基于自动增益放大的便携式心电监护仪设计

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心脏疾策有偶然性和突发性l]，早期冠心布者经常出现心脏异常现象.心脏疾病主要采用心电监测技术协助诊断并预防.心电信号是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房和心室等相继兴奋所伴随的生物电变化，是带宽为0.05 Hz至 100.00 Hz的微弱电信号，其中混有人体生物电及其他外部电磁环境等干扰2].从环境干扰噪声中提取微弱的心电信号是心电监测系统设计的关键.心电监测技术较为成熟，如清华大学已经研制具有报警功能和长时间心电信号记录的家庭心电血压监护系统，山东大学医院建立心脏远程监护中心l3].在运动状态下监测心电信号过程中，由于被监测者的呼吸、行动，以及仪器电极接触点的松紧等原因产生各种干扰 ]，导致采集的心电信号饱和，影响信号稳定性，给诊断带来很大难度 ].解决方法主要依靠人工识别，难以获得准确可靠的诊断结论 ]。

针对动态心电监护仪心电监测信号放大饱和问题，在心电监护系统的硬件电路中加入 自动增益控制电路 ，控制放大倍数 ，改变输 出幅度 ，抑制信号饱和现象，实现运动状态下心 电信号监测.该系统不影响被监测者 日常生活l7]，同时监测心脏是否 出现异常，可提前发现心脏疾病隐患 ，为早期冠 心餐其他心脏疾病的监测提供依据8]。

1 系统构成与功能基于自动增益放大的便携式心电监护仪硬件系统结构包括：(1)心电信号采集处理拈，由前置放大及右腿驱动电路、滤波电路和后级放大电路组成，主要功能为对心电信号进行采集和放大滤波处理，消除源信号中的干扰，形成可利用的心电信号.后级放大电路中设计有 自动增益控制电路，可实现自动调节增益、防止因信号突变产生的信号饱和现象.(2)单片机控制拈，由A/D转换电路和 51单片机组成，功能为将处理后的心电信号进行 A/D转换并储存，然后通过串口传给 PC机.(3)电源管理及充电拈，包括锂电池充电电路及电源电压转换电路，系统的工作电源采用锂电池供电，并带有充电功能，以保证电池的续航.(见图 1)。

收稿 日期 ：2013-03-06；编辑：张兆 虹基金项 目：吉林势技厅重点项 目(20100350)作者简介：凌振宝(1966-)，男，硕士，教授，主要从事传感器技术应用方面的研究东 北 石 油 大 学 学 报 第 37卷 201 3年图 1 系统 总体设计框 图Fig.1 The whole system structure diagram2 硬件设计2.1 心电信号采集处理拈2.1.1 前置放大及右腿驱动电路前置放大电路在心电检测硬件系统中起关键作用 ，决定整机主要技术指标 ，需满足高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和低漂移的要求 ]。

电路采用 ADI公司生产的 AD620芯片，技术指标 ：输人阻抗为 10 GQ；最小共模抑制 比为 93 dB；电源范围较宽，为-18.0±2.3～18.0--2.3 V；体积小 ，功耗非常低(最大供 电电流为 1.3 mA)；选择增益范同大 ，为 1.0×10 ～1.0×10。，可通过调整芯片引脚 1和 8之间外接 电阻阻值 R控制放大倍数 G，G-R。/R1，其中 R。为常量 ，R。-49.4 kf1。

由于信号源阻抗极高和器件便携性特点，要求采用低功耗、低供电电压的放大器设计心电监测电路，AD620是满足设计要求的器件之- ；但电极的极化电压形成的差动信号易造成运算放大器输出信号饱和.为避免极化电压影响，需合理选择前置放大电路增益范围.文中设计电阻为 10 kfl，即放大约 6倍。

为提高前置放大电路的共模抑制比，在前置放大电路中加入右腿驱动电路(见图2)。

来自导联电极的心电信号混有人体肌电和呼吸等生物噪声、电极接触噪声、工频 50 Hz谐波干扰噪声、其他外界高频电磁干扰噪声等，其中工频 50 Hz干扰噪声较强，为共模干扰，由输入电路不对称引起的电压分配效应所产生。

为消除导联电极共模干扰 ，设计右腿驱动电路 .将导联电极输入的共模电压送至右腿驱动电路放大器反向放大，经限流 电阻接到右腿驱动电路电极，即等效为 以人体为相加点的电压并联负反馈电路，抑制共模干扰进入后续电路.为更好地抑制工频干扰 ，在右腿驱动电路中加入低通滤波电路。

2.1.2 滤波电路为满足心电信号频率响应特性 ，采用滤波方法处理心电信号 ，抑制外界干扰 ，得到较平滑心电图波形。

右腿驱动电路和前置放大电路能够提高共模抑制比，较好地抑制共模干扰信号.滤波电路可有效滤除大部分 50 Hz工频干扰，因为部分心电信号也在 50 Hz频段范围内，滤波方法可能损失心电信号特征，所以电路里采用高通和低通滤波电路。

(1)高通滤波电路.心电信号低频截止频率约为0.5 Hz[1 ，为降低由相移产生的信号线性失真，心电信号放大电路的低频截止频率必须达到心电信号低频截止频率的10 ，即 0.05 Hz.文中采用 1个二阶有源滤波器实现低频滤波功能。

(2)低通滤波电路.低通滤波电路的作用是滤除各种高频干扰噪声.心电信号高频截止频率约为 70Hz.放大电路高频滤波特性要求信号时域失真小，心电信号具有脉冲波形特征口 ，为减少放大失真，选择的滤波器应具有较好线性相位特性。

导联电路第 3期 凌振宝等：基于自动增益放大的便携式心电监护仪设计图 2 心 电信 号前置放 大电路Fig.2 ECG signal preamplifier circuit and Driven-Right-Leg Circuit文中电路采用集成滤波器 Max275，由 2个二阶单元组成 ，可实现四阶滤波功能.在设计工作温度范围内，频率精度为±0.9 ；可以使用4-5 V单电源或 ±5 V双 电源供 电.Max275的截止频率可通过调整外接电阻阻值实现 ，通过器件 附带软件计算阻值。

3Resl RE21Via 1.1ReslResl10kResl ～ l 。L力E1a-墨461 25 1M Q娥Resl 厂-ijaflRE27 RE23fABP0ALPIABPIALPOAFCAVBBpOBLPIBBPmLPOBFCBNCNCv。

卫---5v。18卫 l9卫 。113卫 .SV3 低 通 滤 波 电 路Fig.3 LOW-pass filter circuit2.1.3 后级放大 电路实际监测时 ，被检测者运动状态如在站起或坐下过程中，实时心电信号失真很大 ，通过增加 自动增 益放大电路，使输出的心电信号达到要求量级并且保持稳定。

后级放大器为系统主放大电路，功能为将微弱的心电信号放大至可接收、转换的幅度范围.体表心电信号幅度为 0.01～5.00 mV，并且处在动态变化状态 ，具有 不稳定性 和随机性 ，尤其是 被测者 行动状 态帅咖咖 -东 北 石 油 大 学 学 报 第 37卷 2013年时，易造成信号放大饱和.文中在主放大器前增加 自动增益放大电路，通过输出信号幅值控制放大倍数，防止信号饱和。

采用以 AD603芯片为核心的 自动增益控制 电路(见图 4)，通过调整芯片引脚 1、2之间的电压差 V改变放大倍数G，G-40V10；AD603芯片输出端电压通过减法电路反馈到引脚 l，改变电压差，实现放大倍数的自动控制。

5V图 4 目动 增 益控 制 电路Fig.4 Automatic gain control circuit2.2 单片机拈单片机拈的功能为采集和存储滤波放大处理后 的心电信号 ，采用 ADC0809芯片对心电信号进行模数转换，然后将数据传输到 51单片机上存储.需要观察时通过串口RS232将数据传输到 PC机上显示 。

2.3 电源管理及充电拈为使心电测量仪能够持续工作 ，设计电源管理及充 电拈 ，采用锂 电池对 系统供电.充 电拈 主要包括锂电池充电电路及电源电压转换电路Ⅲ].锂 电池充电电路采用 BQ2057芯片构建(见图 5)；锂电池标 准输出电压与电路所需电源电压不同，需在电路中加入电源管理拈，以满足系统电路输入电压要求.使用M x7l0芯片进行 电源电压管理 ，使用 Max660芯片转换并产生负电压 (见图 6)。

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