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),。