心电信号采集电路的发展分析

　【摘要】心电信号是人类最早研究生物电信号之一，并较早的应用到医学临床。本文根据心电信号的低频率、低幅值和人体高阻抗等特点，设计了一个用于心电信号采集的电路。该电路主要由传感器电极、右腿驱动电路、前置放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、50Hz陷波电路以及后置放大电路组成。该电路较好的降低了共模信号的干扰以及工频干扰，可以采集到较好的心电信号。
　　【关键词】心电信号；右腿驱动电路；滤波电路；放大电路
　　1.引言
　　心脏疾病是威胁人类生命的主要疾病之一。对心电信号进行监护可以为心脏病患者的诊断提供重要的参考依据。心电信号数据的采集和处理是心电监护的核心部分，采集到形态良好的心电信号，对于后续电路的信号处理效果有一定的影响。心电信号是一种微弱的生理信号，其频率范围一般是0.05～100Hz，电压幅度范围一般在0～5mV，具有高阻抗等特点，而且容易受到干扰。
　　因此，如何把干扰信号滤除，并把信号的幅值放大到后续电路需要的幅值大小是整个心电信号采集的核心。
　　2.系统设计
　　心电信号采集电路的系统框图如图1所示。先通过传感器电极从人体提取心电信号，经过一个前置放大器后，再通过低通滤波电路和高通滤波电路把一些干扰信号滤除，只留下心电信号频率段的信号，接着经过50Hz陷波器，滤除工频干扰，最后经过后置放大器把信号的幅值放大到后续电路所需要的信号幅值大小。
　　3.心电信号提取
　　心电信号提取电路如图2所示。运放OP07构成右腿驱动电路，右腿驱动电路可以将人体共模信号倒相放大后作用于右腿，在不损失心电信号的频率成分的情况下降低共模信号的干扰。
　　仪器运放AD620构成前置放大电路，它的增益主要由管脚1和管脚8之间的电阻R6确定：
　　前置放大器的增益不能过大，所以选取前置放大器的增益A为10，因此R6≈5.6K。
　　4.低通滤波电路
　　心电信号的频率在100Hz以下，所以通过低通滤波电路把高频的干扰信号滤掉，其电路图如图3所示。电容C4和C5选取相同的电容值C，电阻R9和R10选取相同的电阻值R，该滤波电路的截止频率为：
　　选取电容为1μF，可得知电阻约为1.6kΩ。
　　5.高通滤波电路
　　采用高通滤波电路滤除直流分量等低频干扰信号。电路图如图4所示。电容C6和C7取相同的值C，电阻R11和R12取相同的值R，该滤波电路的截止频率为：
　　选取电容为1μF，可得知电阻约为：3.3MΩ。
　　6.50Hz陷波电路
　　采用陷波电路滤除50Hz的工频干扰信号，电路图如图5所示。该滤波电路的高端和低端截止频率相等，且都为，取电容C8为0.1μF，可知电阻R13约为33KΩ。
　　7.后置放大电路
　　经过滤波电路滤除干扰信号后的心电信号在输入后续处理电路之前，还需要满足后续电路数字处理电路需要V量级的信号幅值，因此心电信号总的增益需要1000左右，而前置放大电路的电压增益只有10，所以还需要增益为100左右的后置放大器进行心电信号的幅值的放大。后置放大电路如图6所示，该电路为两级反相放大器。第一级放大器的增益为，第二级放大器的增益为，R20为500KΩ的可调电阻，可用于调节后置放大电路总的增益大小以适合不同的后续电路的要求。
　　8.结束语
　　本文主要针对心电信号的特点，采用运算放大器和仪用放大器设计了一个心电信号的采集系统。该系统在能够获取心电信号的基础下，还考虑了使用右腿驱动电路来降低共模信号以及使用50Hz的陷波电路滤除了工频干扰，以便为心电监护等仪器提供较好的心电信号。
　　参考文献
　　李冬鸣，王哈力.心电数据采集系统的设计与仿真.电子科技，2008，21（4）：24—27.
　　童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001.
　　谢嘉奎.电子线路线性部分.北京：高等教育出版社，1999.
　　作者简介：师彦荣（1984—），女，重庆人，电子科技大学电子工程学院在读硕士研究生，实验师，现供职于四川理工学院自电学院实验中心，研究方向：信号与信息处理。