3.3.2 右腿驱动电路
心电电极和电力线之问由于存在电容耦合会产生位移电流Id，位移电流大部分从人体流经地，对人体是十分有害的。皮肤与接地间的接地阻抗为Z3，位移电流流经Z3建立共模电压，对微弱的心电信号检测影响很大[19]。假定ZI，Z2为皮肤和电极1，2间的接触电阻，Id1和Id2为心电电极1，2和电力线之间的位移电流，则导联信号的两个电极输入端A，B因位移电流将产生电位差：
?Va?Id1Z1?(Id1?Id2)Z3??Vb?Id2Z2?(Id1?Id2)Z3?3?3? ?V?V?IdZ?IdZb1122?a降低位移电流干扰的一种有效办法是采用右腿驱动法，图3.6为右腿驱动的具体连接电路。由图3.5，右腿不直接接地而是接到辅助运算放大器U10的输出。从R43和R44电阻结点检出共模电压，它经过辅助的反相放大器放大后通过电阻R39反馈到右腿。人体的位移电流这时候不再流入地而是流入R39和辅助放大器的输出。R39起安全保护作用，当病人和地之间出现很高电压时辅助放大器饱和，右腿驱动不起作用，这时候U10等效于接地，R39此时起到限流保护作用。右腿驱动电路实际可以看成以人体为相加点的共模电压并联负反馈电路，任何流入人体的位移电流基本等于反馈电阻上的驱动电流。只要放大器A的开环增益足够大，那么即使有大的位移电流流入人体，人体的电位基本保持零电位。采用右腿驱动电路，对50Hz干扰的抑制并不以损失心电信号的频率成分为代价。但由于右腿驱动存在交流干扰电压的反馈电路，而交流电流经人体，成为不安全因素，限流电阻通常在1MΩ以上。
图3.6 右腿驱动电路
3.3.3 滤波电路设计 (1)滤波理论
模拟滤波器类型由低通、高通、带通、带阻以及全通等，滤波电路传递函数一般采用复频率表示方式，既S域法。传递函数的零、极点决定了该电路具体的
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滤波类型。“零点”是分子s多项式的根，“极点”则是分母多项式的根。需要注意的是必须保证系统处于稳定状态，既极点都处于S平面的左半侧，否则电路会产生自激振荡[21]。图3.7为二阶有源滤波器的示意图，运放接成同相放大器，其增益为K?R2?R1?3?4? R2
图3.7 二阶有源滤波器示意图
该电路的传递函数推导如下：根据电路，分别列出节点C及B的电流方程∑I=0，
?Uc?Y1?Y2?Y3??UiY1?UBY3?UoY2?0?得：?UB?Y3?Y4??UCY3?0?3?5?
?U?UKB?o联立上式可得：
Auf?Uo?s?KYY13??3?6?
Ui?s?Y4?Y1?Y2?Y3????Y1?Y2?1?K???Y3赋予Y1到Y4不同的阻容元件，可以得到不同类型的滤波器，令Y1=Y3=1/R，Y2=Y4=SC,则传递函数：
22K?0RCAuf1?s????3?7?
3?K1?2s2?s?22s2?0s??0RCRCQK1??2该传递函数共有两个极点而没有零点，是一个二阶低通滤波器。其中
?0?Rf2113?8Q?，，K?1?3?9???3?10?式中?0 -特征角频率，K-??RC3?KRf1运放增益，Q-滤波电路的等效品质因素，Q值太低，滤波器很难有陡峭的过渡带。当K﹥3时，母中系数s项变为负，极点就会移至s平面的右半平面，从而导致系统不稳定。如果将低通电路中的R和C的位置互换，就可以得到RC高通电路。即若
Y1=Y3=SC,Y2=Y4=1/R,就可以得到二阶有源高通滤波器，由于二阶高通滤波器与二阶
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低通滤波器在电路结构上存在对称性，他们的传递函数也存在对偶关系，可得高通滤波器的传递函数为：
Ks2Ks2Auf2?s????3?11?
3?K1?2s2?s?22s2?0s??0RCRCQ当低通和高通滤波电路串联，可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波器的截止角频率大于高通滤波电路的截止角频率，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。
(2)心电信号的带通滤波器设计
图3.8是带通滤波电路图，采用两个运放设计成二阶有源高通和低通滤波电路并组合成带通滤波，两个运放的增益为1。OP-07(图中标识为U13和U14)是常用
C41、的通用放大器，价格便宜，它具有高精度、低功耗，低偏置的特点。其中C40、R46、R47、和U13构成高通电路，其截止频率
f1?12?C40C41R46R47?0.03Hz?3?12?，
等效品质因素Q=1／3。C42、C43、R42、R38和U14组成低通电路，为了不损失心电信号的高频成分，其截止频率
f2?12?C42C43R42R38?100.7Hz?3?13?。
该部分电路实际调试过程中发现，如果f2设为150Hz，信号发生器提供的正弦输入信号要到200Hz才会有明显的衰减，为了使滤波电路的选频性能更精确，带通频带上限留有的余量不是很大，实验也证明这样效果更好。
图3.8 带通滤波电路
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3.4电平抬升电路
由于本系统的A/D转换是通过单3.3V电平供电的，而ECG信号经过放大后会是交变信号，为了是心电信号不失真，必须在把信号送到A/D转换之前，把电平给抬升上去。这里采用了一个2．5v的稳压管LM385经电阻分压，从而把电平抬升上去[20]，如图3.9所示：
图3.9 电平抬升电路
3.5 心电信号的50Hz带阻滤波器设计
虽然心电信号前置放大电路对50Hz工频干扰有很强的抑制作用，但仅仅靠共模抑制是不够的，还需要设计专门的滤波电路来滤除，模拟带阻滤波器，俗称陷波器。最典型的陷波电路是无源双T网络加运算放大器，双T网络实际是由低通和高通滤波器并联组合成的二阶有源带阻滤波器，两个运算放大器接成射随状态，增益都为l[22]。本系统实际采用的电路就是这种双T网络构成的带阻滤波器，如图3.10所示，运算放大器仍选用的是OP-07。R49 = R52 =R，C44 = C45 =C，C46、
C35并联为2C，R50、R51并联为R/2，设R53 = R1，R54 = R2，该电路的传递函
数为：Auf?s??s2?s2??1RC?RC24??1?R2?R2?R1???s?1R2C2?22s2??0s??0Qs??20?3?14?
式中
?0?11,K?1,Q??3?15?， RC4??1?R2?R2?R1???调节R1,R2的比值可以控制Q的值。
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图3.10 50Hz陷波电路
取C44=C45=C46=C35=0.068uF，R49=R50=R51=R52=47K，R53=R54=50K，由上式
f0?12?RC?50Hz?3?16?，
Q=0.5，实际调试过程表明，该电路对50Hz的衰减在20dB左右，对工频干扰有一定的遏制作用，但并不能满足系统要求。
3.6电源电路设计
本系统心电数据采集模块采用9 V电池供电，各级运放的电压为±5 V，需要产生的电压+5 V和-5 V。首先将9 V电压通过7805转换成5 V电压，再由LMC7660产生-5 V[23]。其电路图如图3.14所示。
图3.14 电源电路
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