心电信号采集放大电路的简单设计方法心电信号采集放大电路的简单设计方法
本文采用以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)。
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0.5 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。
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