談談心電信號采集放大電路的簡單設計方法

1 人體心電信號的特點
??? 心電信號屬生物醫學信號，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，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擾等；
??? (5)干擾信號與心電信號本身頻帶重疊(如工頻干擾等)。
2 采集電路的設計要求
??? 針對心電信號的上述特點，對采集電路系統的設計分析如下：
??? (1)信號放大是必備環節，而且應將信號提升至A／D輸人口的幅度要求，即至少為“V”的量級；
??? (2)應盡量削弱工頻干擾的影響；
??? (3)應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，但應考慮輸入阻抗、線性、低噪聲等因素。

3 采集電路設計分析過程
3．1 前級放大電路設計
??? 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；合適的頻帶和動態范圍。
??? 為此，選用Analog公司的儀用放大器AD620作為前級放大(預放)。AD620的核心是三運放電路(相當于集成了三個OP07運放)，其內部結構如圖1所示。

??? 該放大器有較高的共模抑制比(CMRR)，溫度穩定性好，放大頻帶寬，噪聲系數小且具有調節方便的特點，是生物醫學信號放大的理想選擇。根據小信號放大器的設計原則，前級的增益不能設置太高，因為前級增益過高將不利于后續電路對噪聲的處理。
??? 根據上面的分析，前級放大電路按圖2設計，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節，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(轉折頻率)計算為：

???
??? 經過高通濾波后，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，根據其結構和功能，可形象地將其稱為“反饋浮置跟蹤電路”。
3．5 整個電路系統的框圖結構
??? 整個電路系統的原理框圖及信號流程如圖4所示。

3．6 實際電路系統原理圖
??? 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：

???
??? 實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 電路性能的實驗驗證
??? 按圖5搭建電路，采用虛擬儀器LabVIEW 8．2系統，通過NI的USB-6009DAQ采集電路輸出的心電信號，結果如圖6所示(為便于對比，采用了相同的坐標刻度)。
??? 在圖6中，圖6(a)為不加反饋浮置部分時采集到的信號波形，可以看出，干擾很大，其中的主要干擾為50 Hz的工頻干擾；圖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)不加反饋浮置時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，可在系統后續部分采用有關濾波技術進一步加以抑制，這里不再討論有關工頻干擾的進一步濾波問題。

5 結 語
??? 采用以AD620及OP07為核心的信號放大器來實現心電信號的放大，電路功耗小，靈敏度高，理論上最低只需3 V的電源，可由外接電池提供，容易實現基于移動式設備(如筆記本電腦)為核心的心電信號采集及處理，是一種實用的心電信號前端采集放大電路(信號的進一步優化可在采集后由軟件進行調理)。