电子综合实践设计报告
2、方案设计
2.1理论分析及芯片选用依据
人体心脏工作产生的生物电流在身体表面不同部位产生不同电势，并且随心 跳的节律呈现规律性的升降变化，通过电极将变化着的电位差检测并记录下来就 是心电图（ECG）。心电信号是一种带宽为 0.05Hz 至 100Hz（有时高达 1kHz）， 幅度在 10μV~5mv 的微弱交流信号，并且混杂有人体生物电干扰以及各种外部电 磁干扰。如何从环境噪声中提取微弱的心电信号是设计的难点和要点。低成本低功耗便携式简易心电图仪是本设计的最大考量。它顺应了保健电子 产品设计的发展趋势。系统采用低噪声稳压电源供电，能采集标准导联方式 I 或 II 心电 信号，通过放大、滤波得到模拟心电信号。本系统主要需要以下几种功能的芯片：仪用放大器、通用运算放大器，。为此，在选择用于本系统的集成芯片（IC）时， 低功耗、小尺寸、高精度、性能稳定的芯片就是选用的目标。其中，AD620是低成本、高精度仪表放大器,仅需要一个外部电阻设置增益，增益范围为1至10,000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低（最大工作电流仅1.3mA）。AD620具有高精度、低失调电压和低失调漂移特性，低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合心电图（ECG）和无创血压监测仪等医疗应用。
2.2设计方案论证
分析可知，简易心电图仪系统主要包括输入回路、前置放大模块、后级放大 模块、滤波网络模块以及存储回放等模块。设计重点在于前置放大模块，和滤波 网络模块。方案论证主要围绕这两大部分展开。
2.2.1输入回路噪声抑制设计
来自导联电极的心电信号混有主要包括人体肌电呼吸等生物噪声、电极接触 噪声、工频 50Hz 信号及其谐波等干扰；以及其它电子设备机器噪声及外界高频电 磁干扰等噪声，其中工频 50Hz 干扰信号较强，主要是共模噪声。
按照设计要求，皮肤接触电极到分别通过 1.5m 长的屏蔽导联线与前置放大器 相连接。由于信号线对屏蔽线的输入电容不完全对称，造成共模电压的不等量衰 减，使得包括导联在内的放大器共模抑制比降低，从而使系统抑制干扰的能力下 降。其中工频干扰引起的共模信号可能远大于心电信号，其影响尤为严重。而由 于工频干扰频谱与正常心电信号混杂，又不宜采用工频陷波器滤除。
为有效地消除输入电路不对称而引起的电压分配效应所产生的共模干扰，采 用屏蔽驱动和右腿驱动电路。从输入导联取出的共模电压送入屏蔽层（屏蔽层不 接地）；同时送到右腿放大器反向放大，经一个限流电阻接到右腿电极，即等效 为以人体为相加点的电压并联负反馈电路。抑制了共模干扰进入后续电路。为更 好的抑制工频干扰，可以在右腿驱动电路加入低通滤波电路。满足将心电放大器（含
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屏蔽导联线）的共模抑制比提高到 80dB 的指标要求。该电路采用 OPA335 实 现。
2.2.2 前置放大模块
前置放大模块在整机中处于非常重要的地位，其性能决定了整机的主要技术 指标。前置放大模块应满足高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的要求。
采用仪表放大芯片AD620。其内部集成共模抑制比最小可达可 100dB 的仪用放大电路，只需外接一个电阻可调节增益，增益从 1~10,000 倍可调。同时该芯片对电源的要求低，±2.3V 的电源电压就可表现出良好的功能特性，静态电流最大只有 1.3mA,功耗极低。其差模输入阻抗高达10000M，远远大于设计需求，完全可保证总电路差模输入阻抗大于5M。此外，AD620还具有低噪声、低输入偏置电流特性。特别是芯片的各项指标在低频段表现优异，适用于 120KHz 以内信号的放大。考虑到电极接触噪声产生的直流极化电压（尤其使用普通铜皮作为接触电极时），电极的极化电压是个差模信号，可能会造成运放的饱和。可以利用AD620 的 REF 端进行输出偏移调零。虽然提高放大器的第一级增益有利于降低输出噪声， 但考虑到极化电势的影响，仪表放大电路增益不应太大。
2.2.3 滤波网络模块
由于心电信号易受噪声干扰，且主要能量成分集中在 0.05Hz~100Hz 频带内， 所以本系统采用滤波的方法对心电信号作进一步的降噪处理，抑制外界干扰，从 而得到较为平滑的心电图波形。滤波电路的设计主要是满足心电信号特定的频率 响应特性。 (1)高通滤波电路
心电信号的最低可能频率成分只达到 0.5Hz（相应于心脏搏动 30 次/分），但 为降低信号因相移产生线性失真，心电信号放大电路的低频截止频率必须达到心 电信号的低频截止频率的 1/10，即 0.05Hz。实际上，在前置放大模块采用了高通负反馈滤波器进行隔直和低通滤波，0.05Hz 信号包括直流极化信号已基本被滤掉。为进一步满足高通滤波特性，可以采用效果不错且易于实现 RC 一阶无源滤波。 (2)低通滤波电路
滤除混入的各种高频干扰噪声。按照心电图信号的频谱范围，高频截止频率 选择 100Hz 和 500Hz 两种。对滤波特性的要求主要是信号的时域失真要小，心电 信号具有脉冲波形的特征，为保证不失真放大，滤波器应具有较好的线性相位特 性。
方案一：采用已有算法进行离散数字滤波。其优点是参数调节性好，滤波特 性比较精确。但为达到较好的滤波效果要求滤波器取较高的阶数，对处理器的要 求比较高，利用单片机现有资源难以实现。
方案二：通常采用模拟有源滤波器实现。模拟滤波器主要有巴特沃斯滤波器、 切比雪夫滤波器和贝赛尔滤波器三种，其中贝赛尔滤波器具有线性相移特性，最
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适用于心电信号的滤波处理。本设计主要考虑到满足并尽量完善设计指标，采用 二阶贝塞尔滤波电路的方案。
3、系统实现
根据以上要求，系统总体设计框图如图 2 所示：
图2 系统总体设计框图
3.1主要单元电路设计
3.1.1前置放大模块及右腿驱动电路
前置放大模块以 AD620仪用放大电路为核心，外围由 OPA335 构成的 反馈积分调零电路和右腿驱动电路三个部分组成。AD620内部原理图如图 3 所示。AD620 的主要特点是低漂移电压，低偏置电流，高共模抑制比。
图3 AD620原理示意图
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图4 AD620引脚图
图4 所示为 AD620仪表放大器的脚位图。其中1、8 接脚要跨接一电阻来调整放大倍率（作用同式(1)中的Rg），放大倍数G=49.4kΩ/Rg+1。这里我们设计增益为40，则Rg取1.24 kΩ。4、7 接脚需提供正负相等的工作电压，由 2、3 接脚输入的放大的电压即可从接脚 6 输出放大后的电压值。接脚5则是参考基准，如果接地则接脚 6 的输出即为与地之间的相对电压。
图5 AD620前置放大电路及仿真图
3.1.2 主放大器电路
该部分电路主要起调节增益的作用，使输出信号可达到Ｖ的量级。前面仪表放大电路的增益设计为40，主放大电路的增益为25，这样总增益为1,000。
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图 6 主放大器电路图
图7 心电信号放大器
3.1.3 滤波电路
(1)高通滤波电路
要求心电放大器的低频截止频率为 0.05Hz，没有要求进行测试，可用无源的 RC 网络来实现。由公式 f=1/2πRC（取 C 为 470nF），得 R=677.60kΩ。 实际选用 选用 6.8mΩ的电阻。
图 8 高通滤波电路图
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