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心电信号放大电路 收稿日期:2008210207 基金项目:保山师专校级基金资助项目(08B004K) 1 人体心电信号的特点 心电信号属生物医学信号,具有如下特点124: (1)信号具有近场检测的特点,离开人体表微小的 距离,就基本上检测不到信号; (2)心电信号通常比较微弱,至多为mV量级; (3)属低频信号,且能量主要在几百赫兹以下; (4)干扰特别强。干扰既来自生物体内,如肌电干 扰、 呼吸干扰等;也来自生物体外,如工频干扰、 信号拾 取时因不良接地等引入的其他外来串扰等; (5)干扰信号与心电信号本身频带重叠(如工频干 扰等)。 2 采集电路的设计要求 针对心电信号的上述特点,对采集电路系统的设计 分析如下: (1)信号放大是必备环节,而且应将信号提升至 A/ D输入口的幅度要求,即至少为 “V” 的量级; (2)应尽量削弱工频干扰的影响; (3)应考虑因呼吸等引起的基线漂移问题; (4)信号频率不高,通频带通常是满足要求的,但 应考虑输入阻抗、 线性、 低噪声等因素。 3 采集电路设计分析过程 3. 1 前级放大电路设计 由于人体心电信号的特点,加上背景噪声较强,采 集信号时电极与皮肤间的阻抗大且变化范围也较大,这 就对前级(第一级)放大电路提出了较高的要求,即要求 前级放大电路应满足以下要求5: 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。 为此,选用Analog公司的仪用放大器AD620作为 前级放大(预放)。AD620的核心是三运放电路6(相 当于集成了三个OP07运放 ) , 其内部结构如图1所示。 图1 AD620生物医学放大器的内部结构简图 401 测 控 技 术 该放大器有较高的共模抑制比(CMRR) ,温度稳定 性好,放大频带宽,噪声系数小且具有调节方便的特点, 是生物医学信号放大的理想选择。根据小信号放大器 的设计原则,前级的增益不能设置太高,因为前级增益 过高将不利于后续电路对噪声的处理。 根据上面的分析,前级放大电路按图2设计,并先 运用Multisim 2001仿真7。 图2 前级放大电路的原理图 仿真过程采用015 MV ,112 Hz的差分信号源为模 拟心电输入来模拟电路的放大过程,结果满足要求。 3. 2 次级放大电路(信号放大) 第二级放大电路主要以提高增益为目的,选用普通 的AD OP07即可满足要求。 3. 3 高通滤波器(消除基线漂移) 在电路部分加上简单的高通滤波环节,对隔断直流 通路和消除基线漂移将会起到事半功倍的效果,本部分 电路置于预放大与信号放大电路之间,一个简单的无源 高通滤波电路如图3所示。 图3 0103 Hz高通滤波电路 其特征频率(转折频率)计算为: f0= 1 2R9C3 =01034 Hz(1) 经过高通滤波后,可以大大削弱0103 Hz以下因呼 吸等引起的基线漂移程度,心电信号低频端也就相应地 取该频率。 3. 4 补偿电路(抵消人体信号源中的各种噪声) 引入补偿电路,是为了抵消人体信号源中的干扰 (包括工频干扰)。引入补偿电路的方法:在前级放大电 路的反馈端与信号源地端建立共模负反馈,为提高电路 的反馈深度,将反馈信号放大后(仍采用OP07)接入信 号源参考端,这样可以最大限度地抵消工频干扰。引入 的这种电路形式,根据其结构和功能,可形象地将其称 为 “反馈浮置跟踪电路” 3 。 3. 5 整个电路系统的框图结构 整个电路系统的原理框图及信号流程如图4所示。 图4 电路整体结构 3. 6 实际电路系统原理图 最后的综合电路如图5所示。图中U1单元为 AD620前置放大;U2为反馈浮置跟踪部分;U3为第二 级放大输出部分。 该电路的增益估算为: 第一级放大: AU1=1+ R1+ R2 R3 =7.6(2) 第二级放大: AU2=1+ R4 R6 =101(3) 总增益: AU= AU1AU2767(4) 实际增益由于高通滤波及其他损耗的存在,要比理 论估算值略小,但已满足放大输出的要求。 图5 综合电路图 4 电路性能的实验验证 按图5搭建电路,采用虚拟仪器LabVIEW 812系 统4 ,8 ,9,通过NI的USB26009DAQ10采集电路输出的 心电信号,结果如图6所示(为便于对比,采用了相同的 坐标刻度)。 在图6中,图6 (a)为不加反馈浮置部分时采集到 的信号波形,可以看出,干扰很大,其中的主要干扰为 501 现代电子技术2009年第7期总第294期 ?测试 测量 自动化? 50 Hz的工频干扰;图6(b)为加上反馈浮置电路部分后 采集到的心电波形,其基线附近的仍有部分纹波干扰, 但较图 6(a) 不加反馈浮置时得到的波形已大为改善, 可见加上反馈浮置电路对降低人体中干扰信号有很大 帮助。至于仍残留的工频干扰,可在系统后续部分采用 有关滤波技术进一步加以抑制,这里不再讨论有关工频 干扰的进一步滤波问题。 图6 实验中采集到的心电波形 5 结 语 采用以AD620及OP07为核心的信号放大器来实 现心电信号的放大,电路功耗小,灵敏度高,理论上最低 只需3 V的电源,可由外接电池提供,容易实现基于移 动式设备(如笔记本电脑)为核心的心电信号采集及处 理,是一种实用的心电信号前端采集放大电路(信号的 进一步优化可在采集后由软件进行调理)。 参 考 文 献 1聂能,尧德中,谢正祥.生物医学信号数字处理技术及运用 M.北京:科学出版社,2005. 2周静.心电信号的计算机识别分析及应用D.济南:山东大 学,2004. 3黄进文.接地技术对生物医学信号采集影响的对比实验研 究J .云南大学学报:自然科学版,2007 ,29(S1) :1192123. 4韦伟,雷勇,涂国强,等.基于虚拟仪器技术的便携式数据采 集系统J .微计算机信息,2006 ,22(10) :1072109. 5童诗白.模拟电子技术基础 M. 3版.北京:高等教育出版 社,2002. 6http :/ / en/other/ militaryaerospace/ ad620/ products/ product. html EB/ OL . 2006. 7郑步生. Multisim 2001电路设计与仿真入门与运用M.北 京:电子工业出版社,2002. 8张毅刚.虚拟仪器技术介绍J .国外电子测量技术,2006 , 25(6) :126. 9戴鹏飞,王胜开,王格芳,等.测试工程与LabVIEW应用 M.北京:电子工业出版社,2006. 10 http :/ / www. ni. com/ labview/ signalexpress/ daq. htm EB/ OL . 2007. 11张洲,梁慧冰,刘新朝.基于C8051 F206的心电信号数据 采集系统J .国外电子元器件,2005(1) :427. 作者简介 黄进文 男,1972年出生,云南腾冲人,副教授,工学硕士。研究方向为电子信息科学。 FPD China 2009中国平板展会 2009年3月13日,FPD China 2009在上海国 际展览中心落下帷幕,本次会展汇集了众多国内终 端产品生产商以及国际知名原材料、 面板生产商,是 一次热点汇集且具有前瞻性的大型会展。 康佳、 长虹、 海信、 海尔、 创维等几大终端生产商 为消费者展示了他们的最新产品,荟萃了众多新成 果的产品堪称琳琅满目。而三星、AUO、BOE、 CMO、L G Display、SVA等国内外著名面板生产商 则把目光聚焦于环保及240 Hz倍驱技术。其中三 星主推的S2PVA面板配合最新的LED背光源所生 产的超高对比度及亮度的液晶电视让人们对液晶的 画面表现力刮目相看,其色彩呈现出逼真鲜艳锐利 细腻的特性足以与色彩见长的高档等离子电视相媲 美。在全球提倡节能环保的大环境下,L G新款的低 功耗液晶及倡导的绿色理念都让人看到了企业新品 开发的前沿方向。配合先进节能技术的IPS硬屏既 保持了其色彩准确自然,可视角度大的传统优势,也 顺应了国家 “节能减碳” 政策的号召。AUO和CMO 两家面板企业主要以240 Hz倍驱技术为主打,通过 独特的运动画面补偿模式,使得屏幕的响应时间缩 减至214 ms ,从而达到240 Hz的画面刷新率,大幅 改善了液晶动