便攜式心電儀信號采集電路的設計研究

唐 云，李艷芳，李 榮

（湖南科技學院電子研究所，湖南 永州425199）

便攜式心電儀信號采集電路的設計研究

唐 云，李艷芳，李 榮

（湖南科技學院電子研究所，湖南 永州425199）

便攜式心電儀具有功耗低、穩定性高、使用方便等優點，使用越來越廣泛。便攜式心電儀中信號采集電路系統由探測電極、前置放大電路、帶通濾波電路、50Hz餡波電路、主放大電路以及電平抬升電路等部分組成，其輸出信號經模數轉換后可進行顯示和處理。為提高心電儀的工作穩定性、降低功耗，選用了低功耗、低電壓的儀表放大器 AD620，為消除50Hz工頻干擾，采用了專門設計的50Hz餡波電路，確保心電信號的有效傳輸。采用Multisim軟件對各部分電路進行了仿真，確保設計電路能達到預期目的。

心電儀；信號采集；儀表放大器；餡波電路； Multism仿真

目前，心血管疾病是威脅人類生命健康最嚴重的疾病之一，它具有很強的隱蔽性和突發性，一直是醫學預防研究的熱點問題。心電監護儀器能夠及時發現心血管的異常情況，已成為臨床診斷以及生命科學研究的重要工具。目前使用較多的心電監護儀器主要以工作站的形式應用于醫院，但其價格昂貴且不方便攜帶，阻礙了家庭應用的普及[1]。于是，開發家用的便攜式心電儀成了社會亟需解決的問題。而便攜式心電儀在低功率條件下如何合理設計心電采集系統是能否得到正確的心電信號的關鍵，本文對便攜式家用心電儀中的心電信號采集電路進行設計并用Multisim軟件進行仿真。

1 系統總體設計

便攜式心電儀中信號采集電路系統總體設計如圖1所示。由探測電極從體表采集的微弱心電信號經過前置放大電路、帶通濾波電路、50Hz餡波電路、主放大電路以及電平抬升電路后，送入數據轉換模塊進行模數轉換，轉換后的數據存儲于微處理器中，然后用液晶顯示器進行顯示，也可以同時傳輸到PC機中進行分析處理。

圖1 系統總體設計框圖

心電儀中的心電信號的采集是一個復雜的過程。心電信號作為心臟點活動在人體體表的表現，信號比較微弱，其幅值約為 0.05～5mV，頻率約為 0.05～100Hz，信號源的阻抗為數百歐到數千歐；其次，心電信號的測量條件相當復雜，除了受包括肌電信號、呼吸波信號、腦電信號等體內干擾信號的干擾以外，還受到 50Hz工頻干擾、基線漂移、電極接觸和其他電磁波的體外干擾；另外，考慮到儀器的便攜特性，在選擇器件時應注意擇優，以便更好地降低整體電路的功耗和體積[2]。

2 前置放大電路和右腳驅動電路

前置放大電路和右腳驅動電路如圖2所示。心電儀的前置放大電路在整個系統中處于非常重要的地位，決定了整個系統的主要性能指標。前置放大電路要求噪聲盡可能低和共模抑制比盡可能高。

選用低功耗、低電壓的儀表放大器 AD620作為前置放大器的核心器件可以滿足心電前置放大器高輸入阻抗、低噪聲、低功耗的設計要求。另外，AD620增益G的調節較為方便，直接由一個外部電阻控制。AD620增益G的計算如公式1所示，可設計前置放大電路的增益為10。

為了降低50Hz共模工頻干擾，提高電路的共模抑制比，可以取前置放大的共模信號，通過運放之后再經過右腿加回體表，即圖2所示的右腿驅動電路。

圖2 前置放大電路和右腳驅動電路

為了驗證電路設計是否可行，于是采用了Mulitism軟件對電路進行仿真，采用1mV、10 Hz的正弦信號模擬心電輸入信號，用一個示波器觀察前置放大電路的輸出信號，示波器顯示結果如圖3所示，從圖3中可以看到1通道為輸入心電信號，2通道為放大輸出信號，顯然實現了放大10倍的要求。

圖3 前置放大電路效果圖

3 濾波電路

本文采用了低通濾波和高通濾波組合成帶通濾波電路把信號的頻率限定在心電信號的頻率范圍：0.05～100Hz之間。帶通濾波電路如圖4所示。

令低通濾波器的截止頻率為1f=100Hz,取C1=C2=0.1uF，R2=25kΩ，R3=10kΩ，則：

高通濾波電路與低通濾波電路具有對偶性。只需將低通濾波電路中的電阻改為電容，并把電容改為電阻，就可以構成高通濾波電路。令高通濾波器的截止頻率為2f=Hz,取C4=C5= 200uF，R4=25kΩ，R5=10kΩ，則：

圖4 帶通濾波電路

在設計中，采用了Multisim軟件對圖4所示帶通濾波電路進行了仿真驗證，其幅頻特性和相頻特性如圖5所示。從仿真結果可以看出0.05～100Hz在這個頻帶范圍內信號基本可以無失真通過。

圖5 帶通濾波電路幅頻特性和相頻特性仿真結果

50Hz工頻干擾是生理信號的主要干擾。雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但還是會有部分工頻干擾將會以差模信號方式進入電路，并且其頻率處于心電信號的頻帶之內，如果再加上電極和輸入回路不穩定等因素，前置電路輸出的心電信號將存在較強的工頻干擾，所以應該專門濾除[3]?，F代精密生物信號放大裝置中多采用潛入陷波器的方法來消除市電電網電源信號的干擾或其他特定頻率信號的干擾。本文所采用的陷波電路如圖6所示。

選取電阻 R1=R2=31.8K，C1=C2=0.1uF，可以得到：

圖6 陷波電路

在設計中，采用了Multisim軟件對圖6所示陷波電路進行了仿真驗證，其幅頻特性和相頻特性如圖7所示。從仿真結果可以看出在50Hz幅度衰減非常明顯，符合設計要求。

本系統的設計，既實現了便攜式心電儀中的心電信號采集電路又用Multisim軟件仿真驗證了其可行性，具有較大的家庭應用開發價值與理論指導價值。

圖7 50Hz陷波電路幅頻特性和相頻特性仿真結果

[1]朱洪波,楊光晨,楊鵬,宣伯凱.便攜式式心電監護分析系統的設計[J].計算機測量與控制,2013,21(7):2015-2017.

[2]周立波,梅大成,侯小鳳,秦勃.心電采集電路的設計與實現[J].信息技術,2011(10):130-135.

[3]孫良.多生理信號采集系統的研制[D].陜西:西北工業大學,2007.

Signal Acquisition Circuit in Portable ECG Monitor

TANG Yun,LI Yan-fang,LI Rong
(Electronics Institute,Hunan University of Science and Engineering,Hunan Yongzhou 425199，China)

Portable ECG device used more and more widely with its low power consumption,high stability,easy to use.A portable ECG signal acquisition circuit system include detecting electrodes,preamplifier circuit,band-pass filter circuit,50Hz filling wave circuit,main amplifier and voltage lifting circuit.After the output analog signal conversion to digital signal can display and process by MPU.We choose the low power consumption,low voltage amplifier AD620 for improving the stability,reducing the power consumption of ECG,in order to eliminate 50Hz interference,we using the 50Hz filling wave circuit that is specially designed to ensure the effective transmission of ECG signal.Multisim software is used to simulate every part of the circuit,to ensure that the design of the circuit can reach the expected goal.

portable; ECG; amplifier circuit; filter circuit; Multism simulation

R540

：A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.00

1672–7304(2016)01–00–0

本文是“湖南科技學院重點學科建設項目資助(電路與系統)”、“永州市2014年度第一批指導性科技計劃項目（序號10）”、“2013年湖南科技學院科學研究項目（13XKYTB007）”階段性成果。

（責任編輯：雷 君）

唐云(1983-)，女，湖南永州人，研究方向：嵌入式系統。