的电压值，按照放大倍数，换算成输入端电压值。

4.2.3频率特性
使用函数发生器，发出各种频率的正弦波，分别测出输入端和输出端的电压值，根据测试结果制表并绘出电路在0~200Hz之间的幅频曲线。

4.2.4抗干扰能力
1、共模抑制比先输入1V共模信号，测试共模增益。再输入2mV差模信号，测试差模增益。
2、50Hz 滤波输入50Hz, 1V 正弦信号，测量其增益。

4.2作品测试性能数据
4.2.1输入阻抗
由于电压太低，无法精确测量5。根据电路设计以及最终输出波形可以估测输入阻抗必然大于5M9。大于国家规定的2.5M2。

4.2.2噪声水平



小于国家对心电图机规定的35μV输入端噪声。

4.2.3 频率特性



系统幅频特性如图41所示。由于心电信号主要频率位于0.5~25Hz之间，并主要集中在10Hz左右，50Hz 处有一一个低谷，可滤除工频干扰。故频率响应满足心电信号检测要求。

4.2.4抗干扰能力
1、共模抑制比



高于国家规定的60dBp
2、50Hz滤波



基本符合国家规定的20dB衰减。

综合而言，电路的大部分符合了国家标准(仅 0Hz 滤波衰减略小于国家标准)，电路设计基本完成了预计目标。_

5设计总结与展望
5.1设计总结
根据测试报告，最终得到的系统参数基本符合国家对心电图机的规定，达到了预期的设计要求。将人体接入电路后得到波形良好，可用于临床分析，各测试波形见附录。

5.2系统展望
我们设计的是一一个高性能的心电仪前端电路，如果将此电路与FPGA或嵌入式系统结合起来，由于此电路的低功耗特性，可以制成一个便携式心电仪，走入人们的日常生活中。

附录1:各导联测试波形



附录2:电路实物图

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