數字濾波器的實現

　　抗混疊的低通濾波器，用無限沖擊響應濾波器實現。

　　對于工頻干擾的噪聲，需要用工頻陷波器來去除。為了提高濾波器對噪聲耦合通道變化的適應能力，由自適應濾波器構成工頻陷波器。自適應濾波器和噪聲耦合通路之間的拓撲結果如圖4所示。

　　圖4 自適應濾波器的拓撲結構

　　構造出相位相差，頻率分別為50、100、150Hz的六個“假想噪聲”，然后在濾波過程中不斷調整權值向量W，進而從有用信號和噪聲的疊加信號T中得出和“假想噪聲”最大線性相關的時間序列a，從模擬放大器的混合輸出信號T中減去和“假想噪聲”線性相關的序列a，就得到了和a不相關的誤差序列e，這個序列就是所需的陷波結果。

　　效果比較

　　功耗的比較

　　根據實測，使用圖2所示電路時，電源為正負12V，靜態電流約為36.5mA，實際功耗為0.876W。使用集成模擬隔離放大器ISO124時，需使用正負5V電源，根據實測，這部分電路的實際靜態電流約為25.8mA，實際功耗為0.258W。

　　本文所述方法，電路可以用3V的單電源供電，且省去模擬低通濾波器和工頻陷波器。使用運行速度為8MIPS的dsPIC30F3012和數字隔離器ADuM2401來實現隔離。根據實測，這部分電路的電流為29.6mA，實際功耗為88.8mW。僅為第一種方法的約1/10，第二種方法的約1/3。以上功耗的計算方法還沒有考慮多路信號同時采集的情況。根據上面的分析，對于一個四路同時采集的心電信號放大器而言，新方法的耗電量將僅是第一種方法的1/40，第二種方法的1/12。

　　信號失真度的比較

　　用峰峰值為0.5mV、頻率為170Hz的正弦信號作為衡量上述幾種隔離電路失真性能的標準信號（該信號由***INSTEK 公司型號為GFG-3015的信號發生器產生，初始峰峰值為1V，通過電阻分壓產生所需幅值的信號）。標準信號通過增益為1000的心電信號放大電路放大到1V，分別通過上述三種隔離電路隔離后，進行采集和存儲。采樣率都為4096Hz，采樣長度為4096（即1S內的信號），其中使用模擬隔離的兩種傳統方法在隔離后用MAX197進行量化，該轉換器的信噪比為70dB，能夠完成量化任務而不造成附加失真；新方法則直接使dsPIC30F3012片內集成的12位模數轉換器進行量化。量化結果加Blackman窗后進行FFT和歸一化處理得到圖5所示的結果。

　　圖5 使用不同隔離方法傳輸正弦信號的頻譜特性

　　從圖5中可以發現，上述數字隔離電路和采用集成隔離放大器ISO122的隔離電路得到的協波失真和信噪比基本相同，說明這兩種隔離方法對信號的信噪比影響較小。而采用普通光耦隔離的正弦信號的協波失真卻高于另外兩種方法，其中最壞協波失真在3次協波頻率，僅為-30dB左右。分析其原因，主要是兩只光耦的性能不一致造成的。另外由于它們分別在工作點上下兩邊的對稱性也不佳造成3次協波失真大于2次協波失真的現象。

　　電路板面積的比較

　　對于便攜式系統，電路板面積是一個非常重要的因素。經過實際測試，數字隔離電路所需電路板的大小僅為模擬隔離電路的一半以下。

　　結語

　　本文用Microchip公司的DSC平臺的傳感器方案設計了一個生物電信號采集系統前端模塊。在提高信噪比的同時降低了系統功耗、成本、體積，且在生產過程中無需人工校調，適合大規模工業生產。實用性和經濟性強，能夠推進生物電信號系統的便攜化。