如何簡化用于心率監(jiān)測器的模擬前端設(shè)計(jì)

我保持身形的新年決心并未像我希望的那樣成功。和許多人一樣，我在開始時(shí)熱情萬丈，但可能會(huì)慢慢回到老樣子。

在我的一個(gè)試驗(yàn)中，我開始思考設(shè)計(jì)一款心率監(jiān)測器來監(jiān)測我自己的健康狀況究竟會(huì)有多難。我看到越來越多的便攜式設(shè)備集成了患者監(jiān)護(hù)功能，它們這樣做的目的是提前發(fā)現(xiàn)心臟異常情況來挽救生命。

大約三年前，德州儀器 (TI) 發(fā)布了ECG/EEG 模擬前端ADS1298產(chǎn)品系列，旨在使用于生物電勢設(shè)備的模擬前端設(shè)計(jì)變得更簡易一些。現(xiàn)在，更簡單一點(diǎn)兒說，我在談?wù)撚彝闰?qū)動(dòng) (RLD) 設(shè)計(jì)、威爾遜中心終端 (WCT) 設(shè)計(jì)、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測方法等（已被集成到芯片中，使電路板占用空間最多可縮減 95％）。這種高集成度可減少電路板占用空間，使設(shè)計(jì)更加小巧。結(jié)合極低的功耗（在 1mW 以下），該產(chǎn)品系列真的非常適合便攜式應(yīng)用。讓我們更仔細(xì)地審視一下胸帶心率監(jiān)測器，看看設(shè)計(jì)模擬前端有多大難度。

當(dāng)心臟搏動(dòng)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一種很小的電脈沖，主要頻率成分的帶寬較小，為40Hz；振幅大約為幾毫伏。這種電脈沖可由高精度 ADC（如ADS1291）獲得并進(jìn)行數(shù)字化處理，無需任何外部增益級(jí)設(shè)置。因此請謹(jǐn)記，如果我們拆開胸帶的設(shè)計(jì)，我們會(huì)看到，它被兩個(gè)放置在胸前的電極進(jìn)行了簡化，為的是標(biāo)明單個(gè)導(dǎo)聯(lián)（稱為導(dǎo)聯(lián) I）。無需使用第三個(gè)電極來給健身愛好者或患者加偏壓。相反，我們使用了不同的設(shè)計(jì)方法，以確保輸入在轉(zhuǎn)換器的范圍之內(nèi)。輸入是 AC 耦合式的，可以便從患者身上移除 DC 工作點(diǎn)。然后，我們用高阻抗電阻器來設(shè)置工作點(diǎn)。

我前面已提到，RLD 電極無需驅(qū)動(dòng)患者肢體。相反，通過弱電阻器，可用 RLD 電極在轉(zhuǎn)換器的輸入端設(shè)置偏置點(diǎn)。還有其它給輸入加偏壓的方法：可使用電源或外部 LDO。事實(shí)上，任何源極均可使用，只要它能確保輸入在 ADC 的運(yùn)行范圍內(nèi)即可。

由于大多數(shù)信號(hào)成分的帶寬都較小，為 40H，所以可限制 ADC 的數(shù)據(jù)速率，以幫助調(diào)低噪聲。ADS1298產(chǎn)品系列的數(shù)字濾波器可限制 1/4 的數(shù)據(jù)速率，這就允許我們使用 250SPS 甚至 500SPS 并仍能滿足 1μVrms 轉(zhuǎn)換器的噪聲要求。

其實(shí)，這就是您為設(shè)計(jì)模擬前端所需要的一切 — 沒有什么太復(fù)雜的。高級(jí)醫(yī)療設(shè)備或消費(fèi)類心率監(jiān)測器甚至可使用相同的模擬前端設(shè)計(jì)。ECG 設(shè)計(jì)的“內(nèi)容”取決于您如何利用數(shù)字處理中的數(shù)據(jù)。這是該系統(tǒng)的出色之處。在今后的文章中，我將對數(shù)字處理多作一些解釋，敬請關(guān)注。