摘要：給出了采用高精度低功耗TL084C四運放集成芯片，并通過合理的結構設計和參數選擇來實現(xiàn)抗干擾型便攜式心電信號檢測系統(tǒng)的簡易設計方法，該方法具有一定的實用價值。
關鍵詞：心電信號檢測；抗干擾；TL084C；共模抑制比

O 引言
    心率作為檢測身體健康與否的一個重要指標，其重要性不言而喻。心電信號(ECS)作為強噪聲背景下的低頻微弱信號，是一種復雜的自然信號，所以對心電系統(tǒng)的設計有其特殊性。而對心電信號的了解有助于系統(tǒng)整體方案的設計。

l 心電信號頻譜分析
    心電信號作為心臟電活動在人體體表的表現(xiàn)，是一種毫伏級的微弱低頻交流生物信號。一般來說，一個完整的心電信號波形包括P波、R波、QRS波、和T波。圖1所示是一般的心電信號的功率譜分析圖。由圖可見，其主要頻率成份在0．1～35Hz。而QRS復波群的能量又在心電信號中占據了很大的百分比，其能量分布于心電信號的中高頻區(qū)，峰值大約處于在5～15 Hz范圍。

    因此，心電信號具有以下幾個特點：
    ◇信號極其微弱，一般只有0．05～4 mV，典型值為1 mV；
    ◇頻率范圍較低，頻譜范圍為0．1～35Hz，能量主要集中在5～20 Hz；
    ◇存在不穩(wěn)定性。人體內部各器官間的相互影響以及各人的心臟位置、呼吸、年齡、是否經常鍛煉等因素，都會使心電信號發(fā)生相應變化；
    ◇干擾噪聲很強。對心電信號進行測量時，必然要與外界聯(lián)系，但由于其自身的信號非常微弱，因此，各種干擾噪聲非常容易影響測量。其ECS噪聲可能來自工頻(50 Hz)干擾、電極接觸噪點、運動偽跡、肌電噪聲(EMG)、呼吸引起的基線漂移和心電幅度變化以及其它電子設備的機器噪聲等諸多方面。
    所以，在對心電信號進行檢測分析和處理時，應考慮其隨時間變化的低頻信號，應按其頻譜特性，選擇適當的放大系數，設計出合適的心電檢測放大電路。同時又必須進行一些必要的抗干擾技術處理(如負反饋，濾波等)，以得到比較干凈的心電信號。

2 系統(tǒng)總體要求
    由于通過體表兩極所測的心電信號十分微弱，只有毫伏級(O．05～4 mV)，而在檢測心電信號的同時又存在強大的噪音干擾，因此，為了能有效精確的測量，本系統(tǒng)分為前置放大電路、濾波電路、主放大電路等部分，通常需要滿足以下條件：
    (1)前置放大器的增益應介于200～2000之間，其共模抑制比不應低于1000：1 (dB)；
    (2)前置放大器的差模輸入阻抗應≥20 MΩ；
    (3)電路的電磁輻射要盡可能的低。心電信號十分微弱，而且很容易串入周圍環(huán)境的噪聲干擾。另外，在設計電路的時候，還需要考慮到電子電路自身的電磁輻射，避免給信號測量帶來新的麻煩。
    本心電信號檢測系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)電路設計
3．1 前置放大電路
    由于電極采集到的心電信號幅值通常在0．05～4 mV，頻譜范圍為O．1～35 Hz，通常需要放大上千倍才能觀察到，并且人體內阻較大，因此，一個高阻抗、高增益的前置放大器是準確獲取心電信號的關鍵。整個前置放大電路是一個差分放大電路，一般包括輸入保護及緩沖器、驅動反饋網絡和儀表放大電路等部分，圖3所示是其前置放大電路圖。

    圖中，輸入電極可使用雙片銀／氯化銀(Ag／AgCl)電極，主要用來引導體表電位差。測量時，人的雙手緊握電極片即可。輸入裝置應包括保護電路，其作用一方面用來防止機器的漏電流進入人體而影響使用者的安全，另一方面，也應防止過強的信號進入后續(xù)電路。在防止ESD時，心電電極的輸入端可能會出現(xiàn)幅度高達數千伏、持續(xù)時間為n納秒的高壓脈沖。為防止這些高壓脈沖損壞心電輸入端的器件，本設計采用箝位電路進行輸入保護。即將所有ESD放電管聚集在一起，一點接地并與后續(xù)電路隔離。在除顫時，電極輸入可使用由10 kΩ的電阻和33 nF的電容組成的一階高通濾波作為輸入緩沖，主要用于吸取快速瞬變脈沖，同時也用于隔斷直流干擾。對于強高頻電力干擾，主要依靠二極管箝位保護電路，將電壓箝位到±1．4 V左右，從而形成中低壓防護，以保證輸入運放的安全和電源的穩(wěn)定。
    緩沖器結構為電壓跟隨器，其作用一是提高輸入阻抗，克服電極與人體接觸電阻引起的信號衰減：二是確保輸出阻抗足夠小，以有效驅動后面的電路。輸入保護端和緩沖采用對稱結構，這對50 Hz的工頻噪聲等共模干擾進行抑制非常有效。驅動深度反饋網絡主要用作信號反向反饋，提高共模抑制比，有效削弱共模干擾，改善心電信號質量。
    因此，前置放大電路一共需用四個運放。本設計選用TL084C。TL084C是高速J-FET(結型場效應管)型輸入四運放集成芯片。其中的每一個
運算放大器在單塊集成電路上都使用了高電壓結型場效應管和雙極性管，同時兼容了更好的匹配性，具有轉換速率高，輸入基極電流和輸入漂移電流小，漂移電壓溫度系數低特點。
3．2 濾波保持電路
    通過電極獲取的心電信號經過前置放大電路處理后，還是容易受到噪聲干擾。其噪聲仍然主要是工頻干擾和放大電路的內部噪聲。根據前面所述，心電頻率分布范圍在0．1～35 Hz，但在20Hz后，信號將大幅衰減，考慮到系統(tǒng)主要是為了測量心率，因此，可以舍棄部分心電信號，只增強QRS復波信號，然后通過計算RR間期得到心率大小，另外，也要同時保證抑制噪聲和偽跡，提高QRS復波形檢測的準確率。本設計的濾波保持電路包括兩個部分，即帶通濾波器和信號保持電路，圖4所示是本設計的濾波保持電路。此部分電路集成運放仍然選用TL084C。

    信號經過前置放大電路后，便可直接進入帶通濾波器?？紤]到心電信號的特點和系統(tǒng)目標，此帶通濾波器可選擇多重反饋帶通濾波器，因為多重反饋濾波器比較常見，而且成本低，容易實現(xiàn)，元器件靈敏度要求也低，失真小，但也有傳遞函數計算復雜等缺點。
3．3 主放大器電路
    由于經過濾波電路后，有效信號也相應有所衰減。為了方便后續(xù)電路的信號檢測和驅動，還必須對有用信號進行放大。因此，本設計還使用了放大倍數為100的反相比例放大器，但需注意，此放大倍數不宜過大，以免失真。圖5所示是其主放大電路圖。

4 結束語
    本文所論述的心電信號檢測系統(tǒng)在消除各種噪聲干擾方面下了一些功夫，因而具有較高的準確性和可靠性，并獲得了令人滿意的效果。該設計通過采用高性價比器件，簡單的結構可得到理想的結果，故可廣泛用于各種醫(yī)療儀器設備。