基于AD8237仪表放大器的三导联心电图测量仪

2022-09-11

一、引言

随着近年来心血管疾病的发病人数越来越多, 人们的目光也越来越关注心脏健康。常规心电图是心脏的基本检查项目, 常用来了解有没有心肌缺血或心律失常的情况。然而去医院做心电图检测不仅费用高, 而且也很麻烦, 这时就需要一款便携式的心电图检测设备来给人们提供方便快捷的心电图检测。

本设计的应用主要是面对中低消费水平的人群, 利用更少的元器件实现更好的性能, 并尽量减少硬件电路设计与整体体积, 提供低成本的解决方案。

二、设计思路

(一) 心电导联及传感器选择

为达到方便、简单的要求, 本设计选用的心电导联方式为三导联, 即右肢体为正极输入, 左肢体为负极输入, 加上右腿驱动电路形成三导联电路;而电极选用以导电胶为接触面的按钮式电极片。

(二) 前置放大器设计

1.前置仪表运放芯片型号的选择

选取前置放大器必须拥有低漂移、低噪声、输入阻抗大特性的放大器。往往放大微弱信号的运放为仪表运放, 它具有高输入阻抗, 低噪声的特点。除此之外, 由于选用电池供电, 运放需要适合单电源工作的能力。本设计选用一款十分适合心电放大的前置放大器AD8237。AD8237是一款微功耗、零漂移、轨到轨输入和输出仪表放大器。它可通过两个相对匹配的电阻设置1至1000间的任何增益。在任何增益下均可用比率匹配的两个电阻保持出色的增益精度。

2.差分直流失调电压补偿电路

由于电极的半电池电位特性, 心电图 (ECG) 电路工作时必然产生差分直流失调。针对该超电势的耐受性典型值为±300m V;然而, 某些情况下可能达到1 V或更高。由于ECG电路采用更低的电源电压, 半电池电位问题更为突出, 直接限制了可施加于第一级的增益。AD8237架构提供了解决这一问题的独特方案。若REF引脚未连接至增益设置网络, 则输出和REF引脚间可连接低频反相积分器。由于AD8237对积分器输出施加增益, 积分器只需摆动到直流失调处以便对其进行补偿, 而无需摆动到直流失调乘以增益处。采用这种系统架构, 便可在仪表放大器级施加大数值增益, 并且可大幅降低其余系统的要求。它还可降低仪表放大器之后设备在信号路径产生的噪声和失调误差。

3.右腿驱动电路

右腿驱动电路通常用于生物信号放大器, 以减少共模干扰。心电图电路所发出的电子信号十分微小, 通常只有几个m V。由于病人的身体也可以作为天线而受到电磁干扰, 特别是50/60Hz的家用供电噪音, 这种干扰可能会掩盖的生物信号, 使得信号难以测量。因此, 可以通过添加右腿驱动电路用来消除干扰噪声。对于采用三导联的心电导联方式, 右肢体为正极输入, 左肢体为负极输入, 再以两个100kΩ的电阻分压得到的2.5V电压经过一个精密、低噪声运放AD8607形成电压跟随器电路输入到右腿电极。

4.去耦电路

为消除电路中的电源带来的噪声, 在AMS1117 5.0稳压芯片的输入端、仪表放大器AD8237的电源输入端、另一个运放AD8607的电源输入端各加了一对去耦电容 (各为100nf和10uf) , 并尽量靠近芯片电源管脚, 以此来降低电源噪声干扰。

5.输出低通滤波电路

由于心电信号的频率为低频信号, 频率范围为0.05Hz至100Hz, 为使得第一级输出的信号更加纯净, 在输出端理由RC滤波器来滤除高频信号干扰。其临界频率计算公式:f=1/ (2πRC) 。

(三) 次级放大器设计

1.次级放大器芯片型号的选择

经过前置放大器的100倍信号放大后, 幅度大约为100m V峰峰值, 次级放大器的要求就不会很高了, 只要选取满足单电源供电, 轨至轨输出的运放就够了。本设计选用LT1789芯片作为次级运放。

2.信号输入滤波电路

为了使次级运放输入端的信号尽量少噪声, 在输入端使用RC低通滤波器滤除高频信号。

3.电压基准调节电路

心电信号波形的波峰波谷相对于基准电压的大小并不是对称的, 若使次级放大器的输出幅值尽量大, 则需要调节基准电压值来使波形趋于轨至轨输出, 即最低值尽量靠近GND, 最高值尽量靠近VCC。用一个3.0V稳压管输出的电压通过精调电阻分压, 在输入到一个运放电压跟随器电路, 电压跟随器输出到次级运放LT1789的REF端, 另外再通过一个1kΩ电阻输入到次级运放的反向输入端。

4.增益调节电路

为配合ADC采用电路和方便调节次级运放增益, 使次级运放输出尽量在ADC的采样范围内保持电压较大, 本设计用一个50kΩ电阻作防止增益过大的保护电阻, 再串接一个100kΩ精调电阻来调节输出增益。

5.输出信号电压跟随器电路

运放输出的信号在ADC采样之前, 一般需要通过一个电压跟随器来减少输出电阻, 以减少ADC采样时造成的误差, 本设计用一个轨至轨输出的运放AD8607作为输出的电压跟随器。

(四) STM32F103RCT6微控制器处理设计

1.STM32F103RCT6系统板设计

STM32F103RCT6作为信号后续处理的微控制器, 把心电信号经过两级放大的信号采集、处理、再显示。STM32F103RCT6系统板硬件电路包括了STM32F103RCT6芯片、去耦电容、晶振电路、复位电路、电源稳压电路、电源指示灯电路、下载电路、显示屏接口、ADC管脚接口、按键电路以及备用管脚接口。