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心电采集系统中模拟电路的设计方案

心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，信号比较微弱，其频谱范围是0.05～

200Hz，电压幅值为0～5mV，信号源的阻抗为数千欧到数百千欧，并且存在着大量的噪声，所

以心电采集系统的合理设计是能否得到正确的心电信号的关键部件。心电信号的测量条件是

相当复杂的，除了受包括肌电信号、呼吸波信号、脑电信号等体内干扰信号的干扰以外还受

到50HZ市电、基线漂移、电极接触和其他电磁设备的体外干扰，因此，在强噪声下如何有

效地抑制各种干扰将成为心电采集系统设计的关键。

1心电采集系统简介

完整的心电采集系统包括模拟和数字两部分，其中模拟部分主要完成心电信号的拾取、

放大和滤波等，数字部分将对模拟部分获得的心电信号进行分析与处理，以便医护人员得出

正确的诊断结果，因此心电采集系统中的模拟电路在心电监护系统中具有重要作用。心电采

集系统的总体结构。

由携带在人体上的专用电极拾取的心电信号首先经前置放大器初步放大，并在对各种干

扰信号进行一定抑制后送入带通滤波器，以滤除心电频率范围以外的干扰信号，然后由主放

大器将滤波后的信号进一步放大到合适范围，再经50Hz陷波器滤除工频干扰，得到模拟的

心电信号将被送入AD转换系统进行模数转换，转换成数字信号后由中央处理单元负责后续

的分析处理。

2前置放大电路

从人体体表拾取的心电信号一般只有几个毫伏，为了提高其分辨率以便于后端显示和处

理，首先需要对信号进行放大。在心电信号采集过程中，前置放大电路对心电信号的影响最

大，为提高心电信号的性能，前置放大电路的放大倍数不能选择得太大(一般小于20)，否

则会由于有较大的干扰信号(指电极的极化电压)，致使放大器产生阻塞现象。

对于心电信号而言，采集的信号属于差模信号，所以其放大器都采用差动放大电路结构，

使用最普遍的是采用低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比、高增益和抗干扰能力强的同相并

联差动放大电路，即通常所说的三运放仪表放大器，本系统采用通用的集成运放LM324来构

成这种放大器的。LM324是一种4集成运算放大器，由于价格低廉且使用方便，所以被广

泛应用于控制和信号放大处理之中。我们在实验室认真设计和反复实验，用LM324构成的电

路成功实现了心电信号的放大处理，其主要技术指标都能满足要求。LM324既可以单电源使

用，也可以双电源使用，电源电压可以从+5V一直用到plusmn;15V，而且驱动功耗低，每

一组运放差模增益可达到100dB。通过外围电路的合理设计，使得以LM324为主要器件的放

大电路完全能满足高放大倍数、高稳定性的心电信号放大处理要求。

值得一提的是，LM324的低电流噪声特别适用于ECG的应用，它有很好的直流特性：输

入失调电压小于5mV，输入失调电压温漂小于7uV/℃，输入偏置电流小于40nA，共模抑制比

达100dB，而它的低功耗、低电源(低至3V)、精简封装等特性更是电池供电便携式心电监护

系统的极佳选择。放大电路原理。

图2设计的放大器由两级组成，U1C和U1D构成第一级的差动输入输出级，U2A为基本

型差动比例电路，总的电压增益Au，等于两级增益之积。由于第一级采用同相输入，有较高

的输入电阻，U1C和U1D选用相同特性的运放，使它们的共模输出电压和漂移电压也都相等，

再通过U2A组成的第二级差分式电路，可以互相抵消，第二级差分放电路将双端输入变单

端输出，适应接地负载的需要。把两级电路级联后，它们相互取长补短，使组合后的这个电

路具有输入阻抗高、电压增益调节方便、共模抑制比高和漂移相互抵消等一系列优点。为提

高共模抑制比和降低温漂影响，进一步提高电路的性能，测量放大器采用对称结构，即严格

挑选几个外接电阻R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16和调节RW2，使得R11=R12、R13=R14、

R16=R15+调节后RW2。所以通过调节外接电阻RW2的大小可以很方便地改变测量放大器的增

益。

去除人体携带的交流共模干扰的一种有效方法是采用右腿驱动电路，在本图2的系统

中，右腿RL端不是直接接地，而是接到放大器的输出端。从驱动屏蔽的输出端检出共模电压，

它经辅助的反向放大器U0放大后，再经过电阻R1反馈到右腿，由此而得到右腿驱动的名

称，即人体的位移电流不再流入地，而是流向R1和辅助放大器U0的输出端。但是由于右腿

驱动电路存在交流干