基于C8051F206的心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　摘要：介紹了一種采用C8051F206設(shè)計(jì)的心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了它的詳細(xì)軟硬件構(gòu)成。該系統(tǒng)具有精度高、噪聲低、共摸抑制比高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性。

    關(guān)鍵詞：心電；數(shù)據(jù)采集；C8051F206；A/D轉(zhuǎn)換

　　心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段。心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關(guān)鍵部件。人體心電信號(hào)的主要頻率范圍為０．０５～１００Ｈｚ，幅度約為０～４ｍＶ，信號(hào)十分微弱。由于心電信號(hào)中通?；祀s有其它生物電信號(hào)，加之體外以５０Ｈｚ工頻干擾為主的電磁場(chǎng)的干擾，使得心電噪聲背景較強(qiáng)，測(cè)量條件比較復(fù)雜。為了不失真地檢出有臨床價(jià)值的干凈心電信號(hào)，往往要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強(qiáng)抗干擾能力等性能。本文利用Ｃ８０５１Ｆ２０６的片上Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換和多路模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)了一種符合上述要求的多路心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號(hào)調(diào)理

　　圖１所示是一個(gè)心電數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成框圖，其中心電信號(hào)由專(zhuān)用電極拾取后送入前置放大器初步放大，并在對(duì)各干擾信號(hào)進(jìn)行一定抑制后送入帶通濾波器，以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號(hào)。主放大器可將濾波后的信號(hào)進(jìn)一步放大到合適范圍后，再經(jīng)５０Ｈｚ和３５Ｈｚ陷波器濾除工頻和肌電干擾，然后將符合要求的心電模擬信號(hào)由模擬輸入端送入Ｃ８０５１Ｆ２０６的片上ＡＤＣ，以進(jìn)行高精度Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)。

１．１ 前置放大電路

　　前置放大是心電數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具體電路如圖２所示。由于人體心電信號(hào)十分微弱，噪聲背景強(qiáng)且信號(hào)源阻抗較大，加之電極引入的極化電壓差值較大（比心電差值幅度大幾百倍），因此，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能，設(shè)計(jì)時(shí)一般都采用差分放大電路。本設(shè)計(jì)選用儀用放大器ＡＤ６２０作為前置放大器。ＡＤ６２０輸入端采用超β處理技術(shù)，具有低輸入偏置電流、低噪音、高精度、較高建立時(shí)間、低功耗等特性，共模抑制比可達(dá)１３０ｄＢ，非常適合作為醫(yī)療儀器前置放大器使用。其增益可調(diào)（范圍約１～１０００倍），并可由公式

　?。牵剑保矗梗矗毽福遥?/P>

　　來(lái)確定。為防止前置放大器工作于飽區(qū)和或截止區(qū)，其增益不能過(guò)大。試驗(yàn)表明：１０倍左右效果較好。通過(guò)Ｕ３可將Ｒ２、Ｒ３上的人體共模信號(hào)檢測(cè)出來(lái)用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線屏蔽層，以消除分布電容，提高輸入阻抗和共模抑制比。Ｕ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｃ１構(gòu)成的“浮地”驅(qū)動(dòng)電路可將人體共模信號(hào)倒相放大后用于激勵(lì)人體右腿，從而降低甚至抵消共模電壓，以達(dá)到較強(qiáng)抑制５０Ｈｚ工頻干擾之目的。Ｕ１、Ｕ２主要用于穩(wěn)定輸入信號(hào)和提高輸入阻抗，進(jìn)一步提高共模抑制比。

１．２ 帶通濾波及主放大電路

　　如圖３所示，帶通濾波由雙運(yùn)放集成電路ＯＰ２１７７構(gòu)成。ＯＰ２１７７具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片內(nèi)集成了兩個(gè)運(yùn)放，可靈活組成各類(lèi)放大和濾波電路。由于心電信號(hào)頻帶主要集中在０．０５～１００Ｈｚ左右，頻帶較寬，為此，采用ＯＰ２１７７的兩個(gè)運(yùn)放分別設(shè)計(jì)二階壓控有源高通和低通濾波器并組合成帶通濾波。其中，Ｕ６Ａ、Ｃ６、Ｃ７、Ｒ８、Ｒ９構(gòu)成高通濾波器，為不損失心電信號(hào)的低頻成分，其截止頻率設(shè)計(jì)為ｆ＝１／２πＣ６Ｃ７Ｒ８Ｒ９１／２＝０．０３Ｈｚ。Ｕ６Ｂ、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｃ８、Ｃ９構(gòu)成低通濾波器，同樣，為不損失其高頻成分，截止頻率設(shè)計(jì)為ｆ＝１／２πＣ８Ｃ９Ｒ１０Ｒ１１１／２＝１３０Ｈｚ。主放大電路由ＯＰ１１７７（Ｕ７）、Ｒ１２、Ｒ１３構(gòu)成?？紤]到心電信號(hào)幅度約為０～４ｍＶ，而Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)要求１Ｖ左右，因此，整個(gè)信號(hào)電路的放大倍數(shù)需１０００倍左右。而前置放大約１０倍左右，因此本級(jí)放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為１００倍左右，即Ｇ＝１＋Ｒ１２／Ｒ１３≈１００。

１．３ 陷波和電平抬升電路

　　工頻干擾是心電信號(hào)的主要干擾，雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級(jí)電路輸出的心電信號(hào)仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以必須專(zhuān)門(mén)濾除。常規(guī)有源陷波器的頻率特性對(duì)電路元件的參數(shù)比較敏感，因此難以精確調(diào)試，且電路穩(wěn)定性不高。而開(kāi)關(guān)電容集成濾波器無(wú)需外接決定頻率的電阻或電容，濾波頻率僅由外接或片內(nèi)時(shí)鐘頻率決定，且其頻率特性對(duì)時(shí)鐘和外圍電路的參數(shù)不敏感，因而性能較穩(wěn)定。凌特公司的ＬＴＣ１０６８－５０集成開(kāi)關(guān)電容濾波器內(nèi)部集成了四個(gè)獨(dú)立的二階開(kāi)關(guān)電容濾波器，時(shí)鐘與中心頻率之比為５０：１，誤差為