一种心电信号采集放大电路的简单设计方法

红灯记

1、人体心电信号的特点
心电信号属生物医学信号，具有如下特点：
(1)信号具有近场检测的特点，离开人体表微小的距离，就基本上检测不到信号；
(2)心电信号通常比较微弱，至多为mV量级；
(3)属低频信号，且能量主要在几百赫兹以下；
(4)干扰特别强。干扰既来自生物体内，如肌电干扰、呼吸干扰等；也来自生物体外，如工频干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来串扰等；
(5)干扰信号与心电信号本身频带重叠(如工频干扰等)。

2、采集电路的设计要求
针对心电信号的上述特点，对采集电路系统的设计分析如下：
(1)信号放大是必备环节，而且应将信号提升至A／D输人口的幅度要求，即至少为“V”的量级；
(2)应尽量削弱工频干扰的影响；
(3)应考虑因呼吸等引起的基线漂移问题；
(4)信号频率不高，通频带通常是满足要求的，但应考虑输入阻抗、线性、低噪声等因素。

3、采集电路设计分析过程
3.1、前级放大电路设计
由于人体心电信号的特点，加上背景噪声较强，采集信号时电极与皮肤间的阻抗大且变化范围也较大，这就对前级(第一级)放大电路提出了较高的要求，即要求前级放大电路应满足以下要求：
高输入阻抗；高共模抑制比；低噪声、低漂移、非线性度小；合适的频带和动态范围。
为此，选用Analog公司的仪用放大器AD620作为前级放大(预放)。AD620的核心是三运放电路(相当于集成了三个OP07运放)，其内部结构如图1所示。

该放大器有较高的共模抑制比(CMRR)，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小且具有调节方便的特点，是生物医学信号放大的理想选择。根据小信号放大器的设计原则，前级的增益不能设置太高，因为前级增益过高将不利于后续电路对噪声的处理。

根据上面的分析，前级放大电路按图2设计，并先运用Multisim 2001仿真。

仿真过程采用O．5 MV，1．2 Hz的差分信号源为模拟心电输入来模拟电路的放大过程，结果满足要求。

3.2、次级放大电路(信号放大)
第二级放大电路主要以提高增益为目的，选用普通的AD OP07即可满足要求。

3.3、高通滤波器(消除基线漂移)
在电路部分加上简单的高通滤波环节，对隔断直流通路和消除基线漂移将会起到事半功倍的效果，本部分电路置于预放大与信号放大电路之间，一个简单的无源高通滤波电路如图3所示。

其特征频率(转折频率)计算为：

经过高通滤波后，可X以大大削弱0．03 Hz以下因呼吸等引起的基线漂移程度，心电信号低频端也就相应地取该频率。

3.4、补偿电路(抵消人体信号源中的各种噪声)
引入补偿电路，是为了抵消人体信号源中的干扰(包括工频干扰)。引入补偿电路的方法：在前级放大电路的反馈端与信号源地端建立共模负反馈，为提高电路的反馈深度，将反馈信号放大后(仍采用OP07)接人信号源参考端，这样可以最大限度地抵消工频干扰。引入的这种电路形式，根据其结构和功能，可形象地将其称为“反馈浮置跟踪电路”。

3.5、整个电路系统的框图结构
整个电路系统的原理框图及信号流程如图4所示

3.6、实际电路系统原理图
最后的综合电路如图5所示。图中U1单元为AD620前置放大；U2为反馈浮置跟踪部分；U3为第二级放大输出部分。
该电路的增益估算为：
第一级放大：

实际增益由于高通滤波及其他损耗的存在，要比理论估算值略小，但已满足放大输出的要求。


、电路性能的实验验证
按图5搭建电路，采用虚拟仪器LabVIEW 8．2系统，通过NI的USB-6009DAQ采集电路输出的心电信号，结果如图6所示(为便于对比，采用了相同的坐标刻度)。
在图6中，图6(a)为不加反馈浮置部分时采集到的信号波形，可以看出，干扰很大，其中的主要干扰为50 Hz的工频干扰；图6(b)为加上反馈浮置电路部分后采集到的心电波形，其基线附近的仍有部分纹波干扰，但较图6(a)不加反馈浮置时得到的波形已大为改善，可见加上反馈浮置电路对降低人体中干扰信号有很大帮助。至于仍残留的工频干扰，可在系统后续部分采用有关滤波技术进一步加以抑制，这里不再讨论有关工频干扰的进一步滤波问题。

5、结语
采用以AD620及OP07为核心的信号放大器来实现心电信号的放大，电路功耗小，灵敏度高，理论上最低只需3 V的电源，可由外接电池提供，容易实现基于移动式设备(如笔记本电脑)为核心的心电信号采集及处理，是一种实用的心电信号前端采集放大电路(信号的进一步优化可在采集后由软件进行调理)。