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。