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24位Σ-Δ ADC简化ECG/EKG模拟前端设计

作者:时间:2013-09-28来源:网络

概述

  电极放置在心脏两侧并紧贴皮肤,心电图仪(ECG或EKG)记录心电信号随时间的变化。ECG显示代表心肌活动的电极对之间的压差。通过显示屏指示心率信号,便于医生诊断心肌不同部位的微弱信号。

  实际ECG信号的幅度只有几毫伏,频率不超过几百赫兹。ECG测量面临诸多挑战:一方面,来自ECG主电源的50Hz至60Hz电容耦合干扰要比有用信号强许多;另一方面,身体皮肤的接触阻抗以及传感器之间阻抗的不匹配,这会导致较大的偏差并降低共模抑制能力;此外,还要解决接触噪声以及电磁源产生的干扰问题。

  多数设计中,利用(AFE)提取这些信号,对信号进行放大和滤波,随后采用一个12位或14位的进行数据采集。本文给出了ECG系统主要AFE组件,并提供了一种高度集成的设计方案,即MAX11040K 同步采样。MAX11040K提供该应用所需的电路,省去了AFE。

  AFE单元

  包含三个主要元件(图1)。

典型的ECG设备通常利用AFE进行信号放大、滤波,然后通过一个ADC进行数据采集

  图1. 典型的ECG设备通常利用AFE进行信号放大、滤波,然后通过一个进行数据采集。

  1、仪表放大器(IA)

  仪表放大器(IA)的主要任务是抑制共模信号(通常是50Hz/60Hz干扰)。ECG应用需要90dB,甚至更高的共模抑制比(CMRR) 以抑制放大电路之前从电源耦合的50Hz/60Hz信号。即使采用具有高共模抑制比(CMRR)的IA,不同ECG电极的差异或者是皮肤接触阻抗之间的不匹配不仅产生失调漂移,也会导致CMRR低于所期望的水平。阻抗的不匹配主要源于电极与皮肤的物理接触、排汗和肌肉运动等原因。

  随后要考虑的因素是IA的增益,设置IA增益是必需注意避免增益过大导致削波或饱和。

  还要注意的是,音频信号与ECG信号不在同一频带。因此,典型的音频放大器和 ADC并不适合ECG应用,这些器件在有用信号频带内存在较高的输入参考噪声。

  IA的输入阻抗指标也很重要,因为ECG测量的是微弱信号。推荐选择具有高阻输入的IA,因为较低的输入阻抗会导致较大的信号衰减。

  2、高通滤波器

  虽然初始信号只有mV量级,通过IA放大5倍或10倍后将上升到几十毫伏。而这个量级的信号也只能覆盖ADC输入量程很小的一部分。例如,一个12位ADC具有±4.096V输入量程,最低有效位(LSB)为2mV,如果直接采集几十毫伏的信号,就没有足够的分辨率来区分信号和采样噪声。因此,需要对信号进行再次放大,还必须消除直流漂移。常见的AFE电路是使用一个高通滤波器,将不希望出现的信号(低频干扰)作为一个负的偏移量反馈(负反馈)到IA输入。

  3、第二级放大

  利用IA和高通滤波器消除直流和低频干扰后,再进行第二级放大,提供额外的增益以达到ADC的输入量程。有些设计还添加了一个陷波滤波器,对50Hz/60Hz

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