孔祥金，劉 軍

（武警工程大學(xué) 研究生管理大隊(duì)，陜西 西安 710086）

心電信號(hào)是心臟電活動(dòng)的表現(xiàn)，是反映人體生命狀態(tài)的良好生理指標(biāo)之一，可用于檢測(cè)各種心律失常、心肌病變、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。但心電信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，具有隨機(jī)性強(qiáng)、頻率低的特點(diǎn)，極易受到檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和外界刺激（環(huán)境、溫度）的干擾，必須對(duì)提取到的心電信號(hào)做一系列的處理（濾除噪聲和干擾），才可獲得高保真的心電信息，為進(jìn)一步從醫(yī)學(xué)角度分析研究心電信息提供準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)源[1-2]。因此，研究心電信號(hào)調(diào)理電路對(duì)整個(gè)心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 調(diào)理電路總體設(shè)計(jì)

心電信號(hào)幅度小、頻率低，極易被噪聲湮沒，減少或消除這些噪聲干擾是有效識(shí)別心電信號(hào)特征參數(shù)的前提。信號(hào)調(diào)理電路作為信號(hào)采集單元的重要組成部分，其穩(wěn)定性和可靠性直接決定了心電信號(hào)的真實(shí)性與有效性[3]。

1.1 調(diào)理電路設(shè)計(jì)要求

由于心電信號(hào)是微弱、低頻的生物電信號(hào)，一般只有0．05～5 mV， 頻率在 0．05～100 Hz 之間，極易被噪聲湮沒。 因此，對(duì)心電信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)有以下苛刻的要求：1）高輸入阻抗，由于信號(hào)源阻抗較高，心電信號(hào)很微弱，若輸入阻抗不高，經(jīng)分壓后信號(hào)會(huì)更小，會(huì)使心電信號(hào)有嚴(yán)重?fù)p失甚至畸變；2）高增益，心電信號(hào)屬于微弱信號(hào)，只有較高的放大倍數(shù)才能提高心電信號(hào)采集的精度；3）高共模抑制比，主要是消除市電50 Hz的工頻干擾和極化電位的干擾；4）低噪聲，使之不湮沒信號(hào)微弱且信噪比低的心電信號(hào)；5）低漂移，防止高放大倍數(shù)的放大電路出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；6）合適的帶寬，以有效地抑制噪聲，防止采樣混疊；7）高安全性，確保人體的絕對(duì)安全，主要對(duì)電氣特性的要求[4]。

1.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)方案

基于心電信號(hào)的上述特征，文中設(shè)計(jì)的高性能心電信號(hào)調(diào)理電路由一級(jí)放大電路、調(diào)零電路、工頻限波電路、帶通濾波電路和二級(jí)放大電路組成，其總體框圖如圖1所示。

調(diào)理電路的工作流程為：一級(jí)放大電路對(duì)由人體體表提取到的心電信號(hào)，進(jìn)行線性放大；經(jīng)調(diào)零電路抑制零漂后，傳送至限波電路和帶通濾波電路，濾除雜波干擾信號(hào)；再經(jīng)二級(jí)放大電路送至A/D轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行信號(hào)采樣。

圖1 調(diào)理電路總體框圖Fig．1 Structure diagram of the circuit for conditioning

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 一級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

一級(jí)放大電路[5]是調(diào)理電路設(shè)計(jì)中的第一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，其性能的優(yōu)劣直接決定了后續(xù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理的真實(shí)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)到的心電信號(hào)進(jìn)行線性放大和抑制干擾信號(hào)的功能。針對(duì)心電信號(hào)的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)增益、低功耗、低噪聲、高輸入阻抗、高共模抑制比、線性工作范圍寬和低零點(diǎn)漂移的并聯(lián)差動(dòng)三運(yùn)放儀表放大器。目前比較常見的用于心電 信 號(hào) 檢 測(cè) 的 儀 表 放 大 器 有 INA111、INA118、INA128、AD8553和AD620。其主要特性比較如表1所示。

表1 常見儀表放大器特性比較Tab.1 Characteristic of fam iliar instrucment amp lifier

針對(duì)心電信號(hào)采集的要求，經(jīng)綜合分析比較，本電路選擇體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣的AD620作為一級(jí)放大電路的主體芯片。具體電路如圖2所示。AD620使用方便，增益可通過改變1和8引腳之間的電阻來調(diào)節(jié)，計(jì)算公式如下：

計(jì)算得：

有用信號(hào)和噪聲同時(shí)經(jīng)過這一級(jí)，如果放大倍數(shù)過大，噪聲也被放大，如果噪聲幅度過大，則不利于后級(jí)處理，即后級(jí)難以有效消除噪聲。所以，一級(jí)放大電路放大倍數(shù)不宜過大，本級(jí)增益設(shè)置為11，此時(shí)引腳1和8之間接一個(gè)精度為0．01%、阻值為 4．99 kΩ 的金屬膜電阻。

2.2 調(diào)零電路設(shè)計(jì)

圖2 一級(jí)放大電路Fig．2 Circuit of first amplification

調(diào)零電路，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步抑制由于肌肉抖動(dòng)、人體緊張、呼吸顫抖等因素引起的基線漂移的功能，從而保證在輸入為零的時(shí)候，整個(gè)電路的輸出為零。本電路采用廣泛應(yīng)用的同相端調(diào)零電路，電路如圖3所示。

圖3 調(diào)零電路Fig．3 Circuit of zero

此電路中，調(diào)整電壓加在同相輸入端?？紤]到經(jīng)一級(jí)放大電路處理后的心電信號(hào)是毫伏級(jí)，此處設(shè)置R3和R5的組織分別為100 kΩ和500Ω，構(gòu)成200：1的分壓電路，R5兩端將得到失調(diào)電壓調(diào)整范圍由下式?jīng)Q定：失調(diào)電壓調(diào)整范圍=±V ss（R5/R3），其中 V ss=±3．3 V，R5兩端將得到±16．5mV 的失調(diào)電壓調(diào)整范圍，能夠滿足調(diào)零要求[6]。

2.3 工頻限波電路設(shè)計(jì)

工頻限波電路采用雙T限波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)50 Hz的工頻干擾的抑制。工頻干擾通過電磁感應(yīng)的方式從人體、導(dǎo)線等多種途徑竄入電路，尤其是心電信號(hào)很微弱，工頻干擾尤為嚴(yán)重，可將有用信號(hào)全部湮沒。因此，采用有源雙T帶阻濾波電路來抑制心電信號(hào)測(cè)量中的50 Hz的工頻干擾，電路原理圖如圖4所示。

圖4 工頻限波電路Fig．4 Circuit of restricting the signals 50 Hz

有源雙T陷波電路的截止頻率為：

通過計(jì)算選?。?/p>

2.4 帶通濾波電路設(shè)計(jì)

按照美國(guó)心電學(xué)會(huì)確定的標(biāo)準(zhǔn)，正常心電信號(hào)的幅值范圍在10μV～4mV之間，典型值為1mV，頻率范圍在0.05～100 Hz以內(nèi)。從心電功率譜能量分布來看，大部分能量集中在0.05～40 Hz之間。為有效濾除高頻干擾和低頻干擾，設(shè)計(jì)一個(gè)由低通濾波電路和高通濾波電路組成的帶通濾波電路，其頻帶范圍大約是0.05～40 Hz，該范圍內(nèi)包含了心電信號(hào)的主要能量成分，能將心電信號(hào)的有用成分從采集到的信號(hào)中分離出來。

經(jīng)比較分析有源濾波器和無源濾波器的性能特點(diǎn)，結(jié)合心電信號(hào)頻率較低的特點(diǎn)，文中選用有源濾波器。

2.4.1 高通濾波器的設(shè)計(jì)

本文高通濾波電路采用二階Sallen-Key高通濾波電路，電路如圖5所示。

圖5 二階高通濾波電路Fig.5 Circuitof second-order high-pass filter

通過計(jì)算選?。篟13=60 kΩ，R14=60 kΩ，C8=C9=0.12μF

2.4.2 低通濾波電路設(shè)計(jì)

由于心電信號(hào)具有近似脈沖波形的特征，為保證其不失真放大，必須充分考慮濾波器的相位特性。有三種典型的濾波器：巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器和貝塞爾濾波器，其中，貝塞爾濾波器具有線性相移特性，最適用于心電信號(hào)的濾波處理。巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器都會(huì)引起心電波形失真。本文設(shè)計(jì)采用二階貝塞爾有源低通濾波器，能獲得較好的高頻衰減特性和失真特性，可以減小輸出波形在上上升沿和下降沿出現(xiàn)的小幅過沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)不失真地放大，具體電路如圖6所示。仿二階高通濾波電路可得該電路的截止頻率為：

通過計(jì)算選取：R13=60 kΩ，R14=60 kΩ，C8=C9=0.12 μF

圖6 二階貝塞爾低通濾波電路Fig.6 Circuit of second-order Low-pass filter

2.5 二級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

心電信號(hào)屬于微伏級(jí)信號(hào)，即使經(jīng)過性能優(yōu)良的傳感器得到的信號(hào)也只是毫伏級(jí)。經(jīng)前級(jí)電路處理后的心電信號(hào)幅度小，不能滿足A/D轉(zhuǎn)換的需求，需要對(duì)其進(jìn)一步放大，才能與A/D轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍匹配，從而減小量化誤差。經(jīng)分析對(duì)比，該放大電路選用的是OP2177集成芯片，它具有噪聲低、增益精度高和線性度好的優(yōu)勢(shì)，可滿足對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大的需求。具體電路如圖7所示。一級(jí)放大電路對(duì)信號(hào)放大11倍，本級(jí)放大200倍，本級(jí)輸出的信號(hào)基可以達(dá)到1 V左右，能夠滿足信號(hào)采集的要求。

圖7 二級(jí)放大電路Fig.7 Circuit of second amplification

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 測(cè)試過程

硬件電路設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行硬件實(shí)際測(cè)試。輸入信號(hào)采用安捷倫函數(shù)發(fā)生器，該發(fā)生器具有幅值范圍寬、精度高、可靠的優(yōu)點(diǎn)，用安捷倫示波器觀察信號(hào)調(diào)理電路的輸出波形。

3.2 結(jié)果與分析

輸入信號(hào)的頻率為20 Hz，幅值為0.05~4 mV（模擬正常心電信號(hào)的頻率和幅值），具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：輸出波形穩(wěn)定，波動(dòng)范圍為4~33 mV，相對(duì)較小。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，整個(gè)電路輸入阻抗可達(dá) 15 MΩ，共模抑制比大于 100 dB，噪聲小與0.1μV，對(duì)微弱的心電信號(hào)有良好的濾波、放大效果、且性能穩(wěn)定，能滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。

表2 硬件電路輸入、輸出性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Result of testing for input and output of hardware circuit

4 結(jié)束語

心電信號(hào)調(diào)理電路的性能決定了整個(gè)心電信號(hào)采集系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。本文重點(diǎn)依據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，針對(duì)性地選擇元器件，并對(duì)所設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電路具有良好的濾波、放大性能，且滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，提高了心電信號(hào)采集的精度。

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