心电采集系统中模拟电路的设计方案

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  •   心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现,信号比较微弱,其频谱范围是0.05~ 200Hz,电压幅值为0~5mV,信号源的阻抗为数千欧到数百千欧,并且存在着大量的噪声, 所以心电采集系统的合理设计是能否得到正确的心电信号的关键部件。心电信号的测量条件是相当复杂的,除了受包括肌电信号、呼吸波信号、脑电信号等体内干扰信号的干扰以外还受到50HZ 市电、基线漂移、电极接触和其他电磁设备的体外干扰,因此,在强噪声下如何 有效地抑制各种干扰将成为心电采集系统设计的关键。

      1 心电采集系统简介

      完整的心电采集系统包括模拟和数字两部分,其中模拟部分主要完成心电信号的拾 取、放大和滤波等,数字部分将对模拟部分获得的心电信号进行分析与处理,以便医护人员 得出正确的诊断结果,因此心电采集系统中的模拟电路在心电监护系统中具有重要作用。心电采集系统的总体结构如图1 所示。

      

    心电采集系统中模拟电路的设计方案


     

      由携带在人体上的专用电极拾取的心电信号首先经前置放大器初步放大,并在对各种干扰信号进行一定抑制后送入带通滤波器,以滤除心电频率范围以外的干扰信号,然后由主放 大器将滤波后的信号进一步放大到合适范围,再经50Hz 陷波器滤除工频干扰,得到模拟的 心电信号将被送入AD 转换系统进行模数转换,转换成数字信号后由中央处理单元负责后续 的分析处理。

      2 前置放大电路

      从人体体表拾取的心电信号一般只有几个毫伏,为了提高其分辨率以便于后端显示和 处理,首先需要对信号进行放大。在心电信号采集过程中,前置放大电路对心电信号的影响 最大,为提高心电信号的性能,前置放大电路的放大倍数不能选择得太大(一般小于20), 否则会由于有较大的干扰信号(指电极的极化电压),致使放大器产生阻塞现象。

      对于心电信号而言,采集的信号属于差模信号,所以其放大器都采用差动放大电路结 构,使用最普遍的是采用低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比、高增益和抗干扰能力强的同 相并联差动放大电路,即通常所说的三运放仪表放大器,本系统采用通用的集成运放LM324 来构成这种放大器的。LM324 是一种4 集成运算放大器,由于价格低廉且使用方便,所以被 广泛应用于控制和信号放大处理之中。我们在实验室认真设计和反复实验,用LM324 构成的 电路成功实现了心电信号的放大处理,其主要技术指标都能满足要求。LM324 既可以单电源 使用,也可以双电源使用,电源电压可以从+5V 一直用到±15 V,而且驱动功耗低,每一组 运放差模增益可达到100dB。通过外围电路的合理设计,使得以LM324 为主要器件的放大电 路完全能满足高放大倍数、高稳定性的心电信号放大处理要求。

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