- 低噪声便携式的心电监护仪的设计

从心电电极得到的心电信号先要经过前置放大电路，被处理后的信号具有低噪声、低漂移、低共模抑制比等性能。这时候的心电信号主要受到工频、肌电等信号的干扰。心电信号需经过两次陷波和两次滤波以实现消噪的目的，两次陷波分别滤掉50 Hz的工频信号和100 Hz的倍频谐波信号，两个滤波器分别是0．05 Hz高通滤波器和100 Hz的低通滤波器。这样可得到较为光滑的波形。

2．6．1 陷波电路

用陷波器，即电感电容串联谐振电路。串联谐振的特征是：对谐振的频率信号阻抗为0,对其它频率信号阻抗为∞；把串联谐振电路接在信号通道与地之间，并谐振于干扰信号频率，这样，干扰信号就被谐振电路短路入地，对其它频率信号无影响。

陷波器的电路如图3所示，该电路是带双T网络的有源滤波器，其传递函数：

与以往双T型陷波器不同的是，该电路引入放大器A2形成正反馈，以减小阻带宽度，使得阻带中心频率附近两边的幅值增大。品质因数Q可以通过变阻器Rw来调节。R和C的值可由中心频率f0确定。

当f0=50 Hz时，C和R分别取O．068μF和47 kΩ；f0=100 Hz时，C和R分别取O．068μF和24 kΩ。

图4为式（1）传递函数的Filterlab 2．0的仿真结果。由此可以看出陷波电路设计符合要求。

2．6．2 带通滤波电路

滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C,或与负载串联电感器L,以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经典滤波和现代滤波。经典滤波的概念，是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。

带通滤波器电路如图5所示，采用的是带反馈的有源滤波器。该电路前半部分是0．05 Hz的高通滤波器，后半部分为100 Hz的低通滤波器。

高通滤波器的传递函数：

各电阻电容值的选取，除了能够滤波以外还具有放大作用。以上全部电路所用的放大器均是TI公司的OPA2137。

图6是Matlab的滤波仿真结果，从图中可以看出，信号在50 Hz处被很好地抑制了，滤波的效果非常理想，完全可以达到临床实用的要求。

滤波器对最终信号的质量尤为重要，由于滤波器的性能对元器件的误差相当灵敏，因此在这一级的设计中需要选用稳定而精密的阻容原件，可串联精密电位器以获得较好的效果。

3 结 语

电路中各滤波器的性能与滤波器的参数有直接关系，需经过正确计算。陷波器双T型网络中的电阻和电容需要精确匹配，以保证双T网络的对称，否则陷波深度会受影响。变阻器如何调节将会影响波形的好坏，可在实验中调试得出。

图7是实际电路测试的结果（纵坐标为μV），可以看到该电路较好地完成了对心电的降噪。当然，在降噪过程中还可以增加屏蔽技术，以进一步减少外部信号的干扰。带通滤波器还可以设计成只带一个放大器的滤波器，使电路更为简单，但是精确率可能会降低。

要想获得清晰稳定的心电信号，心电放大器中前置放大器与滤波器的设计很关键，特别是50 Hz的带阻滤波器尤其重要。本文设计的以AD620型运放构成的心电放大器可实现输出电压高增益、低噪声、高灵敏度，保证心电信号清晰稳定，按上述设计制作出的监护仪体积小、耗电少、携带方便、工作正常。经实测输出心电波形基本无失真，P波、T波都能得到真实显示。特别是该电路抗50 Hz陷波性能好，信号中基本看不到寄生工频干扰。电路稳定性好，即使电极脱落，基线亦无明显漂移。满足家居监护以及病理分析的要求。

作为便携式监护仪器，硬件结构简单、体积便于携带是其自身固有的特点。本文针对这些特点，心电信号采集存储和数据处理从节省电能和成本方面考虑采用MSP430单片机。为使滤波函数得以更好地实现，可采用具有运算速度快和浮点运算优点的DSP芯片进行改进，使采集的信号失真更小，保真度更高，对ECG信号的采集准确率大大提高，但DSP昂贵的价格会使成本提高。