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作者：Maxim公司應(yīng)用經(jīng)理Sohail Mirza 摘要：本應(yīng)用筆記介紹了心電圖(ECG)的基本工作原理，討論了干擾ECG信號(hào)的因素，以及提高可靠性、實(shí)現(xiàn)高精度電氣特性的難點(diǎn)。業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的ECG架構(gòu)是采用模擬前端和ADC組合而成的解決方案。本文介紹的MAX11040K同步采樣Σ-ΔADC提供了一個(gè)引人注目的亮點(diǎn)，即其高度集成的解決方案省去了AFE，節(jié)省空間的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)成本。 概述 電極放置在心臟兩側(cè)并緊貼皮膚，心電圖儀(ECG或EKG)記錄心電信號(hào)隨時(shí)間的變化。ECG顯示代表心肌活動(dòng)的電極對(duì)之間的壓差。通過(guò)顯示屏指示心率信號(hào)，便于醫(yī)生診斷心肌不同部位的微弱信號(hào)。 實(shí)際ECG信號(hào)的幅度只有幾毫伏，頻率不超過(guò)幾百赫茲。ECG測(cè)量面臨諸多挑戰(zhàn)：一方面，來(lái)自ECG主電源的50Hz至60Hz電容耦合干擾要比有用信號(hào)強(qiáng)許多；另一方面，身體皮膚的接觸阻抗以及傳感器之間阻抗的不匹配，這會(huì)導(dǎo)致較大的偏差并降低共模抑制能力；此外，還要解決接觸噪聲以及電磁源產(chǎn)生的干擾問(wèn)題。 多數(shù)設(shè)計(jì)中，利用模擬前端(AFE)提取這些信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，隨后采用一個(gè)12位或14位的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本文給出了ECG系統(tǒng)主要AFE組件，并提供了一種高度集成的設(shè)計(jì)方案，即MAX11040K 24位同步采樣Σ-Δ型ADC。MAX11040K提供該應(yīng)用所需的電路，省去了AFE。 AFE單元 模擬前端包含三個(gè)主要元件(圖1)。 
圖1. 典型的ECG設(shè)備通常利用AFE進(jìn)行信號(hào)放大、濾波，然后通過(guò)一個(gè)ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 儀表放大器(IA) 儀表放大器(IA)的主要任務(wù)是抑制共模信號(hào)(通常是50Hz/60Hz干擾)。ECG應(yīng)用需要90dB，甚至更高的共模抑制比(CMRR)以抑制放大電路之前從電源耦合的50Hz/60Hz信號(hào)。即使采用具有高共模抑制比(CMRR)的IA，不同ECG電極的差異或者是皮膚接觸阻抗之間的不匹配不僅產(chǎn)生失調(diào)漂移，也會(huì)導(dǎo)致CMRR低于所期望的水平。阻抗的不匹配主要源于電極與皮膚的物理接觸、排汗和肌肉運(yùn)動(dòng)等原因。 隨后要考慮的因素是IA的增益，設(shè)置IA增益是必需注意避免增益過(guò)大導(dǎo)致削波或飽和。 還要注意的是，音頻信號(hào)與ECG信號(hào)不在同一頻帶。因此，典型的音頻放大器和Σ-Δ ADC并不適合ECG應(yīng)用，這些器件在有用信號(hào)頻帶內(nèi)存在較高的輸入?yún)⒖荚肼暋?br /> IA的輸入阻抗指標(biāo)也很重要，因?yàn)镋CG測(cè)量的是微弱信號(hào)。推薦選擇具有高阻輸入的IA，因?yàn)檩^低的輸入阻抗會(huì)導(dǎo)致較大的信號(hào)衰減。 高通濾波器 雖然初始信號(hào)只有mV量級(jí)，通過(guò)IA放大5倍或10倍后將上升到幾十毫伏。而這個(gè)量級(jí)的信號(hào)也只能覆蓋ADC輸入量程很小的一部分。例如，一個(gè)12位ADC具有±4.096V輸入量程，最低有效位(LSB)為2mV，如果直接采集幾十毫伏的信號(hào)，就沒(méi)有足夠的分辨率來(lái)區(qū)分信號(hào)和采樣噪聲。因此，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行再次放大，還必須消除直流漂移。常見(jiàn)的AFE電路是使用一個(gè)高通濾波器，將不希望出現(xiàn)的信號(hào)(低頻干擾)作為一個(gè)負(fù)的偏移量反饋(負(fù)反饋)到IA輸入。 第二級(jí)放大 利用IA和高通濾波器消除直流和低頻干擾后，再進(jìn)行第二級(jí)放大，提供額外的增益以達(dá)到ADC的輸入量程。有些設(shè)計(jì)還添加了一個(gè)陷波濾波器，對(duì)50Hz/60Hz作進(jìn)一步抑制。 低通/抗混疊濾波器 低通濾波器用來(lái)抑制高頻干擾，它也作為一個(gè)抗混疊濾波器(即阻止任何大于奈奎斯特或1/2采樣頻率的信號(hào)，避免產(chǎn)生ADC混疊)。 為了進(jìn)一步降低輸入共模信號(hào)，ECG設(shè)計(jì)通常還引入一級(jí)“右腿驅(qū)動(dòng)器”，驅(qū)動(dòng)反相共模信號(hào)返回人體。為了確保病人的安全，通常利用一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)限流電阻，確保驅(qū)動(dòng)到人體的是一個(gè)非常微弱的信號(hào)源。這個(gè)屏蔽裝置旨在降低ECG探頭承載信號(hào)的噪聲耦合。 總之，ECG應(yīng)用中的有用信號(hào)小于100mV，考慮到失調(diào)和共模信號(hào)，通常將其放大到2V。因此，AFE必須有2V測(cè)量范圍，可以辨識(shí)低于幾百，甚至幾十μV的信號(hào)，采樣率在1ksps左右。 正確的ADC可以減少、甚至消除對(duì)AFE的需求 AFE設(shè)計(jì)完成后，能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用對(duì)分辨率、速率和輸入量程的要求的ADC有許多。但是，仍要優(yōu)先考慮具有高分辨率、高共模抑制比(CMRR)及其它優(yōu)勢(shì)的ADC，以確保ECG的設(shè)計(jì)需求。 MAX11040K同步采樣、Σ-ΔADC本身的性能指標(biāo)即超出了此類(lèi)應(yīng)用的最低要求，可以取代系統(tǒng)的大部分功能電路，甚至可以省去AFE，提供了一種更可靠、更小封裝、更簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)方案。 圖2給出了MAX11040K的簡(jiǎn)單應(yīng)用，差分輸入、高達(dá)110dB的共模抑制比可有效抑制50Hz/60Hz電源耦合噪聲，由此，MAX11040K可以取代IA的第一個(gè)功能。憑借其24位分辨率和19位無(wú)噪聲范圍，MAX11040K具有足夠的分辨率，完全可以捕捉到幾個(gè)μV的信號(hào)變化。省去了第一級(jí)放大器(IA的第二個(gè)功能)、第二級(jí)放大器和高通濾波器。另外，器件±2.2V的輸入量程也非常適合ECG應(yīng)用。
圖2. 僅利用MAX11040K ADC獲得ECG應(yīng)用所需的性能，減少元件數(shù)量的同時(shí)，節(jié)省電路板空間并降低系統(tǒng)的整體成本。 MAX11040K的采樣率為3.072MHz(過(guò)采樣Σ-Δ)，但可編程輸出數(shù)據(jù)速率(即有效采樣率)，將其設(shè)置在64ksps至250sps，提高了系統(tǒng)靈活性。對(duì)于小信號(hào)，該器件具有誤差平滑功能，采用∑-Δ ADC架構(gòu)也消除了抗混疊濾波器的需求。 MAX11040K的另外兩個(gè)功能也非常適合ECG應(yīng)用，即同步采樣和可編程相位延遲。當(dāng)前世界上流行的是12導(dǎo)聯(lián)ECG，保持相位的完整性非常重要。每片MAX11040K提供4個(gè)差分通道，相當(dāng)于8個(gè)探頭。MAX11040K可以最多級(jí)聯(lián)八片器件，支持多達(dá)64個(gè)通道的同步采樣。不僅可以同時(shí)對(duì)各通道進(jìn)行采樣，而且每個(gè)通道的相位也可以編程設(shè)置(0到333μs延時(shí)，步長(zhǎng)為1.33μs)。 我們還提供16位分辨率的類(lèi)似器件：MAX11046，都具有±6V輸入保護(hù)，當(dāng)輸入信號(hào)超越88%的輸入范圍時(shí)，產(chǎn)生過(guò)壓故障報(bào)警。一個(gè)串行外設(shè)接口(SPI)減少了對(duì)光隔離器的要求，無(wú)需額外電源，因?yàn)槠鋽?shù)字電源和模擬電源分開(kāi)供電。 MAX11046解決方案的測(cè)試結(jié)果
圖3. ECG應(yīng)用測(cè)試(采用MAX11040K評(píng)估板)。 圖3是MAX11040K評(píng)估板框圖，可用于實(shí)際測(cè)試評(píng)估。該評(píng)估板包含兩片MAX11040K，配置工作在8通道同步采集。該評(píng)估板可以插入PC的USB口，帶有存儲(chǔ)器和DSP，便于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。 在實(shí)驗(yàn)中僅僅增加銅箔連通ECG信號(hào)，在ADC輸入和電極之間串聯(lián)22kΩ電阻。130kΩ ADC輸入阻抗(XIN時(shí)鐘頻率為24.567MHz)，使得信號(hào)出現(xiàn)75%的衰減(圖4)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。
圖4. MAX11040K的等效輸入阻抗。
圖5. EKG采集數(shù)據(jù)。 結(jié)論 本文發(fā)表時(shí)，MAX11040K ADC是市場(chǎng)上唯一滿(mǎn)足ECG測(cè)量要求的器件，在不增加成本的前提下提供理想的特性指標(biāo)。MAX11040K有助于降低您的研發(fā)預(yù)算、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、縮小電路板面積并減少系統(tǒng)的元件數(shù)量，同時(shí)也提高了方案的性能和可靠性。 |
