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-ΔADC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?/p>
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。
MAX11040K具備該應(yīng)用的幾項(xiàng)必備規(guī)格：
輸入量程：±2.2V
差分輸入
110dB共模抑制比(典型值)
24位分辨率
· SNR > 110dB
· 19位無(wú)噪聲范圍
· 有效分辨率= 2/219 = 3.8µV
±6V輸入過(guò)壓保護(hù)
四路全差分同步采樣ADC
· 可級(jí)聯(lián)多達(dá)32個(gè)通道同步采樣
可編程輸出數(shù)據(jù)速率
串行接口(方便安全隔離)
可編程相位(子數(shù)據(jù)率)
過(guò)壓/故障檢測(cè)
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∑-? ADC架構(gòu)也消除了抗混疊濾波器的需求。有關(guān)Σ-Δ型ADC的詳細(xì)介紹，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記1870：“解密Σ-ΔADC。”
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供電。
MAX11040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)目開發(fā)。
The experiment was conducted by just adding copper plates to conduct ECG signals, and with 22kΩ series resistors between the ADC input and the user's hands. With an input impedance of 130kΩ (based on a XIN clock frequency of 24.567MHz), the signal should be attenuated by 75% (Figure 4). Test results are seen in Figure 5.
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
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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。