CN107296599B - 一种多导联ecg信号调理与数据采集电路 - Google Patents
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Abstract
一种多导联ECG信号调理与数据采集电路，其中的ADC转换器电路设置有多个模拟输入通道，与ADC转换器电路的模拟输入通道相对应设置有多个心电模拟前端单元，同一个心电模拟前端单元中保护与缓冲电路的输出端与导联信号测量/校准切换电路的另一个输入端相连接，该导联信号测量/校准切换电路的输出端与前置放大电路的输入端相连接，该前置放大电路的输出端与高通滤波电路的另一个输入端相连接，该高通滤波电路的输出端与末级放大滤波电路的另一个输入端相连接，该末级放大滤波电路的输出端与相对应的ADC转换器电路的模拟输入通道相连接。充分利用ADC转换器电路得到很高的信噪比，又可以适当降低耦合电容的性能和体积。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号调理与数据采集电路，更具体地说涉及一种多导联ECG信号调理与数据采集电路，属于模拟信号调理与采集电路技术领域。
背景技术
ECG传感器具有高阻抗、信号微弱、极化偏置差异以及易受干扰等特性，因此ECG信号调理电路中如何有效抑制各种噪声、提高信噪比（SNR）、得到稳定的高精度的心电导联信号是ECG信号调理电路设计的关键目标之一。
传统的心电信号调理电路采用前后两级放大、中间加电容交流耦合、后面再配合正常精度(通常是12bit)的AD转换器的结构。该种结构利用电容交流耦合滤掉了信号中的直流偏置等等噪声成分，后级放大可以采用较大的增益，从而得到相当高的信号总增益；但是，该种结构存在交流耦合器件价格高体积大、不便于小型化设计等缺陷。目前，随着24bitΔ-Σ型ADC集成电路技术的成熟，心电信号调理电路出现了前级采用直流耦合、后面再加高精度ADC（通常是20bit以上）变换的结构；但是，该种结构存在以下缺陷：为了适应较大的抗极化电压，进入ADC之前的增益通常只能设计为4~6倍，这样一来，便抵消了使用高精度ADC带来的优势，不能使有用信号充分利用高精度ADC的转换范围，导致整体信噪比不高。
发明内容
本发明针对现有的心电信号调理电路不能充分利用高精度ADC的转换范围、整体信噪比不高等问题，提供一种多导联ECG信号调理与数据采集电路。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种多导联ECG信号调理与数据采集电路，包括ADC转换器电路、RAM MCU处理器，所述的ADC转换器电路设置有多个模拟输入通道，与ADC转换器电路的模拟输入通道相对应设置有多个心电模拟前端单元，还包括有控制锁存器，所述的心电模拟前端单元包括保护与缓冲电路、导联信号测量/校准切换电路、前置放大电路、高通滤波电路和末级放大滤波电路，所述ADC转换器电路通过SPI-I接口与RAMMCU处理器相连接，所述的RAM MCU处理器通过SPI-II接口与控制锁存器的输入端相连接，ADC转换器电路的输出控制端分别与多个心电模拟前端单元中的导联信号测量/校准切换电路的一个输入端、高通滤波电路的一个输入端相连接，所述的控制锁存器输出端与多个心电模拟前端单元中的末级放大滤波电路的一个输入端相连接，同一个心电模拟前端单元中保护与缓冲电路的输出端与导联信号测量/校准切换电路的另一个输入端相连接，该导联信号测量/校准切换电路的输出端与前置放大电路的输入端相连接，该前置放大电路的输出端与高通滤波电路的另一个输入端相连接，该高通滤波电路的输出端与末级放大滤波电路的另一个输入端相连接，该末级放大滤波电路的输出端与相对应的ADC转换器电路的模拟输入通道相连接。
所述的导联信号测量/校准切换电路包括模拟开关ⅠU3、电阻R201和电阻R5，所述的模拟开关ⅠU3为双路四选一开关，所述的电阻R201一端与LL左腿电极相连接，电阻R201另一端与模拟开关ⅠU3中X通道源的X1、X2相连接，所述的电阻R5一端接地，电阻R5另一端与模拟开关ⅠU3中Y通道源的Y0相连接，所述模拟开关ⅠU3中X通道的输出端I_P与该心电模拟前端单元中的前置放大电路的正相输入端相连接，模拟开关ⅠU3中Y通道的输出端I_N与该心电模拟前端单元中的前置放大电路的反相输入端相连接。
所述的前置放大电路包括仪表放大器U4、电阻R121、电阻R281、电阻R282、电容C170、电容C25和电容C28，所述电阻R121两端分别连接到仪表放大器U4的2脚和3脚，所述电容C170两端分别连接到仪表放大器U4的1脚和4脚，所述电阻R281一端作为前置放大电路的正相输入端，电阻R281另一端连接到仪表放大器U4的1脚，所述电阻R282一端作为前置放大电路的反相输入端，电阻R282另一端连接到仪表放大器U4的4脚，所述电容C25的两端分别连接仪表放大器U4的5脚和地，所述电容C28的两端分别连接仪表放大器U4的8脚和地，所述仪表放大器U4的输出端I_INA_OUT作为前置放大电路的输出端与该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输入端相连接。
所述的高通滤波电路包括模拟开关ⅡU32、电容C210、电容C36、电阻R180和电阻R189，所述电容C210的耦合输出端I_HP_OUT作为该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输出端，电容C210的另一端作为该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输入端与前置放大电路的输出端相连接，所述模拟开关ⅡU32的2脚与电容C210的耦合输出端I_HP_OUT相连接，模拟开关ⅡU32的1脚与电阻R189相连接，所述电阻R189的另一端接地，模拟开关ⅡU32的4脚作为高通滤波电路的一个输入端与ADC转换器电路的输出控制端相连接，所述的电阻R180一端与电容C210的耦合输出端I_HP_OUT相连接，电阻R180另一端接地，所述的电容C36一端接模拟开关ⅡU32的5脚，电容C36另一端接地。
所述的末级放大滤波电路包括运放U72A、模拟开关ⅢU25、电阻R8、电阻R141、电阻R145、电阻R137、电阻R10、电阻R148、电容C34、电容C35、电容C138，所述的模拟开关ⅢU25内含三组2选一开关，所述运放U72A的3脚通过电阻R10与该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输出端相连接，运放U72A的2脚与模拟开关ⅢU25的14脚相连接，所述电容C34的两端分别连接运放U72A的8脚和地，所述电容C35的两端分别连接运放U72A的4脚和地，运放U72A的1脚分别连接电阻R148一端和电阻R137一端，所述电阻R137另一端与R145一端相连接，所述电阻R145的另一端分别与电阻R141一端和LG_I相连接，所述电阻R141另一端分别与电阻R8一端和HG_I相连接，电阻R8另一端接地，所述电阻R148的另一端分别与容电C138一端和I_AIN相连接，该I_AIN作为该心电模拟前端单元中的末级放大滤波电路的输出端，所述的电容C138的另一端接地，LG_I与模拟开关ⅢU25的12脚相连， HG_I与模拟开关ⅢU25的13脚相连，模拟开关ⅢU25的11脚HG_nLG_I作为该心电模拟前端单元中的末级放大滤波电路的一个输入端与控制锁存器输出端相连接。
所述的ADC转换器电路为24bit高速ADC电路，其包括24位精度高速ADC芯片U59、电阻R36和电容C281，所述电阻R36一端与芯片U59的25脚相连接，电阻R36另一端接地，所述的电容C281一端与芯片U59的7脚连接，电容C281另一端接地。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明中心电模拟前端单元包括保护与缓冲电路、导联信号测量/校准切换电路、前置放大电路、高通滤波电路和末级放大滤波电路。既可以充分利用高精度ADC转换器电路的动态范围转换有用信号得到很高的信噪比，又可以适当降低耦合电容的性能和体积；并通过通道校准以及在后级提供的变增益放大，来得到需要的信号动态范围，提高信噪比（SNR），并最终得到较高信噪比（SNR）的数字信号，为后续各种DSP的进一步降噪处理以及参数计算提供良好基础。
附图说明
图1是本发明结构框图。
图2是本发明中导联信号测量/校准切换电路电路原理图。
图3是本发明中前置放大电路电路原理图。
图4是本发明中高通滤波电路电路原理图。
图5是本发明中末级放大滤波电路电路原理图。
图6是本发明中ADC转换器电路电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，一种多导联ECG信号调理与数据采集电路，包括ADC转换器电路、RAM MCU处理器和控制锁存器。所述的ADC转换器电路设置有多个模拟输入通道，与ADC转换器电路的模拟输入通道相对应设置有多个心电模拟前端单元；本图1为12导联8个心电模拟前端单元。所述的心电模拟前端单元包括保护与缓冲电路、导联信号测量/校准切换电路、前置放大电路、高通滤波电路和末级放大滤波电路。所述ADC转换器电路的SPI接口与RAM MCU处理器相连接，所述的RAM MCU处理器通过SPI-II接口与控制锁存器的输入端相连接；所述的RAM MCU处理器为32bit的RAM MCU，RAM MCU处理器通过SPI-II口输出控制信号到控制锁存器。ADC转换器电路的输出控制端分别与多个心电模拟前端单元中的导联信号测量/校准切换电路的一个输入端、高通滤波电路的一个输入端相连接；所述的控制锁存器输出端与多个心电模拟前端单元中的末级放大滤波电路的一个输入端相连接。同一个心电模拟前端单元中保护与缓冲电路的输出端与导联信号测量/校准切换电路的另一个输入端相连接，该导联信号测量/校准切换电路的输出端与前置放大电路的输入端相连接，该前置放大电路的输出端与高通滤波电路的另一个输入端相连接，该高通滤波电路的输出端与末级放大滤波电路的另一个输入端相连接，该末级放大滤波电路的输出端与相对应的ADC转换器电路的模拟输入通道相连接。
参见图2，所述的导联信号测量/校准切换电路包括ⅠU3、电阻R201和电阻R5；所述的模拟开关ⅠU3为双路四选一开关，模拟开关ⅠU3的输入有X0～X3以及Y0～Y3共两组、输出分别为X和Y，其由控制信号SW0和SW1控制。所述的电阻R201一端与LL左腿电极相连接，电阻R201另一端与模拟开关ⅠU3中X通道源的X1、X2相连接；所述的电阻R5一端接地，电阻R5另一端与模拟开关ⅠU3中Y通道源的Y0相连接；X通道源的X0连接CAL校准信号，X通道源的X3连接LA左手电极；Y通道源的Y1连接RA右手电极、Y2连接LA左手电极、Y3连接RA右手电极。所述模拟开关ⅠU3中X通道的输出端I_P与该心电模拟前端单元中的前置放大电路的正相输入端相连接，模拟开关ⅠU3中Y通道的输出端I_N与该心电模拟前端单元中的前置放大电路的反相输入端相连接；当SW0和SW1改变状态，分别可以切换到校准信号、I导联、II导联。当SW0SW1=00时，X=X0=CAL、Y=Y0，Y0通过电阻R5接地，选通的是校准信号；当SW0SW1=01时，X=X1=LL、Y=Y1=RA，选通的是II导联；当SW0SW1=10时，X=X2=LL、Y=Y2=LA，选通的是III导联；当SW0SW1=11时，X=X3=LA、Y=Y3=RA，所以选通的是I导联；选通后的信号I_P和I_N连接到前置放大电路。
参见图3，所述的前置放大电路包括仪表放大器U4、电阻R121、电阻R281、电阻R282、电容C170、电容C25和电容C28，本前置放大电路增益A1约为10倍。所述电阻R121两端分别连接到仪表放大器U4的2脚和3脚，所述电容C170两端分别连接到仪表放大器U4的1脚和4脚。所述电阻R281一端作为前置放大电路的正相输入端连接到该心电模拟前端单元中导联信号测量/校准切换电路的模拟开关ⅠU3中的X通道的输出端I_P脚，电阻R281另一端连接到仪表放大器U4的1脚；所述电阻R282一端作为前置放大电路的反相输入端连接到该心电模拟前端单元中导联信号测量/校准切换电路的模拟开关ⅠU3中的Y通道的输出端I_N，电阻R282另一端连接到仪表放大器U4的4脚。所述电容C25的两端分别连接仪表放大器U4的5脚和地，所述电容C28的两端分别连接仪表放大器U4的8脚和地。仪表放大器U4的5脚连接电源A-5V，仪表放大器U4的8脚连接电源A+5V，仪表放大器U4的参考端6接地。所述仪表放大器U4的输出端I_INA_OUT作为前置放大电路的输出端与该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输入端相连接。来自导联信号测量/校准切换电路的信号通过本前置放大电路进行第一级放大；I_P和I_N分别来自导联信号测量/校准切换电路的的模拟开关输出；电阻R281/R282是隔离电阻；电阻R121是仪表放大器U4的增益电阻，决定仪表放大器U4放大增益，保证增益基本在10左右；电容C170是差摸滤波电容，用于去掉差摸噪声干扰，滤掉高频干扰。
参见图4，所述的高通滤波电路包括模拟开关ⅡU32、电容C210、电容C36、电阻R180和电阻R189。所述电容C210的耦合输出端I_HP_OUT作为该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输出端，电容C210的另一端作为该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输入端与前置放大电路的输出端相连接，所述模拟开关ⅡU32的2脚与电容C210的耦合输出端I_HP_OUT相连接，模拟开关ⅡU32的1脚与电阻R189相连接；所述电阻R189的另一端接地。模拟开关ⅡU32的4脚作为高通滤波电路的一个输入端与ADC转换器电路的输出控制端SW7相连接，模拟开关ⅡU32由ADC转换器电路的输出控制端SW7信号控制。所述的电阻R180一端与电容C210的耦合输出端I_HP_OUT相连接，电阻R180另一端接地；所述的电容C36一端接模拟开关ⅡU32的5脚，电容C36另一端接地。正常情况下，ADC转换器电路的输出控制端SW7为低，模拟开关ⅡU32的Z端与Y端断开，电容C210与电阻R180构成CR高通滤波，其截至频率为0.05Hz；当ADC转换器电路的输出控制端为高时，模拟开关ⅡU32的Z端与Y端联通，电容C210与电阻R189、电阻R180（R180阻值较大忽略）构成CR高通滤波，其截至频率约为0.5Hz；因此，本高通滤波电路根据测量需要可以改变截至频率。
参见图5，所述的末级放大滤波电路包括运放U72A、模拟开关ⅢU25、电阻R8、电阻R141、电阻R145、电阻R137、电阻R10、电阻R148、电容C34、电容C35、电容C138；所述的模拟开关ⅢU25内含三组2选一开关，分别由控制信号HG_nLG_I、HG_nLG_II、HG_nLG_V1控制。本末级放大滤波电路增益A2可调节。所述运放U72A的3脚通过电阻R10与该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输出端I_HP_OUT相连接，运放U72A的2脚与模拟开关ⅢU25的14脚相连接。所述电容C34的两端分别连接运放U72A的8脚和地，U72A的8脚接电源A+5V；所述电容C35的两端分别连接运放U72A的4脚和地，U72A的4脚接电源A-5V。运放U72A的1脚分别连接电阻R148一端和电阻R137一端，所述电阻R137另一端与R145一端相连接；所述电阻R145的另一端分别与电阻R141一端和LG_I相连接，所述电阻R141另一端分别与电阻R8一端和HG_I相连接，电阻R8另一端接地。所述电阻R148的另一端分别与容电C138一端和I_AIN相连接，所述的电容C138的另一端接地；该I_AIN作为该心电模拟前端单元中的末级放大滤波电路的输出端。LG_I与模拟开关ⅢU25的12脚相连，HG_I与模拟开关ⅢU25的13脚相连；模拟开关ⅢU25的11脚HG_nLG_I作为该心电模拟前端单元中的末级放大滤波电路的一个输入端与控制锁存器输出端相连接。运放U72A连接成同相放大器，其反馈电阻网络由模拟开关ⅢU25控制，当HG_nLG_I信号为高时，HG_I与G_I联通，运放U72A放大较大倍数；当HG_nLG_I信号为低时，LG_I与G_I联通，运放U72A放大较小倍数。具体的，以I通道为例，X0=LG_I、X1=HG_I、X=G_I，这几个信号都接到运放U72A的反馈电阻网络中，当HG_nLG_I=0时，X=X0，即G_I与LG_I连通，运放U72A的反馈电阻由R137和R145构成，电阻R8和R141则构成反相端接地电阻，运放U72A的增益=1+（R137+R145）/( R141+R8)； 当HG_nLG_I=1时，X=X1，即G_I与HG_I连通，运放U72A的反馈电阻由R137 、R145和R141构成，运放U72A反相端通过电阻R8接地，运放U72A的增益=1+（R137+R145+R141）/R8；比较两个增益，可以看到当HG_nLG_I=1时运放增益较大，这就满足了信号幅度变化后的测量要求；因此，本末级放大滤波电路根据测量需要可以改变增益。同时，电阻R148和电容C138构成了RC低通滤波器，其截至频率使得信号进行ADC转换时不会发生混迭。
参见图6，所述的ADC转换器电路为24bit高速ADC电路，其包括24位精度高速ADC芯片U59、电阻R36和电容C281。所述的24位精度高速ADC芯片U59是一个内含16选1模拟输入开关的24位ADC芯片，该芯，片U59的模拟开关可以自动高速切换通道，满足多路心电信号的同步采集；在自动扫描模式下，其单通道数据率能达到20kSPS，满足心电图机1kSPS的采样率要求；它有多达16个模拟输入通道，能满足12导及以上ECG信号的转换要求。所述电阻R36一端与芯片U59的25脚相连接，电阻R36另一端接地；所述的电容C281一端与芯片U59的7脚连接，电容C281另一端接地。所述芯片U59的AIN0～AIN7与相对应的心电模拟前端单元中的末级放大滤波电路的输出端I_AIN相连接。芯片U59的14脚到21脚分别连接通道切换控制信号SW0-SW7，芯片U59的22脚到24脚分别连接RAM MCU处理器的SPI-1；RAM MCU处理器通过SPI口控制芯片U59工作，并得到各个通道的实时转换数据。
参见图1-图6，本发明中交流耦合配合24bit高速ADC电路的ECG信号调理与处理电路，既可以充分利用高精度ADC转换器电路的动态范围转换有用信号得到很高的信噪比，又可以适当降低耦合电容的性能和体积；并通过通道校准以及在后级提供的变增益放大，来得到需要的信号动态范围，提高信噪比（SNR），并最终得到较高信噪比（SNR）的数字信号，为后续各种DSP的进一步降噪处理以及参数计算提供良好基础。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种多导联ECG信号调理与数据采集电路，包括ADC转换器电路、RAM MCU处理器，所述的ADC转换器电路设置有多个模拟输入通道，与ADC转换器电路的模拟输入通道相对应设置有多个心电模拟前端单元，其特征在于：还包括有控制锁存器，所述的心电模拟前端单元包括保护与缓冲电路、导联信号测量/校准切换电路、前置放大电路、高通滤波电路和末级放大滤波电路，所述ADC转换器电路通过SPI-I接口与RAM MCU处理器相连接，所述的RAMMCU处理器通过SPI-II接口与控制锁存器的输入端相连接，ADC转换器电路的输出控制端分别与多个心电模拟前端单元中的导联信号测量/校准切换电路的一个输入端、高通滤波电路的一个输入端相连接，所述的控制锁存器输出端与多个心电模拟前端单元中的末级放大滤波电路的一个输入端相连接，同一个心电模拟前端单元中保护与缓冲电路的输出端与导联信号测量/校准切换电路的另一个输入端相连接，该导联信号测量/校准切换电路的输出端与前置放大电路的输入端相连接，该前置放大电路的输出端与高通滤波电路的另一个输入端相连接，该高通滤波电路的输出端与末级放大滤波电路的另一个输入端相连接，该末级放大滤波电路的输出端与相对应的ADC转换器电路的模拟输入通道相连接；所述的导联信号测量/校准切换电路包括模拟开关ⅠU3、电阻R201和电阻R5，所述的模拟开关ⅠU3为双路四选一开关，所述的电阻R201一端与LL左腿电极相连接，电阻R201另一端与模拟开关ⅠU3中X通道源的X1、X2相连接，所述的电阻R5一端接地，电阻R5另一端与模拟开关ⅠU3中Y通道源的Y0相连接，所述模拟开关ⅠU3中X通道的输出端I_P与该心电模拟前端单元中的前置放大电路的正相输入端相连接，模拟开关ⅠU3中Y通道的输出端I_N与该心电模拟前端单元中的前置放大电路的反相输入端相连接；所述的前置放大电路包括仪表放大器U4、电阻R121、电阻R281、电阻R282、电容C170、电容C25和电容C28，所述电阻R121两端分别连接到仪表放大器U4的2脚和3脚，所述电容C170两端分别连接到仪表放大器U4的1脚和4脚，所述电阻R281一端作为前置放大电路的正相输入端，电阻R281另一端连接到仪表放大器U4的1脚，所述电阻R282一端作为前置放大电路的反相输入端，电阻R282另一端连接到仪表放大器U4的4脚，所述电容C25的两端分别连接仪表放大器U4的5脚和地，所述电容C28的两端分别连接仪表放大器U4的8脚和地，所述仪表放大器U4的输出端I_INA_OUT作为前置放大电路的输出端与该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输入端相连接；所述的高通滤波电路包括模拟开关ⅡU32、电容C210、电容C36、电阻R180和电阻R189，所述电容C210的耦合输出端I_HP_OUT作为该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输出端，电容C210的另一端作为该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输入端与前置放大电路的输出端相连接，所述模拟开关ⅡU32的2脚与电容C210的耦合输出端I_HP_OUT相连接，模拟开关ⅡU32的1脚与电阻R189相连接，所述电阻R189的另一端接地，模拟开关ⅡU32的4脚作为高通滤波电路的一个输入端与ADC转换器电路的输出控制端相连接，所述的电阻R180一端与电容C210的耦合输出端I_HP_OUT相连接，电阻R180另一端接地，所述的电容C36一端接模拟开关ⅡU32的5脚，电容C36另一端接地；所述的末级放大滤波电路包括运放U72A、模拟开关ⅢU25、电阻R8、电阻R141、电阻R145、电阻R137、电阻R10、电阻R148、电容C34、电容C35、电容C138，所述的模拟开关ⅢU25内含三组2选一开关，所述运放U72A的3脚通过电阻R10与该心电模拟前端单元中的高通滤波电路的输出端相连接，运放U72A的2脚与模拟开关ⅢU25的14脚相连接，所述电容C34的两端分别连接运放U72A的8脚和地，所述电容C35的两端分别连接运放U72A的4脚和地，运放U72A的1脚分别连接电阻R148一端和电阻R137一端，所述电阻R137另一端与R145一端相连接，所述电阻R145的另一端分别与电阻R141一端和LG_I相连接，所述电阻R141另一端分别与电阻R8一端和HG_I相连接，电阻R8另一端接地，所述电阻R148的另一端分别与容电C138一端和I_AIN相连接，该I_AIN作为该心电模拟前端单元中的末级放大滤波电路的输出端，所述的电容C138的另一端接地，LG_I与模拟开关ⅢU25的12脚相连， HG_I与模拟开关ⅢU25的13脚相连，模拟开关ⅢU25的11脚HG_nLG_I作为该心电模拟前端单元中的末级放大滤波电路的一个输入端与控制锁存器输出端相连接；所述的ADC转换器电路为24bit高速ADC电路，其包括24位精度高速ADC芯片U59、电阻R36和电容C281，所述电阻R36一端与芯片U59的25脚相连接，电阻R36另一端接地，所述的电容C281一端与芯片U59的7脚连接，电容C281另一端接地。
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