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解读交流耦合和直流耦合ECG电路

来源于ADI的一篇文档1,关于交流耦合和直流耦合电路的介绍

心电信号的采集电路,从信号链的架构上可以分为两类:交流耦合、直流耦合。

交流耦合

交流耦合电路使用分立器件,使用电容的隔直功能将心电信号提取出来。基本架构如下图所示。

信号通过抗除颤、抗静电保护,经过低通滤除高频干扰,进入全差分放大电路低倍放大后,使用高通滤除低频干扰,然后经过高倍放大,最后进入低精度ADC转换为数字信号。

由于使用了电容的交流耦合功能,对于低频的肌电干扰、工频干扰和基线漂移抑制作用较低。因为高通的截止频率设置的为心电的最低频率0.1Hz左右,对于50Hz/60Hz、1Hz这种信号无法滤除,电路本身的缺点导致信号的质量不佳。

上面的架构,为了提高信号质量,也要做屏蔽驱动、右腿驱动电路,甚至需要做WCT(威尔逊中心点)。

使用TI-TINA对该架构进行仿真,如下图所示。

将皮肤阻抗,线缆分布电容、电阻都考虑在内,使用屏蔽驱动和右腿驱动,通过差分放大(此时输出的信号为直流耦合信号),经过大电容耦合(此时为交流耦合信号),最终经过高倍放大输出信号。

差分放大11倍,后级放大80倍,总共880倍。

使用真实信号进行仿真,结果如下图所示。

VG1为共模工频干扰,经过屏蔽驱动和右腿驱动后输出反相信号VF2,正好与VG1抵消。从结果上看工频干扰已被滤除,心电信号经过前级匹配电路时有衰减,但是经过后级放大,信号范围为:2~4V,已达到常规ADC的识别范围。

再来分析下CMRR,将差分的正相、反相输出短路,使用VG1作为共模输入信号,仿真VF1的频率特性,对右腿电路中的RG进行扫描仿真(设置值范围为100K~10M)。如下图所示。

可见,对于1kHz以下的信号,CMRR<-100dB,抑制能力很高。

下面对稳定性进行仿真(将屏蔽驱动去掉),如下图所示。

可见,使用初始条件(1mV)进行仿真会出现震荡,说明右腿不稳定。

给右腿加上相位补偿后,如下图所示。

通过稳定性分析,如下图所示(这里使用4的仿真方式,与TI教程中所述不同,后续会对稳定性分析进行说明)。

Aol与1/β的幅频曲线滚降差值小于40dB/Decade,系统为稳定状态。至于相位补偿的值可以参考2来设定。

对于消费类电子,上面的优化可以省略,右腿驱动直接接地,然后对地取各肢体导联的信号,最终通过加减法算出通道的值。

在ADI的文档中如下图所示。

该消费类对于干扰抑制较低,只有在平静且空旷的环境或者家居环境下才能达到较好的效果。

交流耦合电路需要将心电信号放大到MCU内部ADC的识别要求,一般需要放到800~1000倍甚至更高,以达到ADC采样要求。当然放大倍数越高导致噪声放大越高,共模抑制比相应降低,而低精度的ADC转换后的信号质量也会降低。

直流耦合

直流耦合电路相对来说简单许多,其通过保护电路后,直接经过低通滤波,然后进入集成芯片中。

当然,集成芯片内部的电路架构跟交流的相似,都是内部差分放大、内部WCT和RLD。但是直流耦合不适用高通滤波器来拾取心电信号,而是直接获取整个带直流的信号,经过算法处理来达到基线纠偏、高频滤波等功能。

直流耦合内部使用ΣΔ ADC,可以达到很高位数(高精度),可以获取到uV甚至nV级别的信号。而心电信号本身只有mV,高精度的ADC采样能获取准确的心电信号。多余的工作交给算法来处理,可以极大的降低硬件成本,而效果还可以得到提高。

直流耦合和交流耦合比较如下表所示。

目前,大部分心电电路使用直流耦合架构,然后使用专业的算法来处理数据。

以上仿真文件,见3