论文部分内容阅读
[摘 要]本文设计了一个简易的心电信号（ECG）仪，可以测量人体心电信号并放大，经过后续电路处理后在液晶屏上显示出来心电信号和每分钟脉搏跳动的频率。
[关键词]ECG；AD620；低通滤波；带阻滤波；STM32；
中图分类号：TH772.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0141-01
1 引言
人体心电信号含有大量反映人体健康状况的信息，通过分析人体脉搏信息来诊断病症，是传统中医学中的重要组成部分。当代以来，随着电子技术和计算机技术的发展，人们能够将人体心电信号提取出来，直观地显示在各种显示器上。特别是ECG测量仪的出现，大大推动了医学的发展，为人类的身体健康做出了巨大贡献。人类通过观察和分析人体心电信号波形，能够更快更精准地诊断各种病症。
本设计侧重于弱信号检测，涵盖了放大器设计、噪声抑制、有源滤波的技术。系统结构如图所示。设计核心在于符合要求的放大电路设计，采用仪用放大器作为前置级较为适宜；同时为了消除高、低频噪声并进一步提高电压增益，还应设计有源滤波电路作为后续电路。
2 硬件电路设计
2.1 前置放大器设计
由于人人体心电信号幅值约为50μV～5mV，属于微弱信号。人体电阻、检测电极与皮肤的接触电阻等为信号源内阻，一般为几十千欧，为了减轻微弱的心电信号在内阻上的衰减，要求心电放大器具有很高的输入阻抗；另外人体相当于一个导体，会受到包括50Hz工频干扰在内的各种电磁信号的干扰，因此要求心电放大器具有较高的共模抑制比，并且具有低噪声、低漂移等特性。
AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低（最大工作电流仅1.3mA），因而非常适合电池供电及便携式应用。同时AD20具有高精度、低失调电压和低失调漂移特性，是电子称和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。此外，AD20还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。
AD620的引脚图：
因此前置放大器由一片AD620和一个调节增益的电位器组成，由于要共模抑制比高所以放大倍数不能太大，这个电路中放大10倍。
2.2 带通滤波器设计
心电信号经一级放大之后幅值仍然较小，在进行二级放大使心电信号的幅值放大至0.5—1V左右。由于人体心电信号的主要频率范围为0.05—100Hz，为了消除低频噪声，在一级放大之后加入了带通滤波器，其下限截止频率设在0.05Hz，上限截止频率设在200Hz。为使心电信号不失真地耦合到下一级，必须使用合适的RC参数，其大小决定RC耦合器的低频响应。
电容的作用是去除电极的极化电压。RC滤波器的优点是：高通滤波器的主要作用是消弱低频干扰信号，其特性阻抗在通带内呈纯电阻性，这就给连接匹配带来方便。所以，在低频范围内，普通的滤波器需要很大的电感和电容，体积大、成本高、信号容易失真，因此在无源滤波器中应尽可能采用滤波器或采用有源RC滤波器。
参数的选取：C1与R1构成高通滤波器，f=1/（2π*R1*C1）
C2与R4构成低通滤波器，f=1/（2π*R4*C2）
2.3 带阻滤波器设计
由于检测信号中存在的主要干扰信号有50Hz工频干扰，仪器内部噪声和仪器周围电场，磁场， 电磁场的干扰等等，要想获得清晰稳定的心电信号，心电放大器中50Hz的陷波器尤为重要。50Hz的陷波器采用二级滤波。
2.4 信号的采集处理和显示
心电信号经过放大和滤波后，送入STM32自带的12位AD，将模拟量转化为数字量在液晶屏幕上打点显示出来。利用比较器电路在过零点上升沿时边缘触发单片机并测量两个上升沿的时间，就可以实现对心电信号频率的测量。
2.5 信号处理电路原理图
3 结束语
本设计简易的心电信号（ECG）仪主要特点在与功能实用、操作简单、价格低廉。设计核心在前置放大电路设计和滤波电路的设计。
参考文献
[1]康华光.模拟电子技术基础.高等教育出版社，2001.9
[2]刘火良.STM32库开发实战指南.北京：机械工业出版社，2013.5
[3]森 荣二.LC滤波器设计与制作.北京：科学出版社，2007.10
[4]三谷政昭.模拟滤波器设计.北京：科学出版社，2014.10
[关键词]ECG；AD620；低通滤波；带阻滤波；STM32；
中图分类号：TH772.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0141-01
1 引言
人体心电信号含有大量反映人体健康状况的信息，通过分析人体脉搏信息来诊断病症，是传统中医学中的重要组成部分。当代以来，随着电子技术和计算机技术的发展，人们能够将人体心电信号提取出来，直观地显示在各种显示器上。特别是ECG测量仪的出现，大大推动了医学的发展，为人类的身体健康做出了巨大贡献。人类通过观察和分析人体心电信号波形，能够更快更精准地诊断各种病症。
本设计侧重于弱信号检测，涵盖了放大器设计、噪声抑制、有源滤波的技术。系统结构如图所示。设计核心在于符合要求的放大电路设计，采用仪用放大器作为前置级较为适宜；同时为了消除高、低频噪声并进一步提高电压增益，还应设计有源滤波电路作为后续电路。
2 硬件电路设计
2.1 前置放大器设计
由于人人体心电信号幅值约为50μV～5mV，属于微弱信号。人体电阻、检测电极与皮肤的接触电阻等为信号源内阻，一般为几十千欧，为了减轻微弱的心电信号在内阻上的衰减，要求心电放大器具有很高的输入阻抗；另外人体相当于一个导体，会受到包括50Hz工频干扰在内的各种电磁信号的干扰，因此要求心电放大器具有较高的共模抑制比，并且具有低噪声、低漂移等特性。
AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低（最大工作电流仅1.3mA），因而非常适合电池供电及便携式应用。同时AD20具有高精度、低失调电压和低失调漂移特性，是电子称和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。此外，AD20还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。
AD620的引脚图：
因此前置放大器由一片AD620和一个调节增益的电位器组成，由于要共模抑制比高所以放大倍数不能太大，这个电路中放大10倍。
2.2 带通滤波器设计
心电信号经一级放大之后幅值仍然较小，在进行二级放大使心电信号的幅值放大至0.5—1V左右。由于人体心电信号的主要频率范围为0.05—100Hz，为了消除低频噪声，在一级放大之后加入了带通滤波器，其下限截止频率设在0.05Hz，上限截止频率设在200Hz。为使心电信号不失真地耦合到下一级，必须使用合适的RC参数，其大小决定RC耦合器的低频响应。
电容的作用是去除电极的极化电压。RC滤波器的优点是：高通滤波器的主要作用是消弱低频干扰信号，其特性阻抗在通带内呈纯电阻性，这就给连接匹配带来方便。所以，在低频范围内，普通的滤波器需要很大的电感和电容，体积大、成本高、信号容易失真，因此在无源滤波器中应尽可能采用滤波器或采用有源RC滤波器。
参数的选取：C1与R1构成高通滤波器，f=1/（2π*R1*C1）
C2与R4构成低通滤波器，f=1/（2π*R4*C2）
2.3 带阻滤波器设计
由于检测信号中存在的主要干扰信号有50Hz工频干扰，仪器内部噪声和仪器周围电场，磁场， 电磁场的干扰等等，要想获得清晰稳定的心电信号，心电放大器中50Hz的陷波器尤为重要。50Hz的陷波器采用二级滤波。
2.4 信号的采集处理和显示
心电信号经过放大和滤波后，送入STM32自带的12位AD，将模拟量转化为数字量在液晶屏幕上打点显示出来。利用比较器电路在过零点上升沿时边缘触发单片机并测量两个上升沿的时间，就可以实现对心电信号频率的测量。
2.5 信号处理电路原理图
3 结束语
本设计简易的心电信号（ECG）仪主要特点在与功能实用、操作简单、价格低廉。设计核心在前置放大电路设计和滤波电路的设计。
参考文献
[1]康华光.模拟电子技术基础.高等教育出版社，2001.9
[2]刘火良.STM32库开发实战指南.北京：机械工业出版社，2013.5
[3]森 荣二.LC滤波器设计与制作.北京：科学出版社，2007.10
[4]三谷政昭.模拟滤波器设计.北京：科学出版社，2014.10