心電信號采集放大電路的簡(jiǎn)單設計方法

1 人體心電信號的特點(diǎn)
心電信號屬生物醫學(xué)信號，具有如下特點(diǎn)：
(1)信號具有近場(chǎng)檢測的特點(diǎn)，離開(kāi)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(lái)自生物體內，如肌電干擾、呼吸干擾等；也來(lái)自生物體外，如工頻干擾、信號拾取時(shí)因不良接地等引入的其他外來(lái)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(diǎn)，對采集電路系統的設計分析如下：
(1)信號放大是必備環(huán)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(xiàn)漂移問(wèn)題；
(4)信號頻率不高，通頻帶通常是滿(mǎn)足要求的，但應考慮輸入阻抗、線(xiàn)性、低噪聲等因素。

3 采集電路設計分析過(guò)程
3．1 前級放大電路設計
由于人體心電信號的特點(diǎn)，加上背景噪聲較強，采集信號時(shí)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(mǎn)足以下要求：
高輸入阻抗；高共模抑制比；低噪聲、低漂移、非線(xiàn)性度??；合適的頻帶和動(dòng)態(tài)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(gè)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(diǎn)，是生物醫學(xué)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(guò)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(guò)程采用O．5 MV，1．2 Hz的差分信號源為模擬心電輸入來(lái)模擬電路的放大過(guò)程，結果滿(mǎn)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(mǎn)足要求。
3．3 高通濾波器(消除基線(xiàn)漂移)
在電路部分加上簡(jiǎn)單的高通濾波環(huán)節，對隔斷直流通路和消除基線(xiàn)漂移將會(huì )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(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)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(jīng)過(guò)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(xiàn)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(chēng)為“反饋浮置跟蹤電路”。
3．5 整個(gè)電路系統的框圖結構
整個(gè)電路系統的原理框圖及信號流程如圖4所示。

3．6 實(shí)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：