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基于微功耗IC设计功能更齐全心率监护仪(HRM)

作者:时间:2018-08-03来源:网络收藏

运用多种最新微功耗、高精度IC芯片,可以设计出一款功能更加齐全的低功耗(HRM)。本文旨在讨论这些芯片和功能。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/385285.htm

设计便携式时的严格要求足以令任何人头疼不已。首先,心脏监护仪必须符合最高安全性、可靠性和精度标准。设计师还必须应对纽扣电池有限的电量。一方面,要满足市场对更多功能的需求,另一方面,又不能增大空间、功率或成本,令人头疼的问题接踵而来。

幸运的是,解决办法是存在的。运用多种最新微功耗、高精度IC芯片,可以设计出一款功能更加齐全的低功耗心率 监护仪(HRM)。

最重要的功能是延长HRM所用电池的寿命,HRM 用于实时测量病人的心率,或者把心率记录下来供以后研 究使用。便携式HRM需要依靠电池长时间工作,因此,需要功耗低。数十年以来,动态心电监护仪和其他便携式 ECG系统一直采用低电压电池供电,以确保安全。心脏病 病人或敏感设备最不需要的是突然涌现的“热”线电压。 微采用低电压和电流工作,因此能节省电池电量。

HRM的模拟前端

HRM的主要目的是计算心率和显示ECG波形,同时还应提 供导联脱落检测功能。图1显示了HRM设计的框图。模拟 前端利用下列器件构建:微功耗仪表放大器、运算放大器 以及一个内置12位ADC、采样保持放大器和数字处理器的 微型转换器。处理后的数据送往PC进行显示。


图1. 微功耗仪表放大器构成出色的输入放大器

微功耗仪表放大器构成出色的输入放大器, 其低功耗、小 尺寸、整个频率范围内的高共模抑制比(CMMR)、轨到轨 输入和输出等特性非常适合这种电池供电型应用。高性能 微功耗仪表放大器可解决许多常见的人体皮肤电位(范围为 0.2 mV至2 mV)测量难题。对于这种应用,最佳仪表放大器 应当具有高CMMR以便抑制共模信号,例如手术室设备的 线路噪声或高频EMI等。轨到轨输出特性提供宽动态范围, 支持比典型仪表放大器更高的增益。此外,设计人员应当 利用微功耗仪表放大器来实现自然RC滤波器;当放大器之 前使用串联输入电阻时,该RC滤波器可以降低高频噪声。

在主信号链中,微功耗仪表放大器后接一个积分器反馈网 络,利用4.7 μF电容和100 kΩ电阻实现,用以设置高通滤波 器的−3 dB截止频率。它抑制电极的半电池超电势可能产生 的差分直流失调。微功耗运算放大器提供13倍的额外增益 以便放大弱信号。一个有源二阶低通贝塞尔滤波器消除约 50 Hz以上的信号。

由于电路采用电池供电,因此将电路的基准电压连接到病 人时,就能用作基准电压,从而提高共模抑制性能。这对 于测量ECG信号很重要。注意,有些机器是从踩踏板获得 电源,因此不使用隔离。

基准电压

本设计假设ECG信号范围为0.2 mV至2 mV。为防止信号被 箝位并使ADC的动态范围最大(0 V至1.25 V),设计中增加 0.625 V偏置。如图2所示,电阻分压器和缓冲器产生0.625 V 基准电压,它也用于偏置ECG信号(见图1)。


图2. 电阻分压器和缓冲器产生0.625 V基准电压

导联脱落检测

如果电极接触不良,HRM应提供警示信号。当电极脱离病 人时,这些电阻与微功耗仪表放大器输入端的两个20 MΩ 电阻(见图1)一起使输入发生偏移。正常工作时,微功耗仪 表放大器的输出是基准电压;如果一个电极脱落,输出将 变为0 V。图3所示为导联脱落检测电路,微功耗仪表放大 器的输出端连接到检测电路的输入端。


图3. 仪表放大器输出连接至导联脱落检测电路的输入端

事实上,导联脱落检测电路是一个比较器,迟滞利用一个 放大器实现。用一个高增益比较器来确定输入电压是高于 还是低于基准电压,并输出一个代表净差符号的电压。迟 滞通过少量正反馈消除噪声导致的不稳定性。单电源供电 时,需要偏移基准电压,使电路完全在第一象限工作。图 4显示了实现方法。电阻分压器(R2和R1)产生一个正基准 电压,用以与输入电压进行比较。图4中给出了设计直流 阈值所用的公式。


图4. 比较器在单电源条件下的工作原理

参考图3,R1 = 5.1 kΩ,R2 = R3 = 2.4 MΩ,VCC = 3.3 V,VOL = 0 V,VOH = 3.3 V。

我们用图4中的公式计算: VTL = 0.006983 V

VTH = 0.013966 V

迟滞 = VTH – VTL = 0.006983 V

正常工作时,微功耗仪表放大器的输出应是VREF;如果导 联脱落,比较器的输出将变为0 V。当比较器的输出上升到 3.3 V时,微功耗仪表放大器的输出也是0 V。根据微控制器 的中断模式不同,上升沿或高电平可以触发微控制器的中 断。当导联再次接上时,比较器的输出降至0 V,下降沿或 低电平可以触发中断。



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