基于TL084C的心电信号检测系统设计

摘要：给出了采用高精度低功耗TL084C四运放集成芯片，并通过合理的结构设计和参数选择来实现抗干扰型便携式心电信号检测系统的简易设计方法，该方法具有一定的实用价值。
关键词：心电信号检测；抗干扰；TL084C；共模抑制比

O 引言
    心率作为检测身体健康与否的一个重要指标，其重要性不言而喻。心电信号(ECS)作为强噪声背景下的低频微弱信号，是一种复杂的自然信号，所以对心电系统的设计有其特殊性。而对心电信号的了解有助于系统整体方案的设计。

l 心电信号频谱分析
    心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，是一种毫伏级的微弱低频交流生物信号。一般来说，一个完整的心电信号波形包括P波、R波、QRS波、和T波。图1所示是一般的心电信号的功率谱分析图。由图可见，其主要频率成份在0．1～35Hz。而QRS复波群的能量又在心电信号中占据了很大的百分比，其能量分布于心电信号的中高频区，峰值大约处于在5～15 Hz范围。

    因此，心电信号具有以下几个特点：
    ◇信号极其微弱，一般只有0．05～4 mV，典型值为1 mV；
    ◇频率范围较低，频谱范围为0．1～35Hz，能量主要集中在5～20 Hz；
    ◇存在不稳定性。人体内部各器官间的相互影响以及各人的心脏位置、呼吸、年龄、是否经常锻炼等因素，都会使心电信号发生相应变化；
    ◇干扰噪声很强。对心电信号进行测量时，必然要与外界联系，但由于其自身的信号非常微弱，因此，各种干扰噪声非常容易影响测量。其ECS噪声可能来自工频(50 Hz)干扰、电极接触噪点、运动伪迹、肌电噪声(EMG)、呼吸引起的基线漂移和心电幅度变化以及其它电子设备的机器噪声等诸多方面。
    所以，在对心电信号进行检测分析和处理时，应考虑其随时间变化的低频信号，应按其频谱特性，选择适当的放大系数，设计出合适的心电检测放大电路。同时又必须进行一些必要的抗干扰技术处理(如负反馈，滤波等)，以得到比较干净的心电信号。

2 系统总体要求
    由于通过体表两极所测的心电信号十分微弱，只有毫伏级(O．05～4 mV)，而在检测心电信号的同时又存在强大的噪音干扰，因此，为了能有效精确的测量，本系统分为前置放大电路、滤波电路、主放大电路等部分，通常需要满足以下条件：
    (1)前置放大器的增益应介于200～2000之间，其共模抑制比不应低于1000：1 (dB)；
    (2)前置放大器的差模输入阻抗应≥20 MΩ；
    (3)电路的电磁辐射要尽可能的低。心电信号十分微弱，而且很容易串入周围环境的噪声干扰。另外，在设计电路的时候，还需要考虑到电子电路自身的电磁辐射，避免给信号测量带来新的麻烦。
    本心电信号检测系统的原理框图如图2所示。

3 系统电路设计
3．1 前置放大电路
    由于电极采集到的心电信号幅值通常在0．05～4 mV，频谱范围为O．1～35 Hz，通常需要放大上千倍才能观察到，并且人体内阻较大，因此，一个高阻抗、高增益的前置放大器是准确获取心电信号的关键。整个前置放大电路是一个差分放大电路，一般包括输入保护及缓冲器、驱动反馈网络和仪表放大电路等部分，图3所示是其前置放大电路图。

    图中，输入电极可使用双片银／氯化银(Ag／AgCl)电极，主要用来引导体表电位差。测量时，人的双手紧握电极片即可。输入装置应包括保护电路，其作用一方面用来防止机器的漏电流进入人体而影响使用者的安全，另一方面，也应防止过强的信号进入后续电路。在防止ESD时，心电电极的输入端可能会出现幅度高达数千伏、持续时间为n纳秒的高压脉冲。为防止这些高压脉冲损坏心电输入端的器件，本设计采用箝位电路进行输入保护。即将所有ESD放电管聚集在一起，一点接地并与后续电路隔离。在除颤时，电极输入可使用由10 kΩ的电阻和33 nF的电容组成的一阶高通滤波作为输入缓冲，主要用于吸取快速瞬变脉冲，同时也用于隔断直流干扰。对于强高频电力干扰，主要依靠二极管箝位保护电路，将电压箝位到±1．4 V左右，从而形成中低压防护，以保证输入运放的安全和电源的稳定。
    缓冲器结构为电压跟随器，其作用一是提高输入阻抗，克服电极与人体接触电阻引起的信号衰减：二是确保输出阻抗足够小，以有效驱动后面的电路。输入保护端和缓冲采用对称结构，这对50 Hz的工频噪声等共模干扰进行抑制非常有效。驱动深度反馈网络主要用作信号反向反馈，提高共模抑制比，有效削弱共模干扰，改善心电信号质量。
    因此，前置放大电路一共需用四个运放。本设计选用TL084C。TL084C是高速J-FET(结型场效应管)型输入四运放集成芯片。其中的每一个
运算放大器在单块集成电路上都使用了高电压结型场效应管和双极性管，同时兼容了更好的匹配性，具有转换速率高，输入基极电流和输入漂移电流小，漂移电压温度系数低特点。
3．2 滤波保持电路
    通过电极获取的心电信号经过前置放大电路处理后，还是容易受到噪声干扰。其噪声仍然主要是工频干扰和放大电路的内部噪声。根据前面所述，心电频率分布范围在0．1～35 Hz，但在20Hz后，信号将大幅衰减，考虑到系统主要是为了测量心率，因此，可以舍弃部分心电信号，只增强QRS复波信号，然后通过计算RR间期得到心率大小，另外，也要同时保证抑制噪声和伪迹，提高QRS复波形检测的准确率。本设计的滤波保持电路包括两个部分，即带通滤波器和信号保持电路，图4所示是本设计的滤波保持电路。此部分电路集成运放仍然选用TL084C。

    信号经过前置放大电路后，便可直接进入带通滤波器。考虑到心电信号的特点和系统目标，此带通滤波器可选择多重反馈带通滤波器，因为多重反馈滤波器比较常见，而且成本低，容易实现，元器件灵敏度要求也低，失真小，但也有传递函数计算复杂等缺点。
3．3 主放大器电路
    由于经过滤波电路后，有效信号也相应有所衰减。为了方便后续电路的信号检测和驱动，还必须对有用信号进行放大。因此，本设计还使用了放大倍数为100的反相比例放大器，但需注意，此放大倍数不宜过大，以免失真。图5所示是其主放大电路图。

4 结束语
    本文所论述的心电信号检测系统在消除各种噪声干扰方面下了一些功夫，因而具有较高的准确性和可靠性，并获得了令人满意的效果。该设计通过采用高性价比器件，简单的结构可得到理想的结果，故可广泛用于各种医疗仪器设备。