心电信号调理电路设计

孔祥金，刘 军

（武警工程大学 研究生管理大队，陕西 西安 710086）

心电信号是心脏电活动的表现，是反映人体生命状态的良好生理指标之一，可用于检测各种心律失常、心肌病变、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。但心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，具有随机性强、频率低的特点，极易受到检测系统内部噪声和外界刺激（环境、温度）的干扰，必须对提取到的心电信号做一系列的处理（滤除噪声和干扰），才可获得高保真的心电信息，为进一步从医学角度分析研究心电信息提供准确、有效的数据源[1-2]。因此，研究心电信号调理电路对整个心电信号检测系统具有十分重要的意义。

1 调理电路总体设计

心电信号幅度小、频率低，极易被噪声湮没，减少或消除这些噪声干扰是有效识别心电信号特征参数的前提。信号调理电路作为信号采集单元的重要组成部分，其稳定性和可靠性直接决定了心电信号的真实性与有效性[3]。

1.1 调理电路设计要求

由于心电信号是微弱、低频的生物电信号，一般只有0．05～5 mV， 频率在 0．05～100 Hz 之间，极易被噪声湮没。 因此，对心电信号调理电路的设计有以下苛刻的要求：1）高输入阻抗，由于信号源阻抗较高，心电信号很微弱，若输入阻抗不高，经分压后信号会更小，会使心电信号有严重损失甚至畸变；2）高增益，心电信号属于微弱信号，只有较高的放大倍数才能提高心电信号采集的精度；3）高共模抑制比，主要是消除市电50 Hz的工频干扰和极化电位的干扰；4）低噪声，使之不湮没信号微弱且信噪比低的心电信号；5）低漂移，防止高放大倍数的放大电路出现饱和现象；6）合适的带宽，以有效地抑制噪声，防止采样混叠；7）高安全性，确保人体的绝对安全，主要对电气特性的要求[4]。

1.2 调理电路设计方案

基于心电信号的上述特征，文中设计的高性能心电信号调理电路由一级放大电路、调零电路、工频限波电路、带通滤波电路和二级放大电路组成，其总体框图如图1所示。

调理电路的工作流程为：一级放大电路对由人体体表提取到的心电信号，进行线性放大；经调零电路抑制零漂后，传送至限波电路和带通滤波电路，滤除杂波干扰信号；再经二级放大电路送至A/D转换部分进行信号采样。

图1 调理电路总体框图Fig．1 Structure diagram of the circuit for conditioning

2 硬件电路设计

2.1 一级放大电路设计

一级放大电路[5]是调理电路设计中的第一个关键点，其性能的优劣直接决定了后续系统对数据分析处理的真实性，实现对检测到的心电信号进行线性放大和抑制干扰信号的功能。针对心电信号的特点，应当采用适当增益、低功耗、低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比、线性工作范围宽和低零点漂移的并联差动三运放仪表放大器。目前比较常见的用于心电 信 号 检 测 的 仪 表 放 大 器 有 INA111、INA118、INA128、AD8553和AD620。其主要特性比较如表1所示。

表1 常见仪表放大器特性比较Tab.1 Characteristic of fam iliar instrucment amp lifier

针对心电信号采集的要求，经综合分析比较，本电路选择体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广的AD620作为一级放大电路的主体芯片。具体电路如图2所示。AD620使用方便，增益可通过改变1和8引脚之间的电阻来调节，计算公式如下：

计算得：

有用信号和噪声同时经过这一级，如果放大倍数过大，噪声也被放大，如果噪声幅度过大，则不利于后级处理，即后级难以有效消除噪声。所以，一级放大电路放大倍数不宜过大，本级增益设置为11，此时引脚1和8之间接一个精度为0．01%、阻值为 4．99 kΩ 的金属膜电阻。

2.2 调零电路设计

图2 一级放大电路Fig．2 Circuit of first amplification

调零电路，实现进一步抑制由于肌肉抖动、人体紧张、呼吸颤抖等因素引起的基线漂移的功能，从而保证在输入为零的时候，整个电路的输出为零。本电路采用广泛应用的同相端调零电路，电路如图3所示。

图3 调零电路Fig．3 Circuit of zero

此电路中，调整电压加在同相输入端。考虑到经一级放大电路处理后的心电信号是毫伏级，此处设置R3和R5的组织分别为100 kΩ和500Ω，构成200：1的分压电路，R5两端将得到失调电压调整范围由下式决定：失调电压调整范围=±V ss（R5/R3），其中 V ss=±3．3 V，R5两端将得到±16．5mV 的失调电压调整范围，能够满足调零要求[6]。

2.3 工频限波电路设计

工频限波电路采用双T限波电路，实现对50 Hz的工频干扰的抑制。工频干扰通过电磁感应的方式从人体、导线等多种途径窜入电路，尤其是心电信号很微弱，工频干扰尤为严重，可将有用信号全部湮没。因此，采用有源双T带阻滤波电路来抑制心电信号测量中的50 Hz的工频干扰，电路原理图如图4所示。

图4 工频限波电路Fig．4 Circuit of restricting the signals 50 Hz

有源双T陷波电路的截止频率为：

通过计算选取：

2.4 带通滤波电路设计

按照美国心电学会确定的标准，正常心电信号的幅值范围在10μV～4mV之间，典型值为1mV，频率范围在0.05～100 Hz以内。从心电功率谱能量分布来看，大部分能量集中在0.05～40 Hz之间。为有效滤除高频干扰和低频干扰，设计一个由低通滤波电路和高通滤波电路组成的带通滤波电路，其频带范围大约是0.05～40 Hz，该范围内包含了心电信号的主要能量成分，能将心电信号的有用成分从采集到的信号中分离出来。

经比较分析有源滤波器和无源滤波器的性能特点，结合心电信号频率较低的特点，文中选用有源滤波器。

2.4.1 高通滤波器的设计

本文高通滤波电路采用二阶Sallen-Key高通滤波电路，电路如图5所示。

图5 二阶高通滤波电路Fig.5 Circuitof second-order high-pass filter

通过计算选取：R13=60 kΩ，R14=60 kΩ，C8=C9=0.12μF

2.4.2 低通滤波电路设计

由于心电信号具有近似脉冲波形的特征，为保证其不失真放大，必须充分考虑滤波器的相位特性。有三种典型的滤波器：巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器，其中，贝塞尔滤波器具有线性相移特性，最适用于心电信号的滤波处理。巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器都会引起心电波形失真。本文设计采用二阶贝塞尔有源低通滤波器，能获得较好的高频衰减特性和失真特性，可以减小输出波形在上上升沿和下降沿出现的小幅过冲，实现对心电信号不失真地放大，具体电路如图6所示。仿二阶高通滤波电路可得该电路的截止频率为：

通过计算选取：R13=60 kΩ，R14=60 kΩ，C8=C9=0.12 μF

图6 二阶贝塞尔低通滤波电路Fig.6 Circuit of second-order Low-pass filter

2.5 二级放大电路设计

心电信号属于微伏级信号，即使经过性能优良的传感器得到的信号也只是毫伏级。经前级电路处理后的心电信号幅度小，不能满足A/D转换的需求，需要对其进一步放大，才能与A/D转换单元的输入范围匹配，从而减小量化误差。经分析对比，该放大电路选用的是OP2177集成芯片，它具有噪声低、增益精度高和线性度好的优势，可满足对信号进一步放大的需求。具体电路如图7所示。一级放大电路对信号放大11倍，本级放大200倍，本级输出的信号基可以达到1 V左右，能够满足信号采集的要求。

图7 二级放大电路Fig.7 Circuit of second amplification

3 实验结果及分析

3.1 测试过程

硬件电路设计完成后，进行硬件实际测试。输入信号采用安捷伦函数发生器，该发生器具有幅值范围宽、精度高、可靠的优点，用安捷伦示波器观察信号调理电路的输出波形。

3.2 结果与分析

输入信号的频率为20 Hz，幅值为0.05~4 mV（模拟正常心电信号的频率和幅值），具体实验结果见表2。实验结果表明：输出波形稳定，波动范围为4~33 mV，相对较小。实验测试表明，整个电路输入阻抗可达 15 MΩ，共模抑制比大于 100 dB，噪声小与0.1μV，对微弱的心电信号有良好的滤波、放大效果、且性能稳定，能满足A/D转换的要求。

表2 硬件电路输入、输出性能测试结果Tab.2 Result of testing for input and output of hardware circuit

4 结束语

心电信号调理电路的性能决定了整个心电信号采集系统的可靠性与稳定性。本文重点依据心电信号的特点，针对性地选择元器件，并对所设计的硬件电路进行测试。实验结果表明该电路具有良好的滤波、放大性能，且满足A/D转换的要求，提高了心电信号采集的精度。

[1]卢超．脉搏检测实验装置的研制[J]．实验室研究与探索，2010，29（29）：41．

LU Chao．Development of pulse Signaldetecting expermi entaldevices[J]．Research and Exploratlon in Laboratory，2010，29（29）：41．

[2]郭世富，马树元，吴平东，等．基于ZigBee无线传感器网络的脉搏信号测试系统[J]．计算机应用研究，2007，24（4）：258．

GUO Shi-fu，MA Shu-yuan，WU Ping-dong，et al．Puise wave measurementsystem based on zigbeewireiesssensornetwork[J]．Appiication Research of Computers，2007，24（4）：258．

[3]王静，徐斌，郁冬炎．基于嵌入式技术的脉搏信号测试系统[J]．计算机与现代化，2011（5）：117．

WANG Jing，XU Bin，YU Dong-yan．Pulse signal testing system based on embedded technology[J]．Jisuanjl yu Xiandaihua，2011（5）：117．

[4]王智洁，和卫星，吕继东．便携式无线心电采集装置的研究及实现[J]．电子技术与应用，2010，36（11）：95-96．

WANG Zhi-jie，HEWei-xing，LV Ji-dong．The research and implementation ofprotablewireless ECG acquisition device[J]．Application of Electronic Technique，2010，36（11）：95-96．

[5]徐诚，董圣男，刘成．基于蓝牙技术的脉搏检测系统设计[J]．电子测量技术，2009，32（10）：89．

XU Cheng，DONG Sheng-nan，LIU Chen．Design of pulsewave measuring system based on Bluetooh[J]．Electronic Measurement Technology，2009，32（10）：89．

[6]任冠中．基于ARM7的多路生理信号监护系统设计[D]．内蒙古：内蒙古大学，2011．

[7]李亭亭．运动员生理信号的采集和数据分析系统的研究[D]．沈阳：沈阳工业大学，2008．