心电采集系统中模拟电路的设计

摘要：介绍了一种心电采集系统中模拟电路的具体设计方案，它能够很好地克服心电采集中的一些困难，获得不失真的心电信号，为信号的后续处理提供了保障。
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　　心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，信号比较微弱，其频谱范围是0.05～ 200Hz，电压幅值为0～5mV[1]，信号源的阻抗为数千欧到数百千欧，并且存在着大量的噪声， 所以心电采集系统的合理设计是能否得到正确的心电信号的关键部件。心电信号的测量条件 是相当复杂的，除了受包括肌电信号、呼吸波信号、脑电信号等体内干扰信号的干扰以外还 受到50HZ 市电、基线漂移、电极接触和其他电磁设备的体外干扰，因此，在强噪声下如何 有效地抑制 心电采集系统是医疗监测设备的核心组成部分，用于捕捉和处理人体心脏产生的微弱电信号。在设计心电采集系统中的模拟电路时，面临的主要挑战是如何有效地获取和处理这些微弱信号，同时抑制各种噪声和干扰。本文将详细介绍一种具体的心电采集系统模拟电路设计方案。 心电信号的特点是频谱范围广泛，从0.05Hz到200Hz，电压幅值通常在0到5毫伏之间，信号源阻抗较高，介于数千欧到数百千欧。这些特点决定了设计电路必须具备高灵敏度和高输入阻抗，以避免信号损失。此外，心电信号易受到体内（如肌电信号、呼吸波信号、脑电信号）和体外（如50Hz市电、基线漂移、电极接触干扰及电磁设备）的干扰，因此，抑制噪声成为设计的关键。 心电采集系统通常由模拟和数字两部分组成。模拟部分主要包括信号拾取、放大和滤波，而数字部分则进行信号分析和处理。系统中的模拟电路至关重要，因为它直接影响到最终信号的质量和分析的准确性。图1所示的典型心电采集系统结构中，心电信号首先由电极拾取，经过前置放大器放大并初步抑制干扰，随后通过带通滤波器去除非心电频率成分，再由主放大器进一步放大，并利用50Hz陷波器消除工频干扰，最后由模数转换器将模拟信号转换为数字信号供后续分析。 前置放大电路是模拟电路的第一道防线，其作用是放大微弱的心电信号。由于信号的差模性质，差动放大电路常被采用，特别是同相并联差动放大电路，如LM324这样的仪表放大器。LM324因其低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比和高增益而被广泛用于心电采集系统。通过适当设计外围电路，LM324可以实现高放大倍数和高稳定性的信号放大，同时其低电流噪声特性对心电信号处理尤为适合。图2所示的放大器设计由两级组成，第一级由U1C和U1D构成差动输入输出级，第二级U2A是基本的差动比例电路，两级增益的乘积即为总电压增益。这种两级设计结合了高输入阻抗、高共模抑制比和漂移抵消的优点，有助于提升整体电路性能。 心电采集系统中模拟电路的设计是一项复杂任务，需要考虑信号的微弱性、噪声抑制以及各种干扰因素。采用合理的电路结构和元件选择，如使用LM324构建的放大器，可以有效提升心电信号的采集质量，确保后续分析的准确性和可靠性。在实际应用中，不断优化和改进模拟电路设计，是提高心电监护系统性能的关键。