模块化信号调理电路的设计

生物电位信号传感器的模块化信号调理电路设计

Winncy Y. DU, Winston JOSE, Jake ASKELAND

圣荷西州立大学机械与航空航天部，加州圣荷西市95116美国

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收稿：2010年8月5日/接受：2010年9月14日/出版：2010年9月27日Abstract: Biosignal conditioning (BC) is critical in biomedical instruments because it directly affects measurement accuracy, reliability, and repeatability. BC also presents a great challenge due to the small amplitude of biosignals and their ease of corruption with noise and other disturbances. This paper describes a modular BC system developed for biopotential sensors that can preserve useful information while removing unwanted noise and interference components. This BC circuit includes an instrumentation amplifier, an active 1st-order high-pass filter with Sallen-Key configuration, a 5th order low-pass Bessel filter,and a 2nd -order Twin-T notch filter. The order of these filters and the associated components in each filter can be easily changed to adapt to different biosignals (modular feature). Data acquisition and sampling were performed using a USB6009 module with a built-in A/D converter. Testing of a real electrocardiogram on the designed signal conditioning circuit demonstrated comparable outputs to commercial devices. Copyright © 2010 IFSA.

Keywords: Biosignal conditioning, Modular circuit, ECG signal

摘要：生物信号处理（BC）在生物医学仪器中是非常关键的，因为它直接影响到测量的准确度、可靠性和再现性。由于生物信号的小振幅和容易受到噪声以及其他干扰的特点，对BC也提出了重大挑战。本文描述了一种模块化的生物信号传感器处理电路系统，它是专为生物信号传感器设计的在滤除不必要噪声和干扰成份的同时又能保护其中的有用部分。这个BC电路包括一个仪表放大电路，一个含有Sallen-Key结构的一阶有源高通滤波器，一个五阶低通贝塞尔滤波器，一个二阶双T陷波器。这些滤波器和每个滤波器的相关组件可以很容易改变以适应不同的生理信号（模块化功能）。数据采集和取样是用的带内置A/D转换器的USB6009模块。在所设计的信号调理电路上进行真正的输出真实心电图测试表明其可比商业设备。版权所有© 2010 IFSA。

关键词：生物信号调理，模块化电路，心电图信号

1、简介

生物信号调理（BC）在生物医学仪器和生物传感器中发挥了关键性作用。一个设计很好的的BC电路可以显著提高测量的精度，可靠性和可再现性。然而，BC也面临着一个巨大的挑战，因为：(1)生物信号本质上就是很微弱的（0.001mV-100mV带有1mV的典型值。见图1）;(2)他们很容易受到噪声和其他干扰的破坏，例如电源线的干扰，脉冲噪声，静电电位，杂散电容，以及附近的电子设备。（3）生物信号产品可以通过物体移动和肌肉张力获得[2]。图1显示了常见生物电信号的幅度和频率范围[3]。请注意，心电图（ECG）信号是位于生物信号的中间范围，幅度为0.1mV-10mV的范围，频率为0.01Hz-250Hz。因此，心电图信号作为生物信号的典型代表被选作模块BC电路实验和实现的工作模型。

图1常见生物信号的幅度和频率范围[3]

[4-[13]的文献报道了关于心电图信号研究的几项工作。Tenedero等[4]开发了一个带宽为0.05 Hz –40Hz的心电图电路。其中用到了一个AD620的仪表放大器（IA），由于其低噪音，低输入偏置电流，低失调电压，低功耗和100分贝的高共模抑制比（CMRR）。在仪表放大器（IA）与数据采集单元之间有三个滤波电路：一个隔离放大器（与60Hz的电源线分离，同时保护了病人不会心源性休克），一个截止频率为0.05Hz的高通滤波器和一个截止频率接近100Hz的低通滤波器。心电图信号的ADC（模拟到数字转换）采样速率为500赫兹。富尔福德琼斯等人设计了一种便携式，低功耗心电图系统[5]。一种嵌入式芯片运放（运算放大器）被用到，由于它的低噪声和低功耗。这种运放的CMRR为94分贝。高通滤波反馈可以矫正任何直流时域的变化。其ADC的采样速率为120赫兹。马特维延科[6]使用CY8C27443作为微控制器进行心电信号的采集和处理。控制器嵌入运放的CMRR为60 dB。据笔者，这个低共模抑制比可以接受是由于一个为了减少射频干扰（RFI）而将差分低通滤波器放在IA之前的独特设计，因为RFI在已经经过IA整流的心电图信号中产生的错误将不能被滤除。一个截止频率为2 kHz的高通滤波器放在IA的输出上。缓冲放大器和反相放大器也被用来消除了RFI干扰。 ADC的采样速率为240赫兹。

ECG调理电路经过了德州仪器（TI）[7]和模拟器件公司（AD）[8]两大工业领导者的审查。TI的电路特点突出，一个INA321 IA具备几方面独特的特点：掉电模式，所提供的电流小于1mA 时关闭电路（为了节能）。微控制器嵌入式运放，一个反馈回路以维持一个恒定的直流水平。512Hz 的采样频率。进一步实施数字滤波以去除电源线噪声并提供了6Hz-30Hz的通频带。在AD的设计，心电图电路采用AD的AduC842（一综合―片上系统‖）进行放大，数字滤波和A / D转换。

2.获得一个ECG信号

心电图（ECG）是一个心脏活动时产生的小型电波，通常是由遍布在全身特定点的电极记录。三根肢体引线通常用于构建一个艾因特霍芬的三角形（见图。2）[15]。一个心电图波形是通过布置在全身的引线获得，这些引线点布置特点是与心脏等电力间距。这样可以最大化引线之间的电位