便携式心电图采集与控制系统设计

　　系统实现

　　系统主要模块框图如图2所示。由于电极采集到的心电信号属于强噪声背景下的超低频(0.5～100Hz)微弱信号(0.1～5mV)，所以需要前置放大部分将微弱的心电信号高保真放大，并通过低通滤波、高通滤波及50 Hz陷波滤除干扰，才可以送往LPC2478的A/D 转换器AIN0进行A/D转换。

　　前置放大部分电路由输入跟随、仪用放大器、右腿浮地驱动组成，输入跟随器为提高输入阻抗、获取更多的心电信号，采用高精度运算放大器OPA427，接收来自左、右手的心电信号经调整后送往仪用放大器，由高精度仪用放大器进行一级倒相放大后的信号送到低通滤波器，原始心电信号中的共模噪声经过一级放大后返回人体，使其相互叠加，从而可以减小模压电感器人体共模干扰的绝对值，提高信噪比。

　　低通及高通滤波部分，由于心电信号属于低频信号，为了去掉高频的干扰，还须通过低通滤波。低通滤波器截止频率为110Hz，放大器的温漂、皮肤电阻的变化、呼吸和人体运动都会造成心电信号出现所谓的“基线漂移”现象，也即输出端的心电信号会在某条水平线上缓慢地上下移动。从频谱上说，这些影响都可以归结为一个低频噪声干扰，于是使用高通滤波器滤除这部分干扰。在主放大器部分，通过调整电位器的阻值 RP1来设置整个心电放大电路的总增益。主放大器采用低功耗低噪声的运算放大器TLC225。50Hz频率陷波部分主要用来滤除以差模信号方式进入电路的工频干扰。电平提升部分用来把双极性信号转化为单极性信号，以便可直接送入AIN0。

　　硬件设计

　　硬件平台

　　负压产生电路

　　由于心电图原始数据处理中数据放大和滤波电路中OPA4277、AD620和TLC2254芯片需要用到负压，故此在电路中加入负压产生电路，主要应用电压转换芯片MC34063通过起振产生-12V的负压，之后再进行分压得到芯片要求的-5V电压。

　　信号前置放大电路

　　前置放大电路的组成和电路图如图3所示。前置放大电路由输入跟随器、仪用放大器和右腿浮地驱动等三部分组成。

　　(1)输入跟随器：提高输入阻抗、获取更多的心电信号，采用高精度运算放大器OPA4277，具有超低失调电压l0 V，超低失调偏移±0.1V，偏置电流最大为l nA。

　　(2)仪用放大器：根据系统设计要求采用高精度仪用放大器AD620，输入失调最大为50mV，输入失调漂移为0.6mV/摄氏度，共模抑制比为120dB(G=10)。该放大器增益范围为1~10000，其放大增益关系式为：

　　G=1+49.4k/Rg

　　当G=10时，Rg为5.489k，取近似值5.5k。

　　(3)右腿浮地驱动：把混杂在原始心电信号中的共模噪声提取出来，经过一级反相放大后，再返回到人体，相互叠加，以减少人体共模干扰的绝对值，提高信噪比，主要应用高精度运算放大器OPA4277。

　　高通与低通滤波电路

　　由于心电信号属于低电感器生产厂家频信号，为了去掉高频干扰，还须通过低通滤波。低通滤波器采用归一化设计的四阶低通滤波，截止频率为100 Hz，在频率转折处有足够的陡度，避免高频信号的干扰。考虑到元件的误差，设定截止频率为110Hz。低通和高通滤波电路如图4所示，放大器采用低功耗低噪声的运算放大器TLC2254。每通道供电电流为35mA。

　　主放、50Hz工频陷波和电平提升

　　主放电路图通过调整电位器的阻值PI来设置整个心电放大电路的总功率电感增益。主放大器采用低功耗低噪声的运算放大器TLC2254。虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，但部分干扰是以差模信号方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上其他各种不稳定因素，经放大、低通滤波、高通滤波和主放后，输出仍存在干扰，必须专门滤除。

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