心电前置放大电路的研究

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
摘 要 生物电信号测量技术如今已被广泛应用于临床诊断、研究等领域， 同时测量技术也在不断的革新与 发展。介绍了一种心电前置放大电路的设计， 以美国ＡＤ公司ＡＤ６２０和ＡＤ８５５２两 种 运 算 放 大 器 为 主 构 成 放 大 电 路 ， 通过该电路对采集到的心电信号进行前置放大。
关键词 心电信号， 前置放大器， ＡＤ６２０， ＡＤ８５５２ Ａ Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｆ ＥＣＧ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒ ｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｃｉｒ ｃｕｉｔ Ｚｈａｎｇ Ｓｈｕ１ Ｗａｎｇ Ｗｅｉｄｏｎｇ２
（ １．Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ， １０００８１； ２．Ｇｅｎｅｒａｌ Ｈｏｓｐｉｔａｌ ｏｆ ＰＬＡ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８５３）
ＬＡ
低通
ＲＡ
滤波
器
ＬＬ
前置 放大
器
高通 滤波
器
中间 放大
器
图１ 心电前置放大电路结构框图
３ 高、低通滤波器及缓冲级
滤波器按照处理信号的种类可分为模拟滤波器和 数字滤波器， 模拟滤波器是对模拟电信号进行处理， 而数字滤波是对数字信号进行处理， 两者共同的目的 都是为了进行滤波， 去除干扰信号， 只是在实现的方 法上有所不同而已。 ３．１ 低通滤波器及缓冲级
３８ 军民两用技术与产品 ２００７·５
ＸＵＥ Ｓ Ｈ Ｕ ＬＵＮ ＷＥ Ｎ
学术论文
下会用到更高的频率。低通滤波和放大可在同一级运 放中实现。
然后， 信号进入缓冲级， 缓冲级是由一组跟随器 组成。缓冲级可以提高整个放大电路的输入阻抗， 降 低输出阻抗， 这样就可以在后面得到幅值较高的信号。 同时还可以把前后电路隔离开， 以减少前级电路与后 续放大电路的相关性。 ３．２ 高通滤波器的设计
传感器采集到的心电信号首先进入由电阻和电容 组成的无源低通滤波器， 滤波器的截止频率选在１０ｋＨｚ 左 右 。 由 于 信 号 中 混 有 各 种 干 扰 噪 声 会 影 响 ＥＣＧ的 有 用 信号， 因此需要对这些噪声进行滤波。噪声来源主要 有两类， 一类是各种电子设备辐射出的高频噪声， 一 类是市电的５０Ｈｚ噪声， 通常情况下后者影响尤为明显。 对 这 些 噪 声 的 滤 波 需 要 用 到 低 通 滤 波 器 。ＥＣＧ的 低 通 滤 波器通常情况下截至频率选择在１００Ｈｚ以下， 少数情况
２ 前置放大电路结构概述 心电 （ ＥＣＧ） 前置放大电路主要由滤波电路、缓冲
电路、前置放大器、中间放大器等几个部分构成。结 构如图１所示。心电传感器所获取的原始心电信号通过 电路中的高通、低通滤波器去掉其中混入的各种干扰 和噪声， 由前置放大器对其进行一级放大， 再通过中 间放大器进一步放大， 最终达到所要求的电压幅度。 在前置放大电路中， 前置放大器和中间放大器是设计 中的重点和难点。
在对信号的放大性能上也有很大的差别。其性能差别 主要体现在以下几个方面：
（ １） 共模抑制比 仪表运放内部使用了集成运放， 其第一级采用对 称结构， 在放大差模信号的同时大大提高了共模抑制 比。第二级有一个差动运放， 将第一级的差模信号继 续放大， 同时将第一级的共模输入信号去除。因此， 这种结构决定了仪表运放具有很高的共模抑制比。而 单运放理论上是共模电压的输出为零， 但由于同相输 入端和反相输入端的输入电阻不是完全匹配， 存在着 误差， 所以， 将两端的共模输入信号转化为差模输入 信号进行放大， 大大降低了放大器的共模抑制比。 （ ２） 输入阻抗 仪表放大器的输入端是两个单运放的同相输入端， 故从同相输入端看过去， 输入阻抗接近无穷大。而对 于单运放， 有同相输入和反相输入之分， 同相输入端 的输入阻抗大于反相输入端的输入阻抗。两种情况下 的输入阻抗皆小于仪表放大器的输入阻抗。 （ ３） 精度 通常， 仪表放大器的精度较高， 适合用来测量微 弱信号。而普通运算放大器的精度较低， 测量微弱信 号时误差较大。 （ ４） 漂移 鉴于仪表放大器对称， 且内部元器件参数偏移较 小， 所以能有效地抑制放大器的温度变化造成的零点 漂移， 这对绝大多数生物电信号的测量具有很重要的 意义。 因此， 在进行生物信号的测量时， 一般选择仪表 放大器。 ３．３．１ 心电前置放大器的设计 近年来， 微电子技术得到迅猛的发展， 出现了许 多 高 性 能 的 集 成 化 仪 器 放 大 器 ， 如 美 国 ＴＩ 公 司 的 ＩＮ－ Ａ２３１４、ＩＮＡ１３８等， ＡＤＩ公司的ＡＤ６２４、ＡＤ６２０、ＡＤ６２７ 等 和Ｌｉｎｅａｒ公 司 等 很 多 不 同 档 次 的 集 成 化 仪 器 放 大 器 ， 为设计生物电放大器提供了大量的选择可能性。然而， 由于生物电信号检测的特殊性， 必须选择性能特别高 的 放 大 器 。本 文 选 择ＡＤ公 司 的 仪 表 放 大 器ＡＤ６２０作 为 心电的前置放大器的运放。 ＡＤ６２０ＢＲ的 增 益 可 以 通 过 外 接 电 阻 在１～１０００之 间 任意调节， 其计算公式： Ｇ＝１＋ （ ４９．４ｋ／Ｒｇ） 当Ｇ＝１～１０００时， 其线性误差为１×１０－５￣４×１０－５。电路 设计时考虑到直流偏置影响， 由于体表液体与电极之间 可能形成原电池， 致使电极之间存在固定的电位差， 因 此， 第一级差分放大的增益不能太高， （ 下转第 ４３ 页）
（ １） 输入信号的性质 信号源的等效内阻 （ 是否很大， 可等效为电压源 还是电流源， 有无直流通路， 等效内阻是否变化很 大） ； 信号源的幅值大小 （ 伏级， 毫伏级或微伏级） ； 信号频率高低及变化速率 （ 直流或慢变信号， 工频或 音频范围内的信号， 快速变化的脉冲信号等） ； 信号是 否含有共模信号， 共模信号的幅值及频带， 还要考虑 差模信号的最大幅值。 （ ２） 负载情况 考虑是纯电阻、电感、还是电容性负载； 要求输 出电压和电流幅值； 负载是悬浮的， 一端接地或一端 接电源。 （ ３） 对运放的精度要求 主要是指对运放失调参数、带宽、单位增益和噪 声等参数有无特殊要求。 （ ４） 环境条件 工作温度最大变化范围、环境干扰的幅值和频率、 功耗和体积要求等。 针对上述要求， 便可正确选择合适的运放。例如， 对于内阻很高的信号源应选用高阻型运放； 对低频、 微弱信号， 应选用高精度型运放； 对于共模信号严重、 信号微弱、等效内阻变化大的信号源， 应选用高精度 的仪表放大器。本文在前置放大器和中间放大器设计 中运放均选用的是仪表放大器。 仪表运算放大器和普通的放大器由于结构的不同，
!!!!!!!!!"
!!!!!!!!!"
学术论文
ＸＵＥ Ｓ Ｈ Ｕ ＬＵＮ ＷＥ Ｎ
文章编号： １００９－ ８１１９ （ ２００７） ０５－ ００３８－ ０２
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
心电前置放大电路的研究
张 舒１ 王卫东２ （ １．北京理工大学电子工程系， 北京 １０００８１； ２．解放军总医院， 北京 １００８５３）
ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ＩＴＵ－ Ｒ ＢＴ．６０１／６５６” ２ ＩＳＯ／ＩＥＣ ＪＴＣ１／ＳＣ２９／ＷＧ１１． Ｃｏｄｉｎｇ ｏｆ Ｍｏｖｉｎｇ Ｐｉｃｔｕｒｅｓ
ａｎｄ Ａｕｄｉｏ－ Ｐａｒｔ２： Ｖｉｓｕａｌ， ２０００ ３ Ｉａｉｎ Ｅ． Ｇ． Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ． Ｈ．２６４ ａｎｄ ＭＰＥＧ － ４ Ｖｉｄｅｏ
由于人体中存在极化电位， 这些电信号是直流信 号而且经常会比较大， 又由于第一级放大之前不宜引 入电容进行隔直处理， 为防止直流偏置引起后续电路 的饱和， 故在第一级放大之后， 需要设计一个高通滤 波器将这些直流滤除， 其起始频率对于心电。 ３．３ 前置放大器和中间放大器
放大器的选择有一定的原则： 在满足给定输入、 负载、精度及环境要求条件下， 尽可能选用通用型、 低成本的运放。根据集成运放的选用原则， 分析实际 使用条件， 正确选择合适的运放， 做到经济合理。在 缓冲区的合理调度， 对ＤＳＰ的ＤＭＡ功能
的充分应用， 存储空间的优化， Ｃａｃｈｅ功 能 的 使 用 ， 以 及对运动搜索算法的适当选取和改进， 各个核心运算 程序模块的代码优化， 共同构成了高效的视频编码系 统 。该 系 统 最大 程 度 地 发 挥Ｂｌａｃｋｆｉｎ ＤＳＰ的 性 能 ， 保 证 了编码器的实时性， 并且达到相对最佳的性能。 参考文献 １ ＩＴＵ－ Ｒ ＢＴ．６０１／６５６． “Ｔｈｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｓｔａｎｄａｒｄ ａｃ－
Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ ＥＣＧ ｓｉｇｎａｌ， Ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ， ＡＤ６２０， ＡＤ８５５２
１引言
生物电信号十分微弱， 在检测生物电信号的同 时 存 在 着 强 大 的 干 扰 ， 如 工 频 ５０Ｈｚ和 极 化 电 压 等 干 扰。前者主要是以共模形式存在， 幅值可达几伏甚 至几十伏， 所以， 生物电放大器必须具有很高的共 模抑制比。后者是由于测量电极与生物体之间构成 化 学 半 电 池 而 产 生 的 直 流 电 压 ， 最 大 可 达 ３００ 毫 伏 。 因此， 生物电放大器的前级增益不能过大， 或者采 用超低频的交流放大器。由于信号源内阻可达几十 千欧， 甚至几百千欧， 所以， 生物电放大器的输入 阻抗必须在几兆欧以上。因此， 设计高质量的生物 电放大器有许多技术困难， 一直受到国内外专家和 学者的重视。
Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ４ Ｘｉａｏｂｉｎｇ Ｌｅｅ ａｎｄ Ｙａ－ Ｑｉｎ Ｚｈａｎｇ． “Ａ Ｆａｓｔ Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ
Ｍｏｔｉｏｎ － Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ Ｖｉｄｅｏ Ｃｏｄｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｂｌｏｃｋ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ， ” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｖｉｄｅｏ Ｔｅｃｈ．， １９９６； ６： ６２７￣６３５ ５ Ｓｈａｎ Ｚｈｕ ａｎｄ Ｋａｉ－ Ｋｕａｎｇ Ｍａ． “Ａ ｎｅｗ ｄｉａｍｏｎｄ ｓｅａｒｃｈ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｆａｓｔ ｂｌｏｃｋ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ， ” ｉｎ Ｐｒｏｃ． Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． Ｉｎｆｏｒｍ．， Ｃｏｍｍｕｎ．， Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ．， １９９７； ９： ２９２￣２９６ ６ Ｔ． Ｋｏｇａ， Ｋ． Ｉｉｎｕｍａ， Ａ． Ｈｉｒａｎｏ， Ｙ． Ｉｉｊｉｍａ， ａｎｄ Ｔ． Ｉｓｈｉｇｕｒｏ， “Ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｉｎｔｅｒｆｒａｍｅ ｃｏｄｉｎｇ ｆｏｒ ｖｉｄｅｏ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｉｎｇ， ” Ｐｒｏｃ． Ｎａｔ． Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎ． Ｃｏｎｆ．， Ｎｅｗ Ｏｒｌｅａｎｓ， ＬＡ， １９８１； Ｎｏｖ．２９ ￣Ｄｅｃ．３： Ｇ５．３．１ ￣ ５．３．５ ７ Ｒｅｎｘｉａｎｇ Ｌｉ， Ｂｉｎｇ Ｚｅｎｇ ａｎｄ Ｍｉｎｇ Ｌ． Ｌｉｏｕ， “Ａ Ｎｅｗ Ｔｈｒｅｅ－ Ｓｔｅｐ Ｓｅａｒｃｈ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｂｌｏｃｋ Ｍｏｔｉｏｎ Ｅｓｔｉｍａ－ ｔｉｏｎ， ” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｖｉｄｅｏ Ｔｅｃｈ．， １９９４； ４： ４３８￣４４２ ８ Ｌａｉ－ Ｍａｎ Ｐｏ ａｎｄ Ｗｉｎｇ－ Ｃｈｕｎｇ Ｍａ． “Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｆｏｕｒ－ Ｓｔｅｐ Ｓｅａｒｃｈ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｆａｓｔ Ｂｌｏｃｋ Ｍｏｔｉｏｎ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ， ” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｖｉｄｅｏ Ｔｅｃｈ．， １９９６； ６： ３１３￣３１７