单片机心电信号数据采集系统的设计(五)

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 3.3 心电前置放大电路
 ECG 数据采集原理
 生物信号测量有电测量和非电测量，象心电这类信号本身即是电参量，直接加电极于人体即可获取心电信号。由于生物电信号是两点的电位差信号，心电信号是变化缓慢的生物电位，当用两个电极分别引导生物体两点的电位时，如果两个电极本身的电位不同则会造成记录中的伪差(又称极化电位)。因此我们必须用去极化电极。我们采用了银－氯化银电极，它就是一种去极化电极。对于数据的采集我们使用了一种间歇式的方法。由于记录电极存在电极极化电位。若两电极极化电压极性相同，则作为共模直流信号入前置放大器，前置放大器有高CMRR，可克服一定共模极化电压。但是通常电极是不对称的，也就是两电极极化电压不等，则两极化电压之差作为差模直流信号入前置放大器，会造成前置放大器静态工作点的偏离，甚至进入截止或饱和。这种极极化电位的存在限制了前置放大器的增益。因此前端放大增益较小，设计在10左右，是为了避免饱和。过强的高频信号在通过前级时形成阻塞，进而通过“斩波”的方式产生一个低频干扰信号。在这里 U5 和 U6 构成前级高频预滤波以克服这种干扰，该结构同时也克服了信源内阻不对称使输入回路CMRR 下降，有效地滤路除差模高频信号，又不破坏放大器两边对称的设计要求。而 C2 在这里起电极电位抵消作用，电极电位是由于电极本身的不对称引起。U1A、U2A、U4 构成三运放结构，可以满足高增益、高输入阻抗的设计要求。使用低值电阻可获得较高的电压增益；适当校正使 R13/R14=R17/R7的比值，即可获得很高的共模抑制比。
 
 
 
 
 
 
 
 心电前置电路是指输入的心电信号首先通过一高输入阻抗的电压跟随器，再经差分放大输入到主放大电路的这一部分，主要由输入电压保护电路、前置放大电路、右腿驱动电路、导联脱落检测电路等几部分组成，下面分别进行说明。
 前置放大电路
 心电信号属于低频微弱信号，且电极与体表的接触电阻一般高达几兆欧，再加上周围环境的电磁噪声很强，所以，心电信号前置放大电路使用了低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比、高增益和抗干扰能力强的医用仪表放大器AD620，以利于采集人体微弱的心电信号。
 2.3 心电放大器的设计要求
 由前面可知，心电信号的特征频率低、变化缓、信号弱，记录的条件是信号来自活体，信号源阻抗较高，常伴随着较强的背景噪声和干扰。这使得对心电信号的记录有比较苛刻的要求，主要有以下几个方面：
 ①高增益：增益是指放大器增加的信号功率，用以衡量放大器放大微弱信号的能力。由于心电信号非常微弱，一般 0.05~4mV，而心电放大器增益的常规设计要求心电在正常输入（1mV）时，输出电平达到 1V 左右（ADC 的参考电压为 5V），所以心电放大器的电压增益，一般在 80dB～120dB 之间。增益以满足最大限度利用 A/D 转换器的允许输入幅值范围为参照。
 ②高共模抑制比：共模抑制比（CMRR）是衡量心电放大器对共模干扰抑制的一个重要指标，也是克服温度漂移的重要因素。由于心电信号在毫伏级，而且伴有较强的干扰信号，要求心电放大器必须具有好的抗干扰能力，通常采用输入端与地对称差动放大的形式。被测信号加两个输入端，呈差动输入方式，而干扰信号对 2 个输入端来说则是一种大小相等、极性相同的共模信号。一般心电放大器需要有 60dB 以上的 CMRR，即当心电放大器输入端的共模干扰为 1mV 时，其输出与 1μV 的差动（被测）信号相同。
 ③高输入阻抗：输入阻抗指不接信号源时，存在于放大器输入端的阻抗。心电放大器输入阻抗取决于被测对象的阻抗特性、所使用的电极类型以及与人体的接触面。由于心电信号源阻抗高，而心电信号很微弱，如果心电放大器的输入阻抗不高，那么经过分压后，心电放大器输入端的信号就非常微弱了，心电信号损失严重，而且信号源过负荷使心电信号发生畸变。信号源阻抗与很多因素有关，容易不稳定，就会造成放大器的电压增益不稳定，从而会造成难以修正的测量误差，所以只有较高的输入阻抗，才能确保增益的稳定性。
 ④低噪声：电噪声是指放大器内部固有的电扰动，是由电阻器等无源器件内部电子的不规则热噪声和晶体管有源器件中载流子不规则的热运动引起的。若心电放大器本身噪声较高，可能会将有用的微弱信号淹没。放大器噪声可用折算到放大器输入端的等效噪声 RTI 来衡量，其定义是放大器输出端的噪声除以放大器的增益。一般要求心电放大器输入噪声在 μV 级。
 ⑤低漂移：漂移是指一种装置或系统的某些特性的缓慢变化。前置放大器的零点漂移（主要由温度引起）对整机影响最大，因为这种漂移经中间级和功率级放大，会影响记录，因此要求前置放大器因温度引起的零点漂移尽可能小。采取措施有完全对称的差动放大电路，温度补偿（恒温）以及调制（斩波）型放大器等。
 ⑥高安全性：因为要通过电极和人体接触，会有电流流经人体，所以一般采用浮地放大器保护被检测者的安全。
 ⑦宽的线性工作范围：在金属电极与电解质（导电糊剂）间会产生极化电压，而在电解质与皮肤之间会产生皮肤电压，由极化电压与皮肤电压之和形成偏移电压。这是一种缓慢变化的直流电压，大小与流过电极的电流、导电糊介质和接触处皮肤性质等有关，数值一般在几十到几百毫伏范围。偏移电压将导致工作点的漂移，为了保证放大器的线性范围，必须加宽前置放大器的线性工作范围。
 以上这些要求是对一般的心电数据记录系统而言，每一点都是需要考虑的，但是对于不同的系统布置，不同的应用，侧重点有所不同。这些要求主要是针对前置放大部分，主要是放大和滤波部分，这也就使得前置放大部分在整个心电数据记录仪的布置中又相当重要的地位。
 
 归纳起来，前置放大电路具有高输入阻抗，高共模抑制比和低噪声、低漂移的特点。
 高输入阻抗
 心电信号源是一种高内阻微弱信号，通过电机提取又呈现出不稳定的高内源性质。信号源阻抗不仅因人而异，而且在测量时，与电极的安放位置、电极本身的物理状态都有密切关系。源阻抗的不稳定性将使放大器电压增益不稳定，从而造成难以修正的测量误差。再者，理论上源阻抗是信号频率的函数，电极阻抗也是频率函数，变化规律都是随着频率的增加而下降。如果放大器输入阻抗不够高，
 就会造成信号低频分量的幅度减少，产生频率失真。在人体运动的情况下，电极和皮肤接触压力有变化，使人体组织液和导电膏中的离子浓度发生变化，导致电机阻抗产生很大变化，同时造成电极极化电压的不等。这些变化相对于微弱的心电信号来说，都会在放大器输出端产生极大的干扰。
 
 
 
 高共模抑制比
 为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其他生理作用的干扰，需要选用差动放大的的形式。因此，CMRR值是放大器的主要指标。生物电放大器的CMRR 值一般要求为60-80dB。
 低噪声、低漂移

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