基于TL084C的心電信號檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)又存在強(qiáng)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(jì)電路的時(shí)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(jì)
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(gè)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(gè)前置放大電路是一個(gè)差分放大電路，一般包括輸入保護(hù)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(shí)，人的雙手緊握電極片即可。輸入裝置應(yīng)包括保護(hù)電路，其作用一方面用來防止機(jī)器的漏電流進(jìn)入人體而影響使用者的安全，另一方面，也應(yīng)防止過強(qiáng)的信號進(jìn)入后續(xù)電路。在防止ESD時(shí)，心電電極的輸入端可能會出現(xiàn)幅度高達(dá)數(shù)千伏、持續(xù)時(shí)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(jì)采用箝位電路進(jìn)行輸入保護(hù)。即將所有ESD放電管聚集在一起，一點(diǎn)接地并與后續(xù)電路隔離。在除顫時(shí)，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(shí)也用于隔斷直流干擾。對于強(qiáng)高頻電力干擾，主要依靠二極管箝位保護(hù)電路，將電壓箝位到±1．4 V左右，從而形成中低壓防護(hù)，以保證輸入運(yùn)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(hù)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(jìn)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(gè)運(yùn)放。本設(shè)計(jì)選用TL084C。TL084C是高速J-FET(結(jié)型場效應(yīng)管)型輸入四運(yùn)放集成芯片。其中的每一個(gè)
運(yùn)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(shí)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(diǎn)。