移動醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)中的前置放大器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　各種生物信號都屬于低頻的微弱自然信號，為了高精度,高速度地檢測出背景噪聲覆蓋的微弱生物信號,高質(zhì)量的前置放大器中一般都使用了低噪聲運(yùn)放。由于低噪聲運(yùn)放性能有別于普通運(yùn)放,因而必須依據(jù)有關(guān)的噪聲理論對低噪聲運(yùn)放進(jìn)行分析和討論,才能達(dá)到預(yù)期的效果。

　　對于人體電現(xiàn)象測量時，通常要求在若干測量點(diǎn)中取任意兩點(diǎn)間的電位差值為輸入量，據(jù)此，本文采用差動電路形式的前置放大器。

　　前置放大器的特點(diǎn)及選形

　　生物電是反映人體各種生理狀態(tài)的一種重要信息，為了對生物信號進(jìn)行各種處理和顯示，必須首先將信號放大到所要求的強(qiáng)度。要獲得便于單片機(jī)處理的心電信號,一方面要提高心電信號的信噪比,另一方面要將心電信號放大到足夠幅度。為此,實(shí)現(xiàn)以上功能的生物電信號前置放大電路的設(shè)計就顯得非常重要。

　　由于心電信號取自人體表面,信號源阻抗較大,背景噪聲強(qiáng)。其干擾源來源廣泛，主要有近場50Hz干擾和電極極化電壓干擾。因?yàn)楦鞣N生物電信號中大都包含有50Hz的頻率成分，而生物電信號的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于50Hz的干擾。電極與生物體之間產(chǎn)生的極化電壓可達(dá)300mV。由于干擾源的影響，生物電前置放大器的放大倍數(shù)不能過大，以免干擾信號淹沒有用信號。

　　因此要求采集心電信號的電路具有：1）高增益且可調(diào)節(jié)，生物電信號幅值小，因此應(yīng)在保證共模抑制比較大的情況下提高前置放大器的增益；2) 高輸入阻抗，a)生物電信號源本身是高內(nèi)阻的微弱信號，通過電極提取又呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的高內(nèi)阻性質(zhì)。b)與放大器輸入端相連的信號源內(nèi)阻高達(dá)100kΩ,放大器輸入阻抗應(yīng)至少大于1MΩ。c)如果使信號源內(nèi)阻與放大器輸入阻抗之比為1/100，失真和誤差可減小到忽略不計；3)高共模抑制比(CMRR值大)，為了抑制人體攜帶的干擾信號，選用差動放大形式，CMRR值越高，抑制干擾能力越強(qiáng)；4)低噪聲，低噪聲性能主要取決于前置級，正確分配放大器的增益等，可以獲得良好的低噪聲性能；5）低溫漂，生物電信號大都為低頻信號，基線漂移對測量帶來嚴(yán)重影響。采用差動輸入電路、設(shè)置復(fù)零電路等，能實(shí)現(xiàn)低漂移性能。

　　根據(jù)以上設(shè)計要求，選用ADI公司的高性能運(yùn)放AD623，AD623是一個集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3V到+12V）下提供滿電源幅度的輸出。AD623允許使用單個增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，以得到更好的用戶靈活性，且符合8引腳的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳配置。在無外接電阻條件下，AD623被設(shè)置為單位增益（G=1），在接入外接電阻后，AD623可編程設(shè)置增益，其增益最高可達(dá)1000倍。AD623通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比（AC CMRR）而保持最小的誤差。線路噪聲及諧波將由于共模抑制比（CMRR）在高達(dá)200Hz時仍保持恒定而受到抑制。AD623具有較寬的共模輸入范圍，它可以放大具有低于地電平150mV共模電壓的信號，雖然AD623是按照工作于單電源方式進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計，但當(dāng)它工作于雙電源（±2.5V至±6.0V）時，仍然能提供優(yōu)良的性能。

　　低功耗（3V時1.5mW）、寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出，使AD623成為電池供電應(yīng)用的理想選擇。在低電源電壓下工作時，滿電源幅度輸出級使動態(tài)范圍達(dá)到最大。AD623可取代分立的儀表放大器設(shè)計，且在最小的空間內(nèi)提供很好的線性度、溫度穩(wěn)定性和可靠性。

　　電路設(shè)計

　　AD623是一個典型的三運(yùn)放組合電路結(jié)構(gòu)儀表放大器，能夠滿足對微弱信號的放大作用，具有高的放大倍數(shù)，高的輸入阻抗和共模抑制比。內(nèi)設(shè)過壓保護(hù)和高精度偏置與反饋電阻，又有恒流源為射極提供穩(wěn)定電流，有利于靜態(tài)工作點(diǎn)及輸入信號的穩(wěn)定。外圍電路簡單，只需在1，8腳間接入合適電阻Rg，就可得到1~10000之間的增益，其計算公式為G=1+100K/Rg。AD623的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。

　　但是隨著增益的提高，共模抑制比就會有所下降，因此電路的對稱性就尤為重要。前級采用雙運(yùn)放組成并聯(lián)型差動放大器。理論上不難證明，在運(yùn)算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大。

　　另外，在理論上并聯(lián)型差動放大器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關(guān)。在采用單電源供電的情況下，雙端輸入必須有一個公共的地，因此在輸入端采用一種電阻分壓電路，來提供虛擬的公共點(diǎn)，達(dá)到抑制共模干擾的效果。

　　此時，由于分壓電路提供了一定的直流偏移量，基準(zhǔn)電壓REF就可以直接接地。在信號的雙輸入端，加入對地濾波電容，以消除由于導(dǎo)聯(lián)導(dǎo)線所帶來的射頻干擾。由于射頻信號屬于高頻信號，而人體的電阻相當(dāng)于無窮大，所以所加的濾波電容數(shù)值不能太大，在100pF以下就可以。其具體電路如圖2所示。

　　通常在生理信號采集的過程中，加入右腿驅(qū)動電路，即通過電阻網(wǎng)絡(luò)取出的平均交流共模電壓，送入右腿驅(qū)動放大器反相放大，經(jīng)限流電阻加到右腿電極，能夠有效的抑制工頻50Hz的共模干擾信號，而且，也可以省去AD623端分壓電阻提供的共地信號，而由右腿驅(qū)動電路提供一個共地點(diǎn)。

　　但此時，雖然AD623能夠用作單端供電方式，但是對于雙極性信號，由于輸入端沒有分壓電路提供直流偏移量，就會出現(xiàn)截波現(xiàn)象，如果不對基準(zhǔn)電壓REF進(jìn)行合理的設(shè)置，就不能進(jìn)行雙極性放大，所以針對輸入信號的大小及放大程度，合理調(diào)整基準(zhǔn)電壓值，使得信號放大完整且不失真。這里采用滑動變阻器外接REF法進(jìn)行調(diào)整。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　結(jié)語

　　本文采用由雙運(yùn)放差分放大電路，右腿驅(qū)動電路與儀表放大器AD623在單電源供電作用下組成的生物電前置放大器，該電路實(shí)用，能有效抑制共模信號，對微弱差模信號進(jìn)行有效放大。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路性能良好，能夠被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療檢測設(shè)備。

　　參考文獻(xiàn)：

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