单片机心电信号数据采集系统的设计(一)信(6)
2013-05-17 01:13
导读：相对于幅度仅在微伏、毫伏量级的心电信号而言，高阻抗源本身也会带来相当高的热噪声，使输入信号的质量很差。为了获得一定信噪比的输出信号，选择
相对于幅度仅在微伏、毫伏量级的心电信号而言，高阻抗源本身也会带来相当高的热噪声，使输入信号的质量很差。为了获得一定信噪比的输出信号，选择放大器时要对其低噪声性能有严格的要求。另外，心电信号具有十分低的频率信号，放大器的零点漂移现象可能会限制其输入范围，似的微弱的缓变信号无法被放大，尤其在进行较长时间的纪录、观察和监护时，基线漂移对测量带来的严重影响，常常使得测量不能正常进行。因此，在设计时，一方面通过采用差动输入电路的形式，利用电路的对称结构抑制漂移；另一方面，必须对元器件进行严格挑选，改变温度变化造成的零点漂移。
针对以上特点，我们选用了美国Analog Device公司最近推出的新型集成仪用放大器AD620作为前置放大器。AD620是采用激光技术校准制成的单片仪用放大器。允许用户仅用一只电阻便可精确地设置电路的增益。
AD620主要特性参数如下，CMRR140dB，输入阻抗10GΩ，噪声电压0.28uV,输出偏置电流小于2.0nA，工作电流1.3mA。由于其采用DP-8的封装形式，用它构成的前置放大器同传统的放大器相比，电路实际尺寸大大缩小。是一款非常理想的生物信号放大芯片。使用时只需在1脚和8脚间接一电阻Rg即可设置所需要的增益G：
G=1+49.4kΩ/Rg
需要注意的是Rg必须选用精密电阻。我们取Rg为5 kΩ，放大器增益为10倍。
前置放大是心电数据采集的关键环节,
路如图2 所示。由于人体心电信号十分微弱,噪声背
景强且信号源阻抗较大, 加之电极引入的极化电压
差值较大(比心电差值幅度大几百倍) ,因此,通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪
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声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等
性能, 设计时一般都采用差分放大电路。本设计选
用仪用放大器AD620 作为前置放大器。AD620 输入
端采用超β处理技术, 具有低输入偏置电流、低噪
音、高精度、较高建立时间、低功耗等特性,共模抑制
比可达130dB , 非常适合作为医疗仪器前置放大器
使用。其增益可调(范围约1～1000 倍) ,并可由公式
G= 1 + 49. 4kΩ/ Rg
来确定。为防止前置放大器工作于饱区和或截止
区, 其增益不能过大。试验表明: 10 倍左右效果较
好。通过U3 可将R2、R3 上的人体共模信号检测出
来用于驱动导线屏蔽层,以消除分布电容,提高输入
阻抗和共模抑制比。U4、R5、R6、C1 构成的“浮地”驱
动电路可将人体共模信号倒相放大后用于激励人体
右腿,从而降低甚至抵消共模电压,以达到较强抑制
50Hz 工频干扰之目的。U1、U2 主要用于稳定输入信
号和提高输入阻抗,进一步提高共模抑制比。
3.4 光电隔离
在单片机监控系统中，干扰通常是通过电源线和地线串入单片机主控系统而引起测试与控制的错误，甚至可能导致严重后果。因此，必须加强数据采集与控制系统的抗干扰性设计。在硬件上，通常采用的是单片机主控系统与前向通道和后向通道完全实现电气隔离，消除由于共地和共电源线而串入的干扰信号。光电耦合器是通过光线实现耦合的输入和输出之间没有直接的电气联系，故具有很强的隔离作用，在实际应用中很广泛。光电耦合器件具有非线性电流传输特性，这对于数字量和开关量的传输不成问题，但若直接用于模拟量的传输，则线性度和精度都很差。因而在实际应用中常先将模拟信号经 ADC 转换成数字信号再采用光电耦合器进行数字量隔离。这存在有两个问题：
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(l)经过 ADC 转换后需对每位数据线进行隔离，无疑需用多个光电耦合器。而且与单片机数据线相接，需采用价格较贵的高速光电耦合器。
(2)对于有些单片机其内部集成有 A/D 在精度够用的情况下，希望直接采用其内部的 A/D。如果再外加 ADC 芯片，则不能充分利用主控系统的资源既增加了成本又降低了系统的可靠性。因此有必要找到一种性能价格比和可靠性都比较高的隔离电路，实现模拟量的线性传输。
3.4.1
光电耦合器的工作原理和电路参数设计
为以下讨论方便，在此简要介绍光电耦合器的工作原理及电路参数设计。光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起，通过光线实现耦合构成电－光－电的转换器件。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光器件将电信号转换为光信号。光信号经光敏器件感应接收，再还原成电信号。图 3-3 是一种典型反相应用电路，当输入端有电流流过的，发光二极管发光、使光电三极管导通，其集电极就有电流 IC 流过。对于数字量，当输入为低电平时, 光电三极管截止，输出为高电平；当输入为高电平时，光电三极管饱和导通，输出为低电平。
图3-3 典型反向应用电路
电路参数设计主要是指 RF和 RC阻值的选取。光电耦合器的输入电流IF 一般为 10~20 mA。发光二极管的压降 VF 约为 1.2~1.5V，所以限流电阻RF 由下式确定
集电极电阻 RC由下式确定
其中，VCES 为光电三极管的输出饱和压降，ICM 为光电耦合器最大输入电流，ICS 为光电耦合器输出饱和时集电极电流最小值。它们均可由光电耦合器的参数手册查得。
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3.4.2
线性光电耦合放大电路
在此介绍精度较高，简单实用的线性光隔离放大电路，可用于模拟信
号的传输，先讨论其电路结构、工作原理[15-16]。
(1)电路结构 运算放大器 IC2B 用于缓冲隔离可提高电路的负载能力。两电路的核心是采用两个同型号的光电耦合器输入端串联组成差分负反馈，来补偿光耦的非线性电流传输系数。两光耦本身虽然是非线性的，但其非线性程度相同，故产生相消作用。为获得更好的特性，常采用双光耦合器如 TLP521-2，两光耦集成在一个芯片内，可保证其特性基本一致。
图3-4线性光电耦合放大电路
(2)工作原理 对图 3-4 有下式成立
其中 I1、I2 分别为两光耦光电三极管的输出电流，I 为光耦输入级流过发光二极管的电流，V1、V2 分别为两光耦输出级的电源电压，g1、g2分别为两光耦的电流传输特性系数,对于特性一致的两个光耦，其电流传
输特性系数相同：g1
