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采用MSP430设计的12位心电(ECG)放大器

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:本文介绍了心电放大器的基本电路构成,以及采用TI公司的MSP430系列单片机对心电信号进行模数转换处理的方法,还着重探讨了采用带硬件乘法器的MSP430F14X系列单片机对心电信号进行滤波处理的方法,并给出了相应的实验结果。
  
  人体心肌产生的电信号传导到体表之后,由于在体表分布的不同而产生电位差,将这种电压只有mV级别的电位差放大并绘制成图,就得到了心电图(ECG)。心电图在心血管疾病的临床诊断中有非常重要的作用。通常采用的心电图按照导联数分有单导联,三导联,五导联以及十二导联等等;按照精度分常用的有8位和12位精度等等。单导联,精度低的心电图常用于进行心电监控以及心率测量。12位高精度的心电图由于可以反映出心电的细微变化,被更加广泛地应用于临床诊断、心电分析等地方。
  
  由于心电幅度只有mV量级,需要放大上千倍才能被观察到,并且人体的内阻比较大,因此一个高阻抗、高增益的放大器是准确获取心电信号的关键。而周围环境中充满了各种各样的电磁干扰,会严重影响微弱的ECG信号,而其中最为严重的是市电电源的50Hz(部分国家为60Hz)的干扰。如何避免这些干扰也是心电放大器设计所必须考虑的问题。此外,进行高精度的AD转换也是关键的步骤,特别是对于12bit的ECG放大器。在一些便携式应用中,功耗也是需要考虑的因素。
  
  TI公司生产的MSP430F13X、MSP430F14X系列微功耗混和信号单片机,由于具有速度快(8MIPS/16bit),集成度高(Flash,RAM,16bitTimer,8通道12bitADC以及UART等)、极低功耗等特点,因此非常适合于ECG放大器一类的应用。MSP430F14X系列单片机由于具有硬件乘法器,因此具备一定的DSP功能,可以ECG信号进行滤波等预处理。
  
  下图是三导联ECG放大器的框图:
  
  
  
  ECG放大器通常由缓冲级、匹配电阻网络、放大、滤波、电平位移以及模数转换等几级构成。
  
  电极采集到的心电信号首先进入缓冲级。缓冲级可以提高整个放大电路的输入阻抗,降低输出阻抗,这样就可以在后面的匹配电阻网络中得到幅值较高的信号。匹配电阻网络通常采用威尔逊电中心端网络,它通过特定的电阻网络获得威尔逊电中心端作为整个ECG系统的参考点。
  
  放大级通常包括一级用AD620等仪表放大器构成的初级差分放大和TL084等通用运放构成的主放大级。由于体表液体与电极之间可能形成原电池,致使电极之间存在固定的电位差,因此第一级差分放大的增益不能太高,否则容易饱和。通常这一级增益选10左右。在第一级和第二级之间必须进行直流隔离。第二级采用同相放大电路,增益可以高达100倍,这样整个电路放大倍数可以达到1000倍。
  
  由于信号中混有各种干扰噪声会影响ECG的有用信号,因此需要对这些噪声进行滤波。噪声来源主要有两类,一类是各种电子设备辐射出的高频噪声,一种是市电的50Hz噪声,通常情况下后者影响尤为明显。对这些噪声的滤波需要用到低通滤波器和50Hz带阻滤波器。ECG的低通滤波器通常情况下截至频率选择在100Hz以下,少数情况下会用到更高的频率。低通滤波和放大可在同一级运放中实现。带阻滤波器对最终信号的质量尤为重要,由于带阻滤波器的特性参数对元器件的精度很敏感,因此在这一级的设计中需要用到精密的阻容

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