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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、非線性度小；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)。 參考文獻 1. 聶能.堯德中.謝正祥 生物醫(yī)學(xué)信號數(shù)字處理技術(shù)及運用 2005 2. 周靜 心電信號的計算機識別分析及應(yīng)用 [學(xué)位論文] 2004 3. 黃進文 接地技術(shù)對生物醫(yī)學(xué)信號采集影響的對比實驗研究 2007(z1) 4. 韋偉.雷勇.涂國強.劉璽 基于虛擬儀器技術(shù)的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [期刊論文] -微計算機信息2006(13) 5. 童詩白 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 2002 6. 查看詳情 2006 7. 鄭步生 Multisim 2001電路設(shè)計與仿真入門與運用 2002 8. 張毅剛 虛擬儀器技術(shù)介紹 [期刊論文] -國外電子測量技術(shù)2006(6) 9. 戴鵬飛.王勝開.王格芳 測試工程與LabVIEW應(yīng)用 2006 作者：保山師范高等專科學(xué)校 黃進文 來源：現(xiàn)代電子技術(shù) 2009 32(7) |
