开源！基于Multism的简易心电采集放大设计
开源！基于Multism的简易心电采集放大设计
心电图（ECG）是医学领域中一种重要的诊断工具，用于监测心脏的电活动。然而，心电信号非常微弱且容易受到各种干扰，因此需要设计专门的放大电路来采集和处理这些信号。本文将介绍一种基于Multism软件的简易心电采集放大电路设计，该设计采用AD620和OP07为核心元件，具有功耗低、灵敏度高、易于移动式设备实现等特点。
心电信号特点
心电信号属于生物医学信号，具有以下特点：
- 信号具有近场检测的特点，离开人体表微小的距离，就基本上检测不到信号；
- 心电信号通常比较微弱，至多为mV量级；
- 属低频信号，且能量主要在几百赫兹以下；
- 干扰特别强。干扰既来自生物体内，如肌电干扰、呼吸干扰等；也来自生物体外，如环境干扰
- 干扰信号与心电信号本身频带重叠(如工频干扰等)。
采集电路的设计要求
针对心电信号的上述特点，对采集电路系统的设计分析如下：
- 信号放大是必备环节，而且应将信号提升至A／D输人口的幅度要求，即至少为“V”的量级；
- 应尽量削弱工频干扰的影响；
- 应考虑因呼吸等引起的基线漂移问题；
- 信号频率不高，通频带通常是满足要求的，但应考虑输入阻抗、线性、低噪声等因素。
采集电路设计分析过程
前级放大电路设计
由于人体心电信号的特点，加上背景噪声较强，采集信号时电极与皮肤间的阻抗大且变化范围也较大，这就对前级(第一级)放大电路提出了较高的要求，即要求前级放大电路应满足以下要求：
- 高输入阻抗；
- 高共模抑制比；
- 低噪声、低漂移、非线性度小；
- 合适的频带和动态范围。
为此，选用Analog公司的仪用放大器AD620作为前级放大(预放)。AD620的核心是三运放电路(相当于集成了三个OP07运放)，其内部结构如下图所示。
该放大器有较高的共模抑制比(CMRR)，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小且具有调节方便的特点，是生物医学信号放大的理想选择。根据上面的分析，前级放大电路按图2设计，并先运用Multisim 14.0仿真。
仿真过程采用10mv，20Hz的差分信号源为模拟心电输入来模拟电路的放大过程，结果满足要求。放大倍数约为214/20=10.7倍。
补偿电路
引入补偿电路，是为了抵消人体信号源中的干扰(包括工频干扰)。引入补偿电路的方法：在前级放大电路的反馈端与信号源地端建立共模负反馈，为提高电路的反馈深度，将反馈信号放大后(仍采用OP07)接人信号源参考端，这样可以最大限度地抵消工频干扰。引入的这种电路形式，根据其结构和功能，可形象地将其称为“反馈浮置跟踪电路”。
次级放大电路
第二级放大电路主要以提高增益为目的，选用普通的ADOP07即可满足要求。
高通滤波器(消除基线漂移)
在电路部分加上简单的高通滤波环节，对隔断直流通路和消除基线漂移将会起到事半功倍的效果，本部分电路置于预放大与信号放大电路之间，一个简单的无源高通滤波电路如下图所示。
左边接要滤波的电路，右边接放大输出。计算公式为1/（2ΠRC），图中计算结果为0.034HZ。所以，经过高通滤波后，可以大大削弱0．03 Hz以下因呼吸等引起的基线漂移程度，心电信号低频端也就相应地取该频率。