1 人體心電信號(hào)的特點(diǎn)
心電信號(hào)屬生物醫(yī)學(xué)信號(hào),，具有如下特點(diǎn)：
(1)信號(hào)具有近場(chǎng)檢測(cè)的特點(diǎn),，離開人體表微小的距離，就基本上檢測(cè)不到信號(hào),；
(2)心電信號(hào)通常比較微弱,，至多為mV量級(jí),；
(3)屬低頻信號(hào)，且能量主要在幾百赫茲以下,；
(4)干擾特別強(qiáng),。干擾既來(lái)自生物體內(nèi)，如肌電干擾,、呼吸干擾等,；也來(lái)自生物體外，如工頻干擾,、信號(hào)拾取時(shí)因不良接地等引入的其他外來(lái)串?dāng)_等,；
(5)干擾信號(hào)與心電信號(hào)本身頻帶重疊(如工頻干擾等)。
2 采集電路的設(shè)計(jì)要求
針對(duì)心電信號(hào)的上述特點(diǎn),，對(duì)采集電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析如下：
(1)信號(hào)放大是必備環(huán)節(jié),，而且應(yīng)將信號(hào)提升至A／D輸人口的幅度要求，即至少為“V”的量級(jí),；
(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(hào)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(jì)分析過程
3．1 前級(jí)放大電路設(shè)計(jì)
由于人體心電信號(hào)的特點(diǎn)，加上背景噪聲較強(qiáng),，采集信號(hào)時(shí)電極與皮膚間的阻抗大且變化范圍也較大,，這就對(duì)前級(jí)(第一級(jí))放大電路提出了較高的要求，即要求前級(jí)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?。缓线m的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍,。
為此,，選用Analog公司的儀用放大器AD620作為前級(jí)放大(預(yù)放)。AD620的核心是三運(yùn)放電路(相當(dāng)于集成了三個(gè)OP07運(yùn)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(diǎn),，是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)放大的理想選擇。根據(jù)小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)原則,，前級(jí)的增益不能設(shè)置太高,，因?yàn)榍凹?jí)增益過高將不利于后續(xù)電路對(duì)噪聲的處理。
根據(jù)上面的分析,，前級(jí)放大電路按圖2設(shè)計(jì),，并先運(yùn)用Multisim 2001仿真。
仿真過程采用O．5 MV,，1．2 Hz的差分信號(hào)源為模擬心電輸入來(lái)模擬電路的放大過程,，結(jié)果滿足要求。
3．2 次級(jí)放大電路(信號(hào)放大)
第二級(jí)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(jiǎn)單的高通濾波環(huán)節(jié)，對(duì)隔斷直流通路和消除基線漂移將會(huì)起到事半功倍的效果,，本部分電路置于預(yù)放大與信號(hào)放大電路之間,，一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源高通濾波電路如圖3所示。
其特征頻率(轉(zhuǎn)折頻率)計(jì)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(hào)低頻端也就相應(yīng)地取該頻率。
3．4 補(bǔ)償電路(抵消人體信號(hào)源中的各種噪聲)
引入補(bǔ)償電路,，是為了抵消人體信號(hào)源中的干擾(包括工頻干擾),。引入補(bǔ)償電路的方法：在前級(jí)放大電路的反饋端與信號(hào)源地端建立共模負(fù)反饋，為提高電路的反饋深度,，將反饋信號(hào)放大后(仍采用OP07)接人信號(hào)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(gè)電路系統(tǒng)的框圖結(jié)構(gòu)
整個(gè)電路系統(tǒng)的原理框圖及信號(hào)流程如圖4所示,。
3．6 實(shí)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(jí)放大輸出部分。
該電路的增益估算為：
第一級(jí)放大：
實(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(hào),，結(jié)果如圖6所示(為便于對(duì)比，采用了相同的坐標(biāo)刻度),。
在圖6中,，圖6(a)為不加反饋浮置部分時(shí)采集到的信號(hào)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(shí)得到的波形已大為改善，可見加上反饋浮置電路對(duì)降低人體中干擾信號(hào)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(jìn)一步加以抑制，這里不再討論有關(guān)工頻干擾的進(jìn)一步濾波問題,。
5 結(jié) 語(yǔ)
采用以AD620及OP07為核心的信號(hào)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)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(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)式設(shè)備(如筆記本電腦)為核心的心電信號(hào)采集及處理,，是一種實(shí)用的心電信號(hào)前端采集放大電路(信號(hào)的進(jìn)一步優(yōu)化可在采集后由軟件進(jìn)行調(diào)理),。