王月琴,李紅星

(安徽新華學院,安徽,合肥 230088)

1 心電信號的特點

心臟之所以會自主跳動,是因為生理電信號在心肌細胞上傳導所致。這種電信號會穿過人體到達胸腔或肢體等皮膚表面。如果在肢體上放置電極(導體),這些微弱的心電信號就可以進行觀察和研究。通過電極采集到的心電信號主要特點如下[1]：

1)微弱性。人體心電信號通過電極傳感器采集后很微弱,一般只有0.05 mv～5 mv。

2)低頻特性。人體心電信號的頻譜主要集中在0.05 Hz～100 Hz。

3)高噪聲性。人體心電信號噪聲主要來自于人體內(nèi)部噪聲和外界噪聲。外界噪聲主要來源于高頻干擾、50 Hz工頻干擾、電極傳感器干擾、電子線路的干擾。人體內(nèi)部噪聲主要來源于肌電干擾、呼吸引起的干擾。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)心電信號特點,心電信號采集電路由四個部分組成:前置差分儀表放大器,帶通濾波電路、50 Hz陷波電路、主放大電路。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示[2]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

3 儀表放大器電路

前端通過電極采集得到的心電信號特點是具有高輸入阻抗、高共模輸入、低差模輸入,前級放大電路非常重用,前級放大電路性能好壞直接影響整個電路性能。根據(jù)前端心電采集信號特點，前端放大電路需要具有高輸入阻抗、高共模抑制比、足夠大差模放大倍數(shù)。選用儀器放大器可以滿足前端設(shè)計要求，儀表放大器電路如圖2所示。

圖2 儀表放大器電路

圖3 儀用放大器輸出波形圖

4 帶通濾波電路

0.05 Hz～100 Hz為心電信號頻譜,為了濾波噪聲信號,本設(shè)計采用0.05 Hz～100 Hz的帶通濾波電路。上限頻率為100 Hz的低通濾波電路和下限頻率為0.05 Hz的高通濾波電路串聯(lián)組成帶通濾波電路[3],電路圖如圖4所示。

圖5為帶通濾波器的幅頻特性,通過仿真結(jié)果可以看出0.05 Hz～100 Hz為通帶,信號可以基本無衰減通過。

圖4 帶通濾波電路

圖5 帶通濾波電路幅頻特性

5 50 Hz陷波電路

市電電壓的頻率為50 Hz,它會以電磁波的輻射形式對電子設(shè)備造成干擾,稱這種干擾為工頻干擾[4]。50 Hz的工頻干擾是生理信號的主要干擾,其頻率處于心電信號的頻率范圍內(nèi),所以前端帶通濾波電路不能濾波工頻干擾信號,需在后端采用專門電路進行濾除。本文采用中心頻率為50 Hz的帶阻濾波電路(即50 Hz陷波電路),陷波電路圖如圖6所示。

圖7為50 Hz陷波電路幅頻特性圖,通過仿真結(jié)果可以看出，50 Hz為帶阻濾波器的中心頻率,幅值得到了較大的衰減。

圖6 50 Hz陷波電路圖

圖7 50Hz陷波電路幅頻特性

6 主放大電路

圖8 主放大電路

7 結(jié)論

本文詳細分析了人體心電信號基本特征,設(shè)計了一種心電信號采集放大電路,基于multisim12仿真軟件對各單元電路進行了仿真驗證。驗證結(jié)果表明，理論值和測量值基本保持一致。該采集電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、性價比高,可作為心電監(jiān)測儀的前端采集電路。