本文针对心电信号的特征，提出了一种心电信号采集电路的设计方法。通过设计信号放大电路、滤波电路，并对其逐个测试和分析，获得了清晰准确的心电图。该电路体积小、成本低、功耗小，可应用于便携式心电监护仪的设计。所得到的心电图可以为医务人员对心脏疾病的诊断提供依据。
心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病之一。由于人们工作生活节奏的加快、饮食结构不合理，导致此类疾病的发病率不断增长。如何更好地预防和治疗此类疾病俨然成为医学界面临的重要问题之一。针对心电信号采集电路的研究和设计，对于帮助医生获取心电信号，诊断心血管疾病，具有重要的意义。
由于医院里使用的心电监护系统体积庞大、价格昂贵、难以移动，不能实时现场监护患者的病情，给病人和医生造成很大的不便。根据心电信号的特点，提出了一种便携式心电监护仪心电信号采集的设计方案。
1 整体方案
从人体体表获取的心电信号非常微弱，一般只有0．1～3 mV，具有不稳定性、低频特性、随机性等特点，并且非常容易受到外界环境的干扰。心电信号的干扰主要有工频干扰、高频电磁场干扰、电极极化干扰、测量设备本身的干扰等。基于以上特点，设计了心电信号获取电路，按照标准I导联方式进行设计，左手臂作为电位正极，右手臂为负极。电路整体结构如图1所示。
心电信号被心电极片获取后送入前置放大电路进行初步放大，由高性能的差分式前置放大电路对共模干扰信号进行抑制。同时，通过右腿驱动电路抑制共模干扰和50 Hz工频干扰，提高信号的采集质量。将经过前置放大电路初步放大以后的心电信号送入截止频率分别为0．5～100 Hz的高通、低通滤波电路。接着将信号输入主放大器，实现100倍放大，使信号放大到0．08～2．7 V的范围。为了消除在信号放大过程引入噪声，同时滤除信号中的50 Hz工频信号，将主放大后的信号进行50 Hz陷波，然后再经过低通滤波电路，从而得到清晰的波形。由于心电信号是交流信号，而单片机的A／D采集输入范围是0～3．3 V，故需将信号进行电平迁移，将其抬升至单片机的模拟电压采样范围，以便进行A／D转化，满足嵌入式系统分析、存储和传输的要求。
1．1 前置放大电路设计
由于人体心电信号非常微弱，干扰噪声强，存在较大的极化电压，初级放大器必须具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能。采取差分放大电路进行设计，如图2所示，运放选用仪表放大器AD620芯片。
AD620的增益取值范围为1～1 000倍，对AD620增益大小的控制是通过调节1引脚和8引脚之间的电阻RG来实现的，计算公式为：G=49．4 kΩ／RG+1。为了提高被监护对象的安全系数且前置放大器不工作在截止区，前置放大器的增益不能过大。设计电路RG=6．67 kΩ，计算得增益G为8．41。对该电路用小信号进行模拟测试，以峰峰值为100 mV，频率为50 Hz的正弦波为输入，得到输出为Vpp=886．47 mV的正弦波，实际放大倍数为8．86倍，与理论值相符。
1．2 前级滤波电路设计
对心电信号的特征分析发现，滤波电路的频带范围应为0．5～100 Hz。选择低通和高通两个滤波器串联在一个通道上，组成带通滤波器对心电信号进行滤波。低通滤波器的截止频率为100 Hz，高通滤波器的截止频率为0．5 Hz。选用频带范围较宽的TL082作为滤波器的运放，电路如图3所示。
为了使滤波效果更加理想，采用二阶滤波设计，针对低通滤波器部分，该二阶低通滤波器的传递函数为：
fc=97．6 Hz (4)
同样可以计算出，针对高通滤波器二阶高通滤波器的截止频率为：
采用实际信号来检测滤波器的特性，选择频率为1 Hz，Vpp为10 mV的信号，信号微弱且频率较低，并带有噪声干扰。采用LabVIEW进行测试，经过高通和低通滤波前后对比结果如图4所示，可以看出，设计的滤波器滤除了许多高频成份，波形相比于滤波之前有了明显的改善，起到了很好的滤波的效果。
1．3 主放大电路设计
原始心电信号的幅度约为0．1～3mV，前置级和滤波电路放大倍数为8．86，而系统采用ADC的刻度范围为0～3．3 V，为了提高采集精度，设计了主放大电路对信号进一步放大。主放大电路的放大倍数设定为100倍，此时系统总放大倍数为886，得到的心电信号幅度约为0．08～2．7 V，使其在单片机内部ADC模块的采集范围内。该电路采用低偏置电压，低漂移的集成运放OP07来承担。如图5所示，100倍的增益由反向输入端的R1和R2的电阻决定，同相输入端采用R3=100 kΩ电阻以平衡两端电压并增大共模抑制比。
在同相输入端输入1 Hz，Vpp为100 mV的正弦波，测试经过运算放大器放大后在输出端测到的信号Vpp约为10．3 V，后级放大电路的实际放大倍数约为103倍，测试值与理论值的误差是由芯片本身的特性以及电阻R1和R2的失配引起的。
1．4 50 Hz陷波器设计
工频干扰主要是由人体和测量系统耦合周围环境中50 Hz工频及其谐波成分而引入的，是心电信号的主要干扰之一，对心电波形的影响较大。虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，并且在输入电路中采用了右腿驱动电路以抑制工频干扰，但仍有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路。另外，由于输入回路和电极不稳定等因素，初级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰，所以有必要进行陷波处理。设计电路如图6所示。
对该电路进行软件仿真，结果如图7所示，从频域表可以看出50 Hz左右地方衰减明显。实际测试时，采用频率50 Hz，Vpp为1 V的正弦信号输入，经过陷波器之后，原本Vpp为1 V的信号，衰减至0．1 V，陷波效果明显。
1．5 右腿驱动电路
为了提高共模抑制比，取初级放大的共模信号，通过运放反向之后经过右腿加回体表，可以有效抑制测量过程中引入的干扰。实践证明，采用右腿驱动能够使50 Hz共模干扰降低到1％以下，而且对于50 Hz干扰的抑制并不以损失心电图的频率成份代价，效果较好。右腿驱动电路如图8所示。
2 实验测试结果
按照标准I导联方式对心电信号进行采样，经过放大和滤波电路并进行后级低通滤波，得到的心电信号波形清晰，最终测试结果如图9所示。
本文关键字：电信号 传感-检测-采集电路，单元电路 - 传感-检测-采集电路
