實(shí)驗室電路之用于病人監護的心電圖前端

連接/參考器件

ADAS1000集成呼吸與脈搏檢測的心電圖（ECG）前端

ADP151超低噪聲、200 mA CMOS線(xiàn)性穩壓器

評估和設計支持

電路評估板

評估板（EVAL-ADAS1000SDZ）

系統演示平臺（EVAL-SDP-CB1Z）

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

本電路是高度集成的心電圖（ECG）前端，用于電池供電式病人監護應用。圖1顯示典型5導聯(lián)（4個(gè)肢體導聯(lián)和1個(gè)心前胸導聯(lián)）ECG測量系統物理連接的頂層框圖，該系統集成了呼吸與脈搏檢測功能。這種配置通常用于便攜式遙測ECG測量或線(xiàn)路供電式床邊儀器的最小導聯(lián)設置。

在皮膚表面測量時(shí)，ECG信號幅度較小，通常為1 mV.有關(guān)病人的健康及其它參數的重要信息都蘊藏在那個(gè)小信號之中，因此要求器件具有μV級的測量靈敏度。就系統而言，許多醫療標準都要求最大噪聲不超過(guò)30μV p-p；然而，設計人員通常把這一數值定的更低。因此，設計滿(mǎn)足系統層面需求的解決方案時(shí)，必須考慮所有的噪聲源。

ADAS1000的額定噪聲性能針對多種不同的工作環(huán)境。電源須經(jīng)過(guò)設計，確保不會(huì )降低整體性能。選擇ADP151線(xiàn)性穩壓器是由于它的超低噪聲性能（9μV rms典型值，10 Hz至100 kHz），配合ADAS1000的電源抑制性能，可確保ADP151產(chǎn)生的噪聲不影響整體噪聲性能。


圖1.用于典型4電極+ RLD或5導聯(lián)配置的ADAS1000簡(jiǎn)化功能框圖（未顯示所有連接和去耦）

電路描述

ADAS1000五電極ECG模擬前端（AFE）解決新一代低功耗、低噪聲、高性能系留式和便攜式ECG系統帶來(lái)的挑戰。

ADAS1000是一款高度集成的芯片，由五個(gè)電極輸入和一個(gè)專(zhuān)用右腿驅動(dòng)（RLD）輸出參考電極組成，專(zhuān)為監控與診斷級ECG測量而設計。

除了支持監控ECG信號的基本元件，ADAS1000還配備了呼吸測量（胸阻抗測量）、起搏偽像檢測、導聯(lián)/電極連接狀態(tài)以及內部校準等功能。

單個(gè)ADAS1000支持5個(gè)電極輸入，輕松進(jìn)行傳統的6導聯(lián)ECG測量。并聯(lián)第二個(gè)ADAS1000從機設備便可將系統調節到真正的12導聯(lián)測量（由9個(gè)電極和1個(gè)RLD組成），若加入多個(gè)從機設備（3個(gè)或更多），便可將系統調節到15導聯(lián)測量甚至更多。

呼吸 ADAS1000集成用于在46 kHz至64 kHz的可編程頻率下進(jìn)行呼吸驅動(dòng)的數模轉換器（DAC），以及用于簡(jiǎn)化這一復雜測量過(guò)程的模數轉換器（ADC）。測量信號經(jīng)解調，轉換為幅度和相位信息，可據此確定相應的呼吸信息，從而得到具體的線(xiàn)纜參數。本電路使用內部電容時(shí)分辨率為200 mΩ，使用外部電容時(shí)具有較高的分辨率（200 mΩ）。電路具有靈活的開(kāi)關(guān)方案，允許測量三個(gè)導聯(lián)中的一個(gè)（I、II或III）。

起搏檢測算法起搏檢測算法在四根可能的導聯(lián)線(xiàn)（I、II、III或aVF）中的三根上運行三個(gè)數字算法實(shí)例。它與內部抽取和濾波并行針對高頻心電圖數據運行。該算法設計用于檢測并測量寬度范圍從100 μs到2 ms、幅度從400 μV到1000 mV的起搏偽像。ADAS1000返回一個(gè)標志，用以表示是在一根還是多根導聯(lián)線(xiàn)上檢測到起搏信號，同時(shí)返回檢測到信號的高度和寬度。當用戶(hù)希望運行自己的數字起搏算法時(shí)，ADAS1000提供了一個(gè)高速起搏接口，以極快的數據速率（128 kHz）提供ECG數據，與此同時(shí)，標準接口上經(jīng)過(guò)濾波和抽取的ECG數據保持不變。

低功耗 ADAS1000針對低功耗設計，僅需21 mW便可進(jìn)行5個(gè)ECG電極的測量。若需進(jìn)一步降低電池供電式動(dòng)態(tài)心電和遙測儀等應用的整體功耗，所有未用到的通道和特性都可輕松禁用，以便進(jìn)一步將單個(gè)ECG導聯(lián)的功耗降低至11 mW.

低噪聲

若需在不同條件下進(jìn)行正確診斷，則低噪聲性能至關(guān)重要。終端設備需要借助于A(yíng)DAS1000的噪聲性能，以符合監管標準。ADAS1000允許在噪聲性能、功耗以及數據速率之間進(jìn)行權衡取舍，適合用于多種產(chǎn)品之中。在功耗并非主要問(wèn)題的線(xiàn)路供電式ECG系統中，ADAS1000的性能同樣非常出色。

使用器件的高性能模式可優(yōu)化其噪聲性能，該模式下片上SAR ADC的采樣速率上升至2 MSPS，因此具有更高的信噪比（SNR）。

靈活的數據速率

標準串行接口可輸出所有ECG相關(guān)信息，包括導聯(lián)脫落狀態(tài)、起搏、呼吸和其它輔助功能。統稱(chēng)“包”或“幀”的大量32位或16位數據字通過(guò)數據總線(xiàn)的串行SDO引腳輸出。提供不同的數據幀速率（2 kHz、16 kHz或128 kHz），確保最終簡(jiǎn)化數據采集任務(wù)。最低的數據速率（2 kHz）可實(shí)現更多抽取功能，并且針對低噪聲性能優(yōu)化了幀數據速率。還可在跳躍模式下讀取數據，該模式每次都在第二或第三個(gè)字時(shí)從設備讀取包或幀。數據速率最低為500 Hz.

ADAS1000評估板連接SDP板的照片見(jiàn)圖2.

評估板設計為提供1導聯(lián)至12導聯(lián)ECG測量。


圖2. ADAS1000評估板/SDP板（EVAL-SDP-CB1Z）

用于便攜式ECG應用中的電池

用于便攜式ECG設備中的電池種類(lèi)各異，在某些情況下可能會(huì )用AA或AAA電池，方便更換或充電。

電池增加了儀器儀表的整體重量。由于病人的舒適度非常重要，因此減少整體解決方案的尺寸和重量并保持電池壽命就成了便攜式ECG應用的首要考量因素。

最新產(chǎn)品傾向于使用化學(xué)電池，如鋰離子電池，并且電池供電時(shí)間可從幾小時(shí)到幾天，具體時(shí)間視產(chǎn)品而定。

電池電壓范圍取決于系統中元器件的電源范圍。ADAS1000需要3.3 V的AVDD.因此，若使用了ADP151穩壓器，則電池必須供應至少3.7 V的電源，所需裕量為400 mV.鋰離子或鋰聚合物電池的標稱(chēng)電壓為3.7 V；然而，放電電壓大約為3.2 V.因此，需要兩個(gè)堆棧確保ADP151達到3.7 V的最小電壓。

選擇合適的電源解決方案ADAS1000至少需要兩條供電軌——AVDD和IOVDD.如表1所示，ADCVDD和DVDD供電軌是可選的；使用ADAS1000集成的片上LDO，可分別從AVDD或IOVDD供電軌獲取電源。

表1. ADAS1000所需的電源


AVDD和IOVDD在評估板上由3.3 V電源供電。為IOVDD供電軌選擇3.3 V，以保持與EVAL-SDP-CB1Z上的SPORT接口兼容。若需要與工作在較低電源電壓下的微控制器接口，則IOVDD電源電壓可低至1.65 V.

或者，如果需要電源效率更高的解決方案，可通過(guò)ADAS1000上的硬件引腳（VREG_EN）禁用ADCVDD和DVDD內部供電軌，以便通過(guò)外部電源驅動(dòng)ADCVDD和DVDD供電軌。由于A(yíng)DCVDD供電軌在片上為ADC供電，必須盡量保持其干凈，并且一定不能與含有噪聲的數字電源一同使用。

根據具體的工作模式，為單個(gè)ADAS1000供電的AVDD供電軌電源電流通常在8 mA和15 mA之間，并使能所有5路通道；可禁用不工作的通道以降低功耗。

專(zhuān)用的ADP151同時(shí)作用于評估板上的AVDD和IOVDD電源。注意每個(gè)ADP151都可驅動(dòng)200 mA電流，因此可為系統內的其它元器件供電。ADP151穩壓器的輸入來(lái)自電路板上供其它用途的5 V供電軌。

加入適當的濾波后，單個(gè)ADP151即可同時(shí)提供AVDD和IOVDD供電軌的電源，確保AVDD供電軌不受IOVDD供電軌上的任何數字噪聲影響。

EVAL-ADAS1000SDZ評估板設計成能夠以大約250 mA為EVAL-SDP-CB1Z板提供所需的5 V電源。ADP2503降壓/升壓DC-DC轉換器可由連接板卡的4.5 V至5.5 V輸入電源產(chǎn)生5 V供電軌。

若該硬件連接SDP板并由電池供電，則總功耗將很快耗盡電池的電量。

常見(jiàn)變化

ADAS1000系列中的其它引腳兼容型ECG前端提供的功能較少。例如，ADAS1000-4是3通道版本，帶脈搏與呼吸檢測功能；ADAS1000-3提供3路ECG通道但不帶脈搏或呼吸檢測功能。ADAS1000-2是配套器件，具有5路ECG通道，適用于組合配置模式，支持12導聯(lián)ECG測量（9個(gè)ECG電極和1個(gè)RLD）。表2列出了該系列各產(chǎn)品間的差異。這些產(chǎn)品系列確保了靈活的配置，可從較少的導聯(lián)數一路擴展至15導聯(lián)測量，甚至更多。

可將DC-DC轉換器用于電源以獲得更高的效率，但需謹慎布局布線(xiàn)并避免紋波噪聲。


表2. ADAS1000系列不同產(chǎn)品的功能概覽

主接口針對希望使用自有數字起搏算法的用戶(hù)而提供，參見(jiàn)ADAS1000數據手冊中的“第二串行接口”部分。

電路評估與測試

設備列表

需要以下設備：

EVAL-ADAS1000SDZ套件，包括EVALADAS1000SDZ評估板、5 V壁式電源、含有ADAS1000評估軟件的CD

EVAL-SDP-CB1Z系統演示板

集成USB端口的PC，且已安裝ADAS1000評估軟件

可用于信號捕捉的病人仿真器或函數發(fā)生器

有關(guān)如何使用ADAS1000評估板的詳細說(shuō)明，請參考ADAS1000SDZ用戶(hù)指南。圖3顯示使用評估板軟件的典型屏幕截圖，評估板連接病人仿真器。


圖3.連接病人仿真器的ADAS1000屏幕截圖，心率= 70 BPM

噪聲測量評估板軟件用于捕獲采用ADAS1000評估板時(shí)ECG導聯(lián)路徑的峰峰值噪聲性能。結果如圖4所示。器件配置條件如下：

增益設置為1.4

ADC采樣速率為2 MSPS（高性能模式）

數據速率為2 kHz

在數字導聯(lián)模式下配置（數字計算型導聯(lián)）

ECG通道連接1.3 V內部測試音


圖4.使用ADAS1000評估板和評估軟件時(shí)導聯(lián)模式下ADAS1000噪聲測量的屏幕截圖

x軸表示時(shí)間，顯示幾秒內的信號捕獲；y軸的單位為μV，表示這些條件下，信號在±7μV范圍內變化的噪聲性能。這與期望的ADAS1000性能一致，并且與使用低噪聲線(xiàn)性臺式電源時(shí)相同硬件上的性能相當。它證明了評估板上的ADP151電源電路并未導致ADAS1000整體噪聲的顯著(zhù)增加。

使用本評估板和電路筆記的條件

有關(guān)完整的免責聲明，請參考ADAS1000SDZ用戶(hù)指南。

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本評估板僅限評估和開(kāi)發(fā)使用，不可用作最終產(chǎn)品，或作為最終產(chǎn)品的一部分使用。在這些應用中以任何方式使用本評估板或設計，則由使用者自行承擔相關(guān)風(fēng)險；由于未經(jīng)授權使用而給ADI公司、其附屬機構、員工、董事、管理層、委托人和代理人帶來(lái)的全部責任和費用，應由使用方賠償全部損失。使用方全權負責遵守與此類(lèi)使用相關(guān)的所有法律和法規要求。