便携式心电仪信号采集电路的设计研究

唐 云，李艳芳，李 荣

（湖南科技学院电子研究所，湖南 永州425199）

便携式心电仪信号采集电路的设计研究

唐 云，李艳芳，李 荣

（湖南科技学院电子研究所，湖南 永州425199）

便携式心电仪具有功耗低、稳定性高、使用方便等优点，使用越来越广泛。便携式心电仪中信号采集电路系统由探测电极、前置放大电路、带通滤波电路、50Hz馅波电路、主放大电路以及电平抬升电路等部分组成，其输出信号经模数转换后可进行显示和处理。为提高心电仪的工作稳定性、降低功耗，选用了低功耗、低电压的仪表放大器 AD620，为消除50Hz工频干扰，采用了专门设计的50Hz馅波电路，确保心电信号的有效传输。采用Multisim软件对各部分电路进行了仿真，确保设计电路能达到预期目的。

心电仪；信号采集；仪表放大器；馅波电路； Multism仿真

目前，心血管疾病是威胁人类生命健康最严重的疾病之一，它具有很强的隐蔽性和突发性，一直是医学预防研究的热点问题。心电监护仪器能够及时发现心血管的异常情况，已成为临床诊断以及生命科学研究的重要工具。目前使用较多的心电监护仪器主要以工作站的形式应用于医院，但其价格昂贵且不方便携带，阻碍了家庭应用的普及[1]。于是，开发家用的便携式心电仪成了社会亟需解决的问题。而便携式心电仪在低功率条件下如何合理设计心电采集系统是能否得到正确的心电信号的关键，本文对便携式家用心电仪中的心电信号采集电路进行设计并用Multisim软件进行仿真。

1 系统总体设计

便携式心电仪中信号采集电路系统总体设计如图1所示。由探测电极从体表采集的微弱心电信号经过前置放大电路、带通滤波电路、50Hz馅波电路、主放大电路以及电平抬升电路后，送入数据转换模块进行模数转换，转换后的数据存储于微处理器中，然后用液晶显示器进行显示，也可以同时传输到PC机中进行分析处理。

图1 系统总体设计框图

心电仪中的心电信号的采集是一个复杂的过程。心电信号作为心脏点活动在人体体表的表现，信号比较微弱，其幅值约为 0.05～5mV，频率约为 0.05～100Hz，信号源的阻抗为数百欧到数千欧；其次，心电信号的测量条件相当复杂，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工频干扰、基线漂移、电极接触和其他电磁波的体外干扰；另外，考虑到仪器的便携特性，在选择器件时应注意择优，以便更好地降低整体电路的功耗和体积[2]。

2 前置放大电路和右脚驱动电路

前置放大电路和右脚驱动电路如图2所示。心电仪的前置放大电路在整个系统中处于非常重要的地位，决定了整个系统的主要性能指标。前置放大电路要求噪声尽可能低和共模抑制比尽可能高。

选用低功耗、低电压的仪表放大器 AD620作为前置放大器的核心器件可以满足心电前置放大器高输入阻抗、低噪声、低功耗的设计要求。另外，AD620增益G的调节较为方便，直接由一个外部电阻控制。AD620增益G的计算如公式1所示，可设计前置放大电路的增益为10。

为了降低50Hz共模工频干扰，提高电路的共模抑制比，可以取前置放大的共模信号，通过运放之后再经过右腿加回体表，即图2所示的右腿驱动电路。

图2 前置放大电路和右脚驱动电路

为了验证电路设计是否可行，于是采用了Mulitism软件对电路进行仿真，采用1mV、10 Hz的正弦信号模拟心电输入信号，用一个示波器观察前置放大电路的输出信号，示波器显示结果如图3所示，从图3中可以看到1通道为输入心电信号，2通道为放大输出信号，显然实现了放大10倍的要求。

图3 前置放大电路效果图

3 滤波电路

本文采用了低通滤波和高通滤波组合成带通滤波电路把信号的频率限定在心电信号的频率范围：0.05～100Hz之间。带通滤波电路如图4所示。

令低通滤波器的截止频率为1f=100Hz,取C1=C2=0.1uF，R2=25kΩ，R3=10kΩ，则：

高通滤波电路与低通滤波电路具有对偶性。只需将低通滤波电路中的电阻改为电容，并把电容改为电阻，就可以构成高通滤波电路。令高通滤波器的截止频率为2f=Hz,取C4=C5= 200uF，R4=25kΩ，R5=10kΩ，则：

图4 带通滤波电路

在设计中，采用了Multisim软件对图4所示带通滤波电路进行了仿真验证，其幅频特性和相频特性如图5所示。从仿真结果可以看出0.05～100Hz在这个频带范围内信号基本可以无失真通过。

图5 带通滤波电路幅频特性和相频特性仿真结果

50Hz工频干扰是生理信号的主要干扰。虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，但还是会有部分工频干扰将会以差模信号方式进入电路，并且其频率处于心电信号的频带之内，如果再加上电极和输入回路不稳定等因素，前置电路输出的心电信号将存在较强的工频干扰，所以应该专门滤除[3]。现代精密生物信号放大装置中多采用潜入陷波器的方法来消除市电电网电源信号的干扰或其他特定频率信号的干扰。本文所采用的陷波电路如图6所示。

选取电阻 R1=R2=31.8K，C1=C2=0.1uF，可以得到：

图6 陷波电路

在设计中，采用了Multisim软件对图6所示陷波电路进行了仿真验证，其幅频特性和相频特性如图7所示。从仿真结果可以看出在50Hz幅度衰减非常明显，符合设计要求。

本系统的设计，既实现了便携式心电仪中的心电信号采集电路又用Multisim软件仿真验证了其可行性，具有较大的家庭应用开发价值与理论指导价值。

图7 50Hz陷波电路幅频特性和相频特性仿真结果

[1]朱洪波,杨光晨,杨鹏,宣伯凯.便携式式心电监护分析系统的设计[J].计算机测量与控制,2013,21(7):2015-2017.

[2]周立波,梅大成,侯小凤,秦勃.心电采集电路的设计与实现[J].信息技术,2011(10):130-135.

[3]孙良.多生理信号采集系统的研制[D].陕西:西北工业大学,2007.

Signal Acquisition Circuit in Portable ECG Monitor

TANG Yun,LI Yan-fang,LI Rong
(Electronics Institute,Hunan University of Science and Engineering,Hunan Yongzhou 425199，China)

Portable ECG device used more and more widely with its low power consumption,high stability,easy to use.A portable ECG signal acquisition circuit system include detecting electrodes,preamplifier circuit,band-pass filter circuit,50Hz filling wave circuit,main amplifier and voltage lifting circuit.After the output analog signal conversion to digital signal can display and process by MPU.We choose the low power consumption,low voltage amplifier AD620 for improving the stability,reducing the power consumption of ECG,in order to eliminate 50Hz interference,we using the 50Hz filling wave circuit that is specially designed to ensure the effective transmission of ECG signal.Multisim software is used to simulate every part of the circuit,to ensure that the design of the circuit can reach the expected goal.

portable; ECG; amplifier circuit; filter circuit; Multism simulation

R540

：A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.00

1672–7304(2016)01–00–0

本文是“湖南科技学院重点学科建设项目资助(电路与系统)”、“永州市2014年度第一批指导性科技计划项目（序号10）”、“2013年湖南科技学院科学研究项目（13XKYTB007）”阶段性成果。

（责任编辑：雷 君）

唐云(1983-)，女，湖南永州人，研究方向：嵌入式系统。