一种心电信号采集电路的设计

摘要：针对心电信号的特征，提出了一种心电信号采集电路的设计方法。通过设计信号放大电路、滤波电路，并对其逐个测试和分析，获得了清晰准确的心电图。该电路体积小、成本低、功耗小，可应用于便携式心电监护仪的设计。所得到的心电图可以为医务人员对心脏疾病的诊断提供依据。
关键词：心电信号；信号处理；信号放大；信号滤波

0 引言
心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病之一。由于人们工作生活节奏的加快、饮食结构不合理，导致此类疾病的发病率不断增长。如何更好地预防和治疗此类疾病俨然成为医学界面临的重要问题之一。针对心电信号采集电路的研究和设计，对于帮助医生获取心电信号，诊断心血管疾病，具有重要的意义。
由于医院里使用的心电监护系统体积庞大、价格昂贵、难以移动，不能实时现场监护患者的病情，给病人和医生造成很大的不便。根据心电信号的特点，提出了一种便携式心电监护仪心电信号采集的设计方案。

1 整体方案
从人体体表获取的心电信号非常微弱，一般只有0．1～3 mV，具有不稳定性、低频特性、随机性等特点，并且非常容易受到外界环境的干扰。心电信号的干扰主要有工频干扰、高频电磁场干扰、电极极化干扰、测量设备本身的干扰等。基于以上特点，设计了心电信号获取电路，按照标准I导联方式进行设计，左手臂作为电位正极，右手臂为负极。电路整体结构如图1所示。

心电信号被心电极片获取后送入前置放大电路进行初步放大，由高性能的差分式前置放大电路对共模干扰信号进行抑制。同时，通过右腿驱动电路抑制共模干扰和50 Hz工频干扰，提高信号的采集质量。将经过前置放大电路初步放大以后的心电信号送入截止频率分别为0．5～100 Hz的高通、低通滤波电路。接着将信号输入主放大器，实现100倍放大，使信号放大到0．08～2．7 V的范围。为了消除在信号放大过程引入噪声，同时滤除信号中的50 Hz工频信号，将主放大后的信号进行50 Hz陷波，然后再经过低通滤波电路，从而得到清晰的波形。由于心电信号是交流信号，而单片机的A／D采集输入范围是0～3．3 V，故需将信号进行电平迁移，将其抬升至单片机的模拟电压采样范围，以便进行A／D转化，满足嵌入式系统分析、存储和传输的要求。
1．1 前置放大电路设计
由于人体心电信号非常微弱，干扰噪声强，存在较大的极化电压，初级放大器必须具有高输入阻抗、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等性能。采取差分放大电路进行设计，如图2所示，运放选用仪表放大器AD620芯片。

AD620的增益取值范围为1～1 000倍，对AD620增益大小的控制是通过调节1引脚和8引脚之间的电阻RG来实现的，计算公式为：G=49．4 kΩ／RG+1。为了提高被监护对象的安全系数且前置放大器不工作在截止区，前置放大器的增益不能过大。设计电路RG=6．67 kΩ，计算得增益G为8．41。对该电路用小信号进行模拟测试，以峰峰值为100 mV，频率为50 Hz的正弦波为输入，得到输出为Vpp=886．47 mV的正弦波，实际放大倍数为8．86倍，与理论值相符。
1．2 前级滤波电路设计
对心电信号的特征分析发现，滤波电路的频带范围应为0．5～100 Hz。选择低通和高通两个滤波器串联在一个通道上，组成带通滤波器对心电信号进行滤波。低通滤波器的截止频率为100 Hz，高通滤波器的截止频率为0．5 Hz。选用频带范围较宽的TL082作为滤波器的运放，电路如图3所示。

为了使滤波效果更加理想，采用二阶滤波设计，针对低通滤波器部分，该二阶低通滤波器的传递函数为：

fc=97．6 Hz (4)
同样可以计算出，针对高通滤波器二阶高通滤波器的截止频率为：

采用实际信号来检测滤波器的特性，选择频率为1 Hz，Vpp为10 mV的信号，信号微弱且频率较低，并带有噪声干扰。采用LabVIEW进行测试，经过高通和低通滤波前后对比结果如图4所示，可以看出，设计的滤波器滤除了许多高频成份，波形相比于滤波之前有了明显的改善，起到了很好的滤波的效果。