人體心肌產生的電信號傳導到體表之後
，由於在體表分布的不同而產生電位差，將這種電壓隻有mV級別的電位差放大並繪製成圖，就得到了心電圖（ECG）。心電圖在心血管疾病的臨床診斷中有非常重要的作用。通常采用的心電圖按照導聯數分有單導聯，三導聯，五導聯以及十二導聯等等
；按照精度分常用的有8位和12 位精度等等。單導聯
，精度低的心電圖常用於進行心電監控以及心率測量。12位高精度的心電圖由於可以反映出心電的細微變化
，被更加廣泛地應用於臨床診斷、心電分析等地方。

 

由於心電幅度隻有mV量級，需要放大上千倍才能被觀察到
，並且人體的內阻比較大，因此一個高阻抗
、高增益的放大器是準確獲取心電信號的關鍵。而周圍環境中充滿了各種各樣的電磁幹擾，會嚴重影響微弱的ECG信號

，而其中最為嚴重的是市電電源的50Hz（部分國家為60Hz）的幹擾。如何避免這些幹擾也是心電放大器設計所必須考慮的問題。此外

，進行高精度的AD轉換也是關鍵的步驟
，特別是對於12bit的ECG放大器。在一些便攜式應用中，功耗也是需要考慮的因素。

 

TI公司生產的MSP430F13X、MSP430F14X係列微功耗混和信號單片機，由於具有速度快（8MIPS/16bit），集成度高（Flash，RAM，16bit Timer，8通道12bit ADC以及UART等）、極低功耗等特點，因此非常適合於ECG放大器一類的應用。MSP430F14X係列單片機由於具有硬件乘法器
，因此具備一定的 DSP功能，可以ECG信號進行濾波等預處理。

 

下圖是三導聯ECG放大器的框圖：

ECG放大器通常由緩衝級
、匹配電阻網絡、放大
、濾波、電平位移以及模數轉換等幾級構成。

 

dianjicaijidaodexindianxinhaoshouxianjinruhuanchongji。huanchongjikeyitigaozhenggefangdadianludeshuruzukang
，jiangdishuchuzukang
，zheyangjiukeyizaihoumiandepipeidianzuwangluozhongdedaofuzhijiaogaodexinhao。pipeidianzuwangluotongchangcaiyongweierxundianzhongxinduanwangluo
，tatongguotedingdedianzuwangluohuodeweierxundianzhongxinduanzuoweizhenggeECG係統的參考點。

 

放大級通常包括一級用AD620等儀表放大器構成的初級差分放大和TL084等deng通tong用yong運yun放fang構gou成cheng的de主zhu放fang大da級ji。由you於yu體ti表biao液ye體ti與yu電dian極ji之zhi間jian可ke能neng形xing成cheng原yuan電dian池chi，致zhi使shi電dian極ji之zhi間jian存cun在zai固gu定ding的de電dian位wei差cha，因yin此ci第di一yi級ji差cha分fen放fang大da的de增zeng益yi不bu能neng太tai高gao，否fou則ze容rong易yi飽bao和he。通tong常chang這zhe一yi級ji增zeng益yi選xuan10左右。在第一級和第二級之間必須進行直流隔離。第二級采用同相放大電路，增益可以高達100倍，這樣整個電路放大倍數可以達到1000倍。

 

由於信號中混有各種幹擾噪聲會影響ECG的有用信號，因此需要對這些噪聲進行濾波。噪聲來源主要有兩類

，一類是各種電子設備輻射出的高頻噪聲，一種是市電的50Hz噪聲

，通常情況下後者影響尤為明顯。對這些噪聲的濾波需要用到低通濾波器和50Hz帶阻濾波器。ECG的低通濾波器通常情況下截至頻率選擇在 100Hz以yi下xia
，少shao數shu情qing況kuang下xia會hui用yong到dao更geng高gao的de頻pin率lv。低di通tong濾lv波bo和he放fang大da可ke在zai同tong一yi級ji運yun放fang中zhong實shi現xian。帶dai阻zu濾lv波bo器qi對dui最zui終zhong信xin號hao的de質zhi量liang尤you為wei重zhong要yao，由you於yu帶dai阻zu濾lv波bo器qi的de特te性xing參can數shu對dui元yuan器qi件jian的de精jing度du很hen敏min感gan

，因yin此ci在zai這zhe一yi級ji的de設she計ji中zhong需xu要yao用yong到dao精jing密mi的de阻zu容rong原yuan件jian，還hai常chang常chang需xu要yao多duo級ji級ji聯lian來lai獲huo得de較jiao好hao的de效xiao果guo。

 

上訴幾級電路都是在零偏置條件下工作
，因此輸出信號幅值有正有負。而進入ADC的信號必須是單端的，因此需要用加法器將雙端的信號位移使之成為單端信號。

 

經過放大、濾波、位移之後的信號輸入MSP430F133的A0-A2端進行數模轉換。轉換采用MSP430的順序轉換模式
，采樣頻率可以用時鍾中斷來進行控製。若需要100Hz的有用信號
，則應選擇采樣率為200Hz。

 

下圖是實際測量得到的心電圖信號：

 

 

從上圖可以看出
，心電信號清晰穩定
，完全可以滿足臨床監護以及病理分析的要求。

 

在上述電路中
，想要獲得清晰穩定的心電信號
，濾波器的設計很關鍵
，特別是50Hz的(de)帶(dai)阻(zu)濾(lv)波(bo)器(qi)尤(you)其(qi)重(zhong)要(yao)。帶(dai)阻(zu)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)電(dian)路(lu)比(bi)較(jiao)複(fu)雜(za)，特(te)性(xing)受(shou)外(wai)圍(wei)組(zu)容(rong)元(yuan)件(jian)影(ying)響(xiang)較(jiao)大(da)，因(yin)此(ci)采(cai)用(yong)模(mo)擬(ni)設(she)計(ji)往(wang)往(wang)不(bu)太(tai)容(rong)易(yi)獲(huo)得(de)很(hen)好(hao)的(de)特(te)性(xing)。並(bing)且(qie)由(you)於(yu)使(shi)用(yong)環(huan)境(jing)的(de)差(cha)異(yi)，例(li)如(ru)我(wo)國(guo)市(shi)電(dian)是(shi)50Hz而許多國家是60Hz
，因(yin)此(ci)導(dao)致(zhi)產(chan)品(pin)的(de)通(tong)用(yong)性(xing)差(cha)。如(ru)果(guo)能(neng)夠(gou)采(cai)用(yong)數(shu)字(zi)濾(lv)波(bo)器(qi)
，不(bu)僅(jin)穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)問(wen)題(ti)可(ke)以(yi)迎(ying)刃(ren)而(er)解(jie)
，並(bing)且(qie)對(dui)於(yu)不(bu)同(tong)的(de)使(shi)用(yong)環(huan)境(jing)隻(zhi)需(xu)要(yao)對(dui)軟(ruan)件(jian)進(jin)行(xing)修(xiu)改(gai)就(jiu)可(ke)以(yi)了(le)
，這(zhe)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)硬(ying)件(jian)設(she)計(ji)複(fu)雜(za)程(cheng)度(du)和(he)成(cheng)本(ben)，還(hai)能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)產(chan)品(pin)的(de)通(tong)用(yong)性(xing)。

 

MSP430F14X係列單片機，內置了16bit乘法器，因此具備了一定的DSP功能
，可以用來進行數字濾波等運算密集型的應用。我們利用MSP430F147設計了一種單導聯的心電放大器，取得了很好的效果。

 

這種ECG放fang大da器qi的de前qian極ji放fang大da電dian路lu跟gen前qian麵mian所suo述shu的de三san導dao聯lian放fang大da器qi電dian路lu類lei似si，都dou由you緩huan衝chong器qi，電dian阻zu網wang絡luo，差cha分fen放fang大da以yi及ji主zhu放fang大da級ji等deng。兩liang級ji放fang大da均jun采cai用yong低di通tong網wang絡luo進jin行xing了le低di通tong濾lv波bo，截jie止zhi頻pin率lv選xuan擇ze在zai80Hz。不同的是，這個電路中省去了50Hz帶阻濾波器，這使得電路中組容元件的數量減少了40％
，並且獲得了模擬濾波器所無法比擬的優良特性。

該電路中ADC采樣頻率為200Hz。采用四階切比雪夫濾波器，通帶選擇在45-55Hz之間，可以得到傳遞函數為：

 

對應差分方程為：

 

上述傳遞函數的幅頻和相頻特性如下圖所示：

 

 

由於MSP430F147隻能進行定點運算，所以在處理上述查分方程時，必須將其變換為整數運算。將各部分係數均乘以4096，取整數部分，運算得到的結果再采用右位移12位的方法得到最終結果，運算代碼如下：

 

y[k] = (3318*x[k] + 6636*x[k-2] + 3318*x[k-4]

 

6913*y[k-2] – 3049*y[k-4])>>12

 

其中的乘法運算要采用MSP430的硬件乘法器來實現才能保證運算速度。

 

在係統時鍾為8MHz
，采樣頻率為200Hz條件下，該數字濾波器所得到的結果如下：

 

圖四 數字濾波器的性能

 

 

圖四中下半部分是人為加入強烈的50Hz幹擾後的心電圖。上半部分是經過MSP430F147進行數字濾波後的心電圖
，可以看出，濾波的效果非常理想，完全可以達到臨床實用的要求。圖5是處理前和處理後的頻譜，可以看出，信號在50Hz的地方被很好地抑止了。

 

唯一讓人覺得美中不足的是，MSP430F147的處理能力隻能夠實時處理單導聯的ECG信號，對於多導聯的運算能力則顯得不足。對於多導聯應用，需要考慮采用DSP進行處理。