心电信号采集的硬件电路设计

1、浩铭科技工作室 下属中国莲溪书院发布技术文档 版权所有心电信号采集的电路设计1.1 心电信号采集电路的设计要求通过前面的分析得出心电信号是一种典型的人体生理信号，具有生物电信号的普遍特征，如幅度小、频率低并且易受外界环境干扰，为采集和测量带来了难度。由于本系统需要进行大量的数学运算，所以对处理器的数据处理能力和速度也有很高的要求。如果选用处理速度很快的处理器，则相应的外设也要有与之相适应的性能指标16。综合各个方面因素，电路设计要求：(1)对微弱的心电心电信号进行放大和滤波等必要的信号调理a)设计合理的导联系统，选择合适的传感器。b)设计合理的有源滤波器，能够进行005-100hz的带通滤波，

2、50hz陷波。c)实现1000倍的信号放大。d)实现信号电压抬高。(2)进行符合要求的ad转换根据采样定理，采样频率要是心电频率的2倍以上，所以a/d的采样频率至少要达到200hz以上。(3)设计电源电路1.2 心电采集电路总体框架a/d转换电平抬升带通滤波50hz陷波前置放大心电信号图 1.1 采集电路总体框架由于心电信号是微弱信号，所以设置前置放大器用来放大心电信号；为了抑制基线漂移，设置了0.5hz高通滤波；由于心电信号属于低频信号，设置了二阶低通巴特沃斯滤波器，消除100 hz以上的高频成分；为了消除50 hz工频干扰，设置50 hz双t陷波电路；为了心电信号不失真，设计了电平抬升电路

3、；最后设置了a/d转换电路，使信号频率达到采样要求17。本系统选用的前置放大器是ad620a，具有很好的性能，非常适合作为心电信号测量前置放大器，引脚分布如图1.2其具体规格特性如下：(1)电源供应范围：2.3v-18v；(2)高精度：输人最大偏置电流：1ma；输人最大失调电流：o5na；输入最大失调电压：50v；最大温度漂移：o6v；输入阻抗：10g。(3)低杂讯：输入电压噪声(f=1k hz)：9nv：共模抑制比(增益g=10)：100db。ad620的增益可调，范围为11000倍，通过调节ad620a的1和8腿之间的rg的值来实现： 图1.2 ad620引脚分布图本电路所用的集成放大电路

4、为op07。引脚分布如图1.3。op07芯片是一种低噪声的单运算放大器集成电路。由于op07具有非常低的输入失调电压（对于op07a最大为75v），所以op07在很多应用场合不需要额外的调零措施。op07同时具有输入偏置电流低（op07a为2na）和开环增益高（对于op07a为300v/mv）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得op07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。其主要规格参数有：电源供应范围：3v-18v；输入最大失调电压：75v；最大温度漂移：1.3v /。图1.3 op07引脚图1.3 采集电路模块1.3.1前置放大电路设计前置放大是整个信号放大最关键的环

5、节，关系到整个模拟采集部分的工作性能。前面已经对心电信号的干扰因素已经有比较全面和详细的介绍，设计电路时必须把这些干扰因素减小到最小。前置放大器是整个前置放大电路的“心脏”，关系到前置放大电路的性能，因而它的选型非常重要18。本系统主要基于以下三个方面来确定前置放大器的选型。(1)心电测量中，皮肤和电极接触将引起极化电压，如果两个电极完全对称，这种极化电压数值和相位相同，将作为直流共模信号输入到心电放大器；无处不在的工频干扰也是一种共模干扰。因而所选放大器一定要有很高的共模抑制比(cmrr)，共模抑制比高能很好地抑制干扰。心电信号前置放大器的共模抑制比一般要在80db以上。(2)电极和皮肤接触

6、会存在极化电阻，而被测者身体的移动会导致极化电阻阻抗值发生变化。极化电阻可以看作是整个电路系统源电阻，和前置放大电路的输入电阻进行分压，变化的极化电阻会导致前置放大电路的分压输出处于不稳定状态。所以心电前置放大器必须具有很高的输入阻抗才能减弱心电信号的衰减影响。信号源阻抗一般在数十欧姆到数k欧姆之间，心电前置放大器的输入阻抗应该比源阻抗至少高两个数量级，以保证信号的不失真。(3)由于电子电路温度变化而造成的零点漂移也能严重影响正常的心电信号的检测，因而要采用低温漂的元件，尤其是在选择心电信号放大器时更要选择低温漂的产品，否则会影响放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法放大，心电信号中的低频成

7、分不能得到正确的测量。总之前置放大器的选择要从高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声和低温漂这几个方面着手。前置放大器的性能并不是整个实际电路的性能，还必须辅以合理的电路结构来充分发挥前置放大器的作用。前置放大级最重要的电路参数为共模抑制比参数，很大程度上取决于电路的对称性，本系统采用典型的差分放大电路来作为前置放大级，可以有效地提高共模抑制比，如1.4和图1.5所示，和接成射极跟随器，可以稳定输入信号和提高输入阻抗和共模抑制比；将和的人体共模信号检测出来用于驱动导线屏蔽层，以消除分布电容，进一步提高共模抑制比：、和构成浮地驱动电路可将人体共模信号放大后用于激励人体右腿，从而降低共模电压，较强地抑制

8、50hz工频干扰。极化电压差作为差模直流电压信号输入到放大器，会造成前置放大器静态工作点的偏离，严重会导致放大器进入截止或饱和状态。这种极化电压的存在限制了前置放大级的增益，为了避免截止或饱和，前置放大电路的增益不能太大，本系统设计的前置放大电路的增益。图1.4 前置放大电路图1.5 前置放大电路1.3.2 右腿驱动电路心电电极和电力线之问由于存在电容耦合会产生位移电流id，位移电流大部分从人体流经地，对人体是十分有害的。皮肤与接地间的接地阻抗为z3，位移电流流经z3建立共模电压，对微弱的心电信号检测影响很大19。假定zi，z2为皮肤和电极1，2间的接触电阻，id1和id2为心电电极1，2和电

9、力线之间的位移电流，则导联信号的两个电极输入端a，b因位移电流将产生电位差：降低位移电流干扰的一种有效办法是采用右腿驱动法，图3.6为右腿驱动的具体连接电路。由图1.5，右腿不直接接地而是接到辅助运算放大器u10的输出。从r43和r44电阻结点检出共模电压，它经过辅助的反相放大器放大后通过电阻r39反馈到右腿。人体的位移电流这时候不再流入地而是流入r39和辅助放大器的输出。r39起安全保护作用，当病人和地之间出现很高电压时辅助放大器饱和，右腿驱动不起作用，这时候u10等效于接地，r39此时起到限流保护作用。右腿驱动电路实际可以看成以人体为相加点的共模电压并联负反馈电路，任何流入人体的位移电流基

10、本等于反馈电阻上的驱动电流。只要放大器a的开环增益足够大，那么即使有大的位移电流流入人体，人体的电位基本保持零电位。采用右腿驱动电路，对50hz干扰的抑制并不以损失心电信号的频率成分为代价。但由于右腿驱动存在交流干扰电压的反馈电路，而交流电流经人体，成为不安全因素，限流电阻通常在1m以上。图1.6 右腿驱动电路1.3.3 滤波电路设计(1)滤波理论模拟滤波器类型由低通、高通、带通、带阻以及全通等，滤波电路传递函数一般采用复频率表示方式，既s域法。传递函数的零、极点决定了该电路具体的滤波类型。“零点”是分子s多项式的根，“极点”则是分母多项式的根。需要注意的是必须保证系统处于稳定状态，既极点都处

11、于s平面的左半侧，否则电路会产生自激振荡21。图1.7为二阶有源滤波器的示意图，运放接成同相放大器，其增益为图1.7 二阶有源滤波器示意图该电路的传递函数推导如下：根据电路，分别列出节点c及b的电流方程i=0，得： 联立上式可得：赋予y1到y4不同的阻容元件，可以得到不同类型的滤波器，令y1=y3=1/r，y2=y4=sc,则传递函数：该传递函数共有两个极点而没有零点，是一个二阶低通滤波器。其中，式中 -特征角频率，k-运放增益，q-滤波电路的等效品质因素，q值太低，滤波器很难有陡峭的过渡带。当k3时，母中系数s项变为负，极点就会移至s平面的右半平面，从而导致系统不稳定。如果将低通电路中的r和

12、c的位置互换，就可以得到rc高通电路。即若y1=y3=sc,y2=y4=1/r,就可以得到二阶有源高通滤波器，由于二阶高通滤波器与二阶低通滤波器在电路结构上存在对称性，他们的传递函数也存在对偶关系，可得高通滤波器的传递函数为：当低通和高通滤波电路串联，可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波器的截止角频率大于高通滤波电路的截止角频率，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。(2)心电信号的带通滤波器设计图1.8是带通滤波电路图，采用两个运放设计成二阶有源高通和低通滤波电路并组合成带通滤波，两个运放的增益为1。op-07(图中标识为u13和u14)是常用的通用放大器，价格便宜，它具有高精度、低功耗，低偏

13、置的特点。其中、和构成高通电路，其截止频率， 等效品质因素q=13。、和组成低通电路，为了不损失心电信号的高频成分，其截止频率。该部分电路实际调试过程中发现，如果f2设为150hz，信号发生器提供的正弦输入信号要到200hz才会有明显的衰减，为了使滤波电路的选频性能更精确，带通频带上限留有的余量不是很大，实验也证明这样效果更好。 图1.8 带通滤波电路1.4电平抬升电路由于本系统的a/d转换是通过单3.3v电平供电的，而ecg信号经过放大后会是交变信号，为了是心电信号不失真，必须在把信号送到a/d转换之前，把电平给抬升上去。这里采用了一个25v的稳压管lm385经电阻分压，从而把电平抬升上去2

14、0，如图1.9所示：图3.9 电平抬升电路1.5 心电信号的50hz带阻滤波器设计虽然心电信号前置放大电路对50hz工频干扰有很强的抑制作用，但仅仅靠共模抑制是不够的，还需要设计专门的滤波电路来滤除，模拟带阻滤波器，俗称陷波器。最典型的陷波电路是无源双t网络加运算放大器，双t网络实际是由低通和高通滤波器并联组合成的二阶有源带阻滤波器，两个运算放大器接成射随状态，增益都为l22。本系统实际采用的电路就是这种双t网络构成的带阻滤波器，如图1.10所示，运算放大器仍选用的是op-07。 = =r， = =c，、并联为2c，、并联为r/2，设 = ， = ，该电路的传递函数为： 式中，调节r1,r2的

15、比值可以控制q的值。图1.10 50hz陷波电路取c44=c45=c46=c35=0.068uf，r49=r50=r51=r52=47k，r53=r54=50k，由上式，q=0.5，实际调试过程表明，该电路对50hz的衰减在20db左右，对工频干扰有一定的遏制作用，但并不能满足系统要求。1.6 a/d转换模块电路设计1.6.1 adc0809简介adc0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。引脚及内部结构示意图如图1.11 。1主要特性1）8路输入通道，8位ad转

16、换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s 4）单个5v电源供电 5）模拟输入电压范围05v，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mw。 2内部结构adc0809是cmos单片型逐次逼近式ad转换器，内部结构如图3.11所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型ad转换器、逐次逼近。 3外部特性（引脚功能）adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图1.10所示。下面说明各引脚功能。 in0in7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 adda、addb、addc：3位地址输

17、入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 start： ad转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动a/d转换）。 eoc： ad转换结束信号，输出，当ad转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 oe：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当ad转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：基准电压。 vcc：电源，单一5v。 gnd：地。 图1.11 adc0809示意图1

18、.6.2 adc0809的工作过程首先输入3位地址，并使ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 ad转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到ad转换完成，eoc变为高电平，指示ad转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当oe输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。1.6.3 adc0809与单片机的接口adc0809可以以查询方式或中断方式与单片机at89c52相连，本课题采用查询方式，并采用定时器t0定时4 ms中断，进行250 hz采样。adc0809与at89c52单片机的接口如图1.12所示。由于adc0809片内无时钟，可利用at89c52提供的地址锁在允许信号ale经d触发器二分频后获得ale脚的频率是at89c5