1 人體心電信號的特點
心電信號屬生物醫(yī)學(xué)信號，具有如下特點：
(1)信號具有近場檢測的特點,，離開人體表微小的距離,，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,。干擾既來自生物體內(nèi)，如肌電干擾,、呼吸干擾等,；也來自生物體外，如工頻干擾,、信號拾取時因不良接地等引入的其他外來串擾等,；
(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(shè)計要求
針對心電信號的上述特點,，對采集電路系統(tǒng)的設(shè)計分析如下：
(1)信號放大是必備環(huán)節(jié),，而且應(yīng)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(yīng)盡量削弱工頻干擾的影響,；
(3)應(yīng)考慮因呼吸等引起的基線漂移問題；
(4)信號頻率不高,，通頻帶通常是滿足要求的,，但應(yīng)考慮輸入阻抗、線性,、低噪聲等因素,。
3 采集電路設(shè)計分析過程
3．1 前級放大電路設(shè)計
由于人體心電信號的特點，加上背景噪聲較強,，采集信號時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(yīng)滿足以下要求：
高輸入阻抗；高共模抑制比,；低噪聲,、低漂移、非線性度??；合適的頻帶和動態(tài)范圍。
為此,，選用Analog公司的儀用放大器AD620作為前級放大(預(yù)放),。AD620的核心是三運放電路(相當于集成了三個OP07運放)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
該放大器有較高的共模抑制比(CMRR),，溫度穩(wěn)定性好,，放大頻帶寬,，噪聲系數(shù)小且具有調(diào)節(jié)方便的特點，是生物醫(yī)學(xué)信號放大的理想選擇,。根據(jù)小信號放大器的設(shè)計原則,，前級的增益不能設(shè)置太高，因為前級增益過高將不利于后續(xù)電路對噪聲的處理,。
根據(jù)上面的分析,，前級放大電路按圖2設(shè)計，并先運用Multisim 2001仿真,。
仿真過程采用O．5 MV,，1．2 Hz的差分信號源為模擬心電輸入來模擬電路的放大過程，結(jié)果滿足要求,。
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即可滿足要求。
3．3 高通濾波器(消除基線漂移)
在電路部分加上簡單的高通濾波環(huán)節(jié),，對隔斷直流通路和消除基線漂移將會起到事半功倍的效果,，本部分電路置于預(yù)放大與信號放大電路之間，一個簡單的無源高通濾波電路如圖3所示,。
其特征頻率(轉(zhuǎn)折頻率)計算為：
經(jīng)過高通濾波后,，可X以大大削弱0．03 Hz以下因呼吸等引起的基線漂移程度，心電信號低頻端也就相應(yīng)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(jù)其結(jié)構(gòu)和功能,，可形象地將其稱為“反饋浮置跟蹤電路”。
3．5 整個電路系統(tǒng)的框圖結(jié)構(gòu)
整個電路系統(tǒng)的原理框圖及信號流程如圖4所示,。
3．6 實際電路系統(tǒng)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：
實際增益由于高通濾波及其他損耗的存在，要比理論估算值略小,，但已滿足放大輸出的要求,。
4 電路性能的實驗驗證
按圖5搭建電路，采用虛擬儀器LabVIEW 8．2系統(tǒng),，通過NI的USB-6009DAQ采集電路輸出的心電信號,，結(jié)果如圖6所示(為便于對比，采用了相同的坐標刻度),。
在圖6中,，圖6(a)為不加反饋浮置部分時采集到的信號波形，可以看出,，干擾很大,，其中的主要干擾為50 Hz的工頻干擾；圖6(b)為加上反饋浮置電路部分后采集到的心電波形,，其基線附近的仍有部分紋波干擾,，但較圖6(a)不加反饋浮置時得到的波形已大為改善，可見加上反饋浮置電路對降低人體中干擾信號有很大幫助,。至于仍殘留的工頻干擾,，可在系統(tǒng)后續(xù)部分采用有關(guān)濾波技術(shù)進一步加以抑制，這里不再討論有關(guān)工頻干擾的進一步濾波問題,。
5 結(jié) 語
采用以AD620及OP07為核心的信號放大器來實現(xiàn)心電信號的放大,，電路功耗小，靈敏度高,，理論上最低只需3 V的電源,，可由外接電池提供，容易實現(xiàn)基于移動式設(shè)備(如筆記本電腦)為核心的心電信號采集及處理,，是一種實用的心電信號前端采集放大電路(信號的進一步優(yōu)化可在采集后由軟件進行調(diào)理),。