心电信号采集电路的设计与仿真

2018-10-16王月琴李红星

太原学院学报(自然科学版) 2018年1期

关键词：幅频特性陷波通滤波

王月琴,李红星

(安徽新华学院,安徽,合肥 230088)

1 心电信号的特点

心脏之所以会自主跳动,是因为生理电信号在心肌细胞上传导所致。这种电信号会穿过人体到达胸腔或肢体等皮肤表面。如果在肢体上放置电极(导体),这些微弱的心电信号就可以进行观察和研究。通过电极采集到的心电信号主要特点如下[1]：

1)微弱性。人体心电信号通过电极传感器采集后很微弱,一般只有0.05 mv～5 mv。

2)低频特性。人体心电信号的频谱主要集中在0.05 Hz～100 Hz。

3)高噪声性。人体心电信号噪声主要来自于人体内部噪声和外界噪声。外界噪声主要来源于高频干扰、50 Hz工频干扰、电极传感器干扰、电子线路的干扰。人体内部噪声主要来源于肌电干扰、呼吸引起的干扰。

2 系统总体设计

根据心电信号特点,心电信号采集电路由四个部分组成:前置差分仪表放大器,带通滤波电路、50 Hz陷波电路、主放大电路。系统总体设计框图如图1所示[2]。

图1 系统总体设计框图

3 仪表放大器电路

前端通过电极采集得到的心电信号特点是具有高输入阻抗、高共模输入、低差模输入,前级放大电路非常重用,前级放大电路性能好坏直接影响整个电路性能。根据前端心电采集信号特点，前端放大电路需要具有高输入阻抗、高共模抑制比、足够大差模放大倍数。选用仪器放大器可以满足前端设计要求，仪表放大器电路如图2所示。

图2 仪表放大器电路

图3 仪用放大器输出波形图

4 带通滤波电路

0.05 Hz～100 Hz为心电信号频谱,为了滤波噪声信号,本设计采用0.05 Hz～100 Hz的带通滤波电路。上限频率为100 Hz的低通滤波电路和下限频率为0.05 Hz的高通滤波电路串联组成带通滤波电路[3],电路图如图4所示。

图5为带通滤波器的幅频特性,通过仿真结果可以看出0.05 Hz～100 Hz为通带,信号可以基本无衰减通过。

图4 带通滤波电路

图5 带通滤波电路幅频特性

5 50 Hz陷波电路

市电电压的频率为50 Hz,它会以电磁波的辐射形式对电子设备造成干扰,称这种干扰为工频干扰[4]。50 Hz的工频干扰是生理信号的主要干扰,其频率处于心电信号的频率范围内,所以前端带通滤波电路不能滤波工频干扰信号,需在后端采用专门电路进行滤除。本文采用中心频率为50 Hz的带阻滤波电路(即50 Hz陷波电路),陷波电路图如图6所示。