基于TL084C的心電信號檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘要：給出了采用高精度低功耗TL084C四運放集成芯片，并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)選擇來實現(xiàn)抗干擾型便攜式心電信號檢測系統(tǒng)的簡易設(shè)計方法，該方法具有一定的實用價值。
關(guān)鍵詞：心電信號檢測；抗干擾；TL084C；共模抑制比

O 引言
    心率作為檢測身體健康與否的一個重要指標(biāo)，其重要性不言而喻。心電信號(ECS)作為強噪聲背景下的低頻微弱信號，是一種復(fù)雜的自然信號，所以對心電系統(tǒng)的設(shè)計有其特殊性。而對心電信號的了解有助于系統(tǒng)整體方案的設(shè)計。

l 心電信號頻譜分析
    心電信號作為心臟電活動在人體體表的表現(xiàn)，是一種毫伏級的微弱低頻交流生物信號。一般來說，一個完整的心電信號波形包括P波、R波、QRS波、和T波。圖1所示是一般的心電信號的功率譜分析圖。由圖可見，其主要頻率成份在0．1～35Hz。而QRS復(fù)波群的能量又在心電信號中占據(jù)了很大的百分比，其能量分布于心電信號的中高頻區(qū)，峰值大約處于在5～15 Hz范圍。

    因此，心電信號具有以下幾個特點：
    ◇信號極其微弱，一般只有0．05～4 mV，典型值為1 mV；
    ◇頻率范圍較低，頻譜范圍為0．1～35Hz，能量主要集中在5～20 Hz；
    ◇存在不穩(wěn)定性。人體內(nèi)部各器官間的相互影響以及各人的心臟位置、呼吸、年齡、是否經(jīng)常鍛煉等因素，都會使心電信號發(fā)生相應(yīng)變化；
    ◇干擾噪聲很強。對心電信號進行測量時，必然要與外界聯(lián)系，但由于其自身的信號非常微弱，因此，各種干擾噪聲非常容易影響測量。其ECS噪聲可能來自工頻(50 Hz)干擾、電極接觸噪點、運動偽跡、肌電噪聲(EMG)、呼吸引起的基線漂移和心電幅度變化以及其它電子設(shè)備的機器噪聲等諸多方面。
    所以，在對心電信號進行檢測分析和處理時，應(yīng)考慮其隨時間變化的低頻信號，應(yīng)按其頻譜特性，選擇適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)，設(shè)計出合適的心電檢測放大電路。同時又必須進行一些必要的抗干擾技術(shù)處理(如負(fù)反饋，濾波等)，以得到比較干凈的心電信號。

2 系統(tǒng)總體要求
    由于通過體表兩極所測的心電信號十分微弱，只有毫伏級(O．05～4 mV)，而在檢測心電信號的同時又存在強大的噪音干擾，因此，為了能有效精確的測量，本系統(tǒng)分為前置放大電路、濾波電路、主放大電路等部分，通常需要滿足以下條件：
    (1)前置放大器的增益應(yīng)介于200～2000之間，其共模抑制比不應(yīng)低于1000：1 (dB)；
    (2)前置放大器的差模輸入阻抗應(yīng)≥20 MΩ；
    (3)電路的電磁輻射要盡可能的低。心電信號十分微弱，而且很容易串入周圍環(huán)境的噪聲干擾。另外，在設(shè)計電路的時候，還需要考慮到電子電路自身的電磁輻射，避免給信號測量帶來新的麻煩。
    本心電信號檢測系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計
3．1 前置放大電路
    由于電極采集到的心電信號幅值通常在0．05～4 mV，頻譜范圍為O．1～35 Hz，通常需要放大上千倍才能觀察到，并且人體內(nèi)阻較大，因此，一個高阻抗、高增益的前置放大器是準(zhǔn)確獲取心電信號的關(guān)鍵。整個前置放大電路是一個差分放大電路，一般包括輸入保護及緩沖器、驅(qū)動反饋網(wǎng)絡(luò)和儀表放大電路等部分，圖3所示是其前置放大電路圖。

    圖中，輸入電極可使用雙片銀／氯化銀(Ag／AgCl)電極，主要用來引導(dǎo)體表電位差。測量時，人的雙手緊握電極片即可。輸入裝置應(yīng)包括保護電路，其作用一方面用來防止機器的漏電流進入人體而影響使用者的安全，另一方面，也應(yīng)防止過強的信號進入后續(xù)電路。在防止ESD時，心電電極的輸入端可能會出現(xiàn)幅度高達數(shù)千伏、持續(xù)時間為n納秒的高壓脈沖。為防止這些高壓脈沖損壞心電輸入端的器件，本設(shè)計采用箝位電路進行輸入保護。即將所有ESD放電管聚集在一起，一點接地并與后續(xù)電路隔離。在除顫時，電極輸入可使用由10 kΩ的電阻和33 nF的電容組成的一階高通濾波作為輸入緩沖，主要用于吸取快速瞬變脈沖，同時也用于隔斷直流干擾。對于強高頻電力干擾，主要依靠二極管箝位保護電路，將電壓箝位到±1．4 V左右，從而形成中低壓防護，以保證輸入運放的安全和電源的穩(wěn)定。
    緩沖器結(jié)構(gòu)為電壓跟隨器，其作用一是提高輸入阻抗，克服電極與人體接觸電阻引起的信號衰減：二是確保輸出阻抗足夠小，以有效驅(qū)動后面的電路。輸入保護端和緩沖采用對稱結(jié)構(gòu)，這對50 Hz的工頻噪聲等共模干擾進行抑制非常有效。驅(qū)動深度反饋網(wǎng)絡(luò)主要用作信號反向反饋，提高共模抑制比，有效削弱共模干擾，改善心電信號質(zhì)量。
    因此，前置放大電路一共需用四個運放。本設(shè)計選用TL084C。TL084C是高速J-FET(結(jié)型場效應(yīng)管)型輸入四運放集成芯片。其中的每一個
運算放大器在單塊集成電路上都使用了高電壓結(jié)型場效應(yīng)管和雙極性管，同時兼容了更好的匹配性，具有轉(zhuǎn)換速率高，輸入基極電流和輸入漂移電流小，漂移電壓溫度系數(shù)低特點。
3．2 濾波保持電路
    通過電極獲取的心電信號經(jīng)過前置放大電路處理后，還是容易受到噪聲干擾。其噪聲仍然主要是工頻干擾和放大電路的內(nèi)部噪聲。根據(jù)前面所述，心電頻率分布范圍在0．1～35 Hz，但在20Hz后，信號將大幅衰減，考慮到系統(tǒng)主要是為了測量心率，因此，可以舍棄部分心電信號，只增強QRS復(fù)波信號，然后通過計算RR間期得到心率大小，另外，也要同時保證抑制噪聲和偽跡，提高QRS復(fù)波形檢測的準(zhǔn)確率。本設(shè)計的濾波保持電路包括兩個部分，即帶通濾波器和信號保持電路，圖4所示是本設(shè)計的濾波保持電路。此部分電路集成運放仍然選用TL084C。

    信號經(jīng)過前置放大電路后，便可直接進入帶通濾波器?？紤]到心電信號的特點和系統(tǒng)目標(biāo)，此帶通濾波器可選擇多重反饋帶通濾波器，因為多重反饋濾波器比較常見，而且成本低，容易實現(xiàn)，元器件靈敏度要求也低，失真小，但也有傳遞函數(shù)計算復(fù)雜等缺點。
3．3 主放大器電路
    由于經(jīng)過濾波電路后，有效信號也相應(yīng)有所衰減。為了方便后續(xù)電路的信號檢測和驅(qū)動，還必須對有用信號進行放大。因此，本設(shè)計還使用了放大倍數(shù)為100的反相比例放大器，但需注意，此放大倍數(shù)不宜過大，以免失真。圖5所示是其主放大電路圖。

4 結(jié)束語
    本文所論述的心電信號檢測系統(tǒng)在消除各種噪聲干擾方面下了一些功夫，因而具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，并獲得了令人滿意的效果。該設(shè)計通過采用高性價比器件，簡單的結(jié)構(gòu)可得到理想的結(jié)果，故可廣泛用于各種醫(yī)療儀器設(shè)備。