經(jīng)驗總結：如何簡(jiǎn)化用于心率監測器的模擬前端設計

我保持身形的新年決心并未像我希望的那樣成功。和許多人一樣，我在開(kāi)始時(shí)熱情萬(wàn)丈，但可能會(huì )慢慢回到老樣子。

在我的一個(gè)試驗中，我開(kāi)始思考設計一款心率監測器來(lái)監測我自己的健康狀況究竟會(huì )有多難。我看到越來(lái)越多的便攜式設備集成了患者監護功能，它們這樣做的目的是提前發(fā)現心臟異常情況來(lái)挽救生命。

大約三年前，德州儀器 (TI) 發(fā)布了ECG/EEG 模擬前端 ADS1298 產(chǎn)品系列，旨在使用于生物電勢設備的模擬前端設計變得更簡(jiǎn)易一些?，F在，更簡(jiǎn)單一點(diǎn)兒說(shuō)，我在談?wù)撚彝闰寗?dòng) (RLD) 設計、威爾遜中心終端 (WCT) 設計、導聯(lián)脫落檢測方法等(已被集成到芯片中，使電路板占用空間最多可縮減 95%)。這種高集成度可減少電路板占用空間，使設計更加小巧。結合極低的功耗(在 1mW 以下)，該產(chǎn)品系列真的非常適合便攜式應用。讓我們更仔細地審視一下胸帶心率監測器，看看設計模擬前端有多大難度。

當心臟搏動(dòng)時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生一種很小的電脈沖，主要頻率成分的帶寬較小，為 40Hz;振幅大約為幾毫伏。這種電脈沖可由高精度 ADC(如 ADS1291)獲得并進(jìn)行數字化處理，無(wú)需任何外部增益級設置。因此請謹記，如果我們拆開(kāi)胸帶的設計，我們會(huì )看到，它被兩個(gè)放置在胸前的電極進(jìn)行了簡(jiǎn)化，為的是標明單個(gè)導聯(lián)(稱(chēng)為導聯(lián) I)。無(wú)需使用第三個(gè)電極來(lái)給健身愛(ài)好者或患者加偏壓。相反，我們使用了不同的設計方法，以確保輸入在轉換器的范圍之內。輸入是 AC 耦合式的，可以便從患者身上移除 DC 工作點(diǎn)。然后，我們用高阻抗電阻器來(lái)設置工作點(diǎn)。

我前面已提到，RLD 電極無(wú)需驅動(dòng)患者肢體。相反，通過(guò)弱電阻器，可用 RLD 電極在轉換器的輸入端設置偏置點(diǎn)。還有其它給輸入加偏壓的方法：可使用電源或外部 LDO。事實(shí)上，任何源極均可使用，只要它能確保輸入在 ADC 的運行范圍內即可。

由于大多數信號成分的帶寬都較小，為 40H，所以可限制 ADC 的數據速率，以幫助調低噪聲。ADS1298 產(chǎn)品系列的數字濾波器可限制 1/4 的數據速率，這就允許我們使用 250SPS 甚至 500SPS 并仍能滿(mǎn)足 1μVrms 轉換器的噪聲要求。

其實(shí)，這就是您為設計模擬前端所需要的一切 — 沒(méi)有什么太復雜的。高級醫療設備或消費類(lèi)心率監測器甚至可使用相同的模擬前端設計。ECG 設計的“內容”取決于您如何利用數字處理中的數據。這是該系統的出色之處。在今后的文章中，我將對數字處理多作一些解釋?zhuān)凑堦P(guān)注。