心电信号读出电路的研究与设计

发布时间：2020-10-24 08:45

　　 心脏是人体最重要的器官,它的跳动规律能够反应人体状态是否正常。心脏的跳动会产生心电信号,将信号提取出来就可作为观测心脏状态的依据。所以心电信号读出电路一直是研究热点。近年来便携式心脏监护系统受到人们的高度关注,因此研究和设计高性能的心电信号读出电路具有重要的意义。本论文主要完成了用于心电监护系统的心电信号读出电路的研究与设计,该电路包含五个方面的模块,分别是系统主放大器、电荷泵电路、导联脱落检测电路、快速恢复电路及轨到轨运算放大器。系统的设计工作分为两个阶段进行:第一阶段是完成主放大器的设计和流片测试;第二阶段的工作包括对第一阶段电路的改进,并设计电荷泵电路、导联脱落检测电路、快速恢复电路和轨到轨运算放大器。本文针对传统心电信号读出电路共模抑制比不够高、输入共模范围受限、片外元件较多及信号干扰较多等问题,作了如下措施:采用电流反馈型仪表放大器并加入失调抑制电路作为系统主放大器。并通过采用电荷泵来提高输入共模范围;考虑到监护系统导联线会有脱落的情况发生,本文设计了导联脱落检测模块;由于系统建立时间过长,本文设计了快速恢复电路,有效降低了建立时间;同时,系统集成了三个相同的轨到轨运算放大器A1、A2、A3,其中A1用于提供低通滤波和额外的增益,A2用于抑制电力线干扰,A3用于提供基准电压。电路基于GLOBALFOUNDRIES 0.18μm CMOS工艺进行设计,并对第一阶段电路实现了流片,芯片面积为346μm×346μm,测试结果表明:在电源电压为2V时,电路3dB带宽为2kHz,总谐波失真为-64dB,共模抑制比为120dB,在0.1Hz～100Hz的范围内,总输入参考噪声为0.78μVrms,功耗为121.6μW,可以消除±140mV的失调电压。第二阶段仿真结果表明:在电源电压2V时,系统主放大器3dB带宽为2kHz,总谐波失真为-75.4dB,共模抑制比为118dB,在2kHz带宽下总输入参考噪声为0.85μVrms,电荷泵输出电压为3.9V,轨到轨运算放大器A1、A2、A3的带宽为448kHz,直流增益为126dB。本文有如下创新结果和结论:(1)本文利用积分反馈作为主放大器的失调抑制,有效降低了失调电压的影响。(2)本文采用电荷泵升压电路,将系统主放大器输入级的电源电压升高两倍,使得输入共模范围高于系统供电电压。(3)本文设计的电路具有导联检测功能,丰富了电路功能。上述的设计和研究结果表明,本文所设计的心电信号读出电路符合设计需求,具有较好的性能,功能较为完善,具有良好的实际意义。
【学位单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH77;TN911.7
【部分图文】：

由原来的入院观察改为随时随地预防，而且可以建立完善的心电信号数据，为患者的??心电信息随时监控和心脏疾病突发预警提供了可靠的手段［３１。??本文研究的课题背景是便携式心电监护设备，其结构如图１－１所示，通过心电信??号（ＥＣＧ）导联线将人体上的心电信号信号输送到模拟前端（Ａｎａｌｏｇｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ），由??模拟前端将ＥＣＧ信号读出并放大之后，由模拟信号和数字信号转换器（Ａ／Ｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，??ＡＤＣ）转换成数字信号，由后级的数字信号处理器（Ｄｉｇｉｔａｌ?ｓｉｇｎａ丨ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＤＳＰ）??进行处理。原始心电信号非常微弱且干扰信号较多，后级模数转换器无法直接采样，??需要将采集到的心电信号通过一个心电信号读出电路将有用信号提取，并且将干扰信??号影响降至最小ｆ４—５〗。这个心电信号读出电路即为图１－１所示的模拟前端，经过心电??信号读出电路处理过的ＥＣＧ信号通过个后级ＡＤＣ变为数字信号，最后经过嵌入??式系统处理之后的信号即可以诊断心脏状态的依据。由上述便携式心电监护设备结构??可知

２．１心电采集系统理论模型??由于心电信号中包含有较强的干扰电压，同时考虑电路中的非理想因素，所以需??要对心电采集系统及干扰源进行理论模型分析，图２－１所示的是典型的三导联ＥＣＧ??采集系统示意图，ＡＭＰ代表的是ＥＣＧ读出放大器，Ａ、Ｂ、Ｃ是代表三个导联电极，??Ａ和Ｂ电极位于心脏部位，电极另一端连接在ＥＣＧ读出放大器的正负输入端，Ｃ电??极位于人体右腿处，作为右腿驱动电路的连接电极。如果是两导联ＥＣＧ采集系统，??则没有Ｃ导联电极。??Ｓｉ??图２－丨ＥＣＧ采集系统示意图??ＥＣＧ采集系统干扰源模型如图２－２所示Ｍ，ＬＩ、Ｌ２分别代表电力线和大地，ＡＣ??表示放大器共模参考。＆和分别是电力线与人体、大地和人体之间的耦合电容。??ＣＷ、Ｃｅ２、Ｃｋ是电力线与三个导联电极的耦合电容。厶／、Ｚｅ２、Ｚｅｊ是电极等效阻抗。??Ｚｒｆ和Ｚｃ；、乙２分别是检测设备输入端差模阻抗和共模阻抗，２＆是放大器的隔离阻抗。??表示放大器与地之间的隔离程度。人体与电力线ＣＰ，人体与大地之间的耦合电容Ｇ??会造成微弱的干扰电流＆从电力线流入使用者身体，由于这个微弱的电流存在，检测??设备连接上人体时

＿＿！??图２－３人体与采集系统干扰源等效模型??上文是对心电采集系统干扰源的定性分析，对干扰源的定量分析需要对图２－２所??示的模型进一步的简化。如图２－３是人体ＥＣＧ采集过程的等效模型是对图２－??２进一步的简化，Ｚ，／和Ｚ，２是人体等效阻抗。Ｃｃ／、Ｃｃ２、（ｈ是电力线和导联线之间的??耦合电容，ＥＳ虚线框内部是代表ＥＣＧ采集系统等效模型，其中Ｋ是来自ＥＣＧ采集??系统内部电源电压的纹波干扰信号，Ｚ，是它的等效阻抗，电力线电压（２２０Ｖ，?５０Ｈｚ）??通过变压器转换成低压时，由于次级绕组之间不匹配和寄生电容等一些非理想因素会??７??
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本文编号：2854256