利用MAX11040K同步采樣Σ-ΔAD簡化心電圖儀的應(yīng)用設(shè)計(jì)

本應(yīng)用筆記介紹了心電圖（ECG）的基本工作原理，討論了干擾ECG信號的因素，以及提高可靠性、實(shí)現(xiàn)高精度電氣特性的難點(diǎn)。業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的ECG架構(gòu)是采用模擬前端和ADC組合而成的解決方案。本文介紹的MAX11040K同步采樣Σ-ΔADC提供了一個引人注目的亮點(diǎn)，即其高度集成的解決方案省去了AFE，節(jié)省空間的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)成本。

概述

電極放置在心臟兩側(cè)并緊貼皮膚，心電圖儀（ECG或EKG）記錄心電信號隨時(shí)間的變化。ECG顯示代表心肌活動的電極對之間的壓差。通過顯示屏指示心率信號，便于醫(yī)生診斷心肌不同部位的微弱信號。

實(shí)際ECG信號的幅度只有幾毫伏，頻率不超過幾百赫茲。ECG測量面臨諸多挑戰(zhàn)：一方面，來自ECG主電源的50Hz至60Hz電容耦合干擾要比有用信號強(qiáng)許多；另一方面，身體皮膚的接觸阻抗以及傳感器之間阻抗的不匹配，這會導(dǎo)致較大的偏差并降低共模抑制能力；此外，還要解決接觸噪聲以及電磁源產(chǎn)生的干擾問題。

多數(shù)設(shè)計(jì)中，利用模擬前端（AFE）提取這些信號，對信號進(jìn)行放大和濾波，隨后采用一個12位或14位的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本文給出了ECG系統(tǒng)主要AFE組件，并提供了一種高度集成的設(shè)計(jì)方案，即MAX11040K 24位同步采樣Σ-Δ型ADC。MAX11040K提供該應(yīng)用所需的電路，省去了AFE。

AFE單元

模擬前端包含三個主要元件（圖1）。

圖1. 典型的ECG設(shè)備通常利用AFE進(jìn)行信號放大、濾波，然后通過一個ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

儀表放大器（IA）

儀表放大器（IA）的主要任務(wù)是抑制共模信號（通常是50Hz/60Hz干擾）。ECG應(yīng)用需要90dB，甚至更高的共模抑制比（CMRR）以抑制放大電路之前從電源耦合的50Hz/60Hz信號。即使采用具有高共模抑制比（CMRR）的IA，不同ECG電極的差異或者是皮膚接觸阻抗之間的不匹配不僅產(chǎn)生失調(diào)漂移，也會導(dǎo)致CMRR低于所期望的水平。阻抗的不匹配主要源于電極與皮膚的物理接觸、排汗和肌肉運(yùn)動等原因。

隨后要考慮的因素是IA的增益，設(shè)置IA增益是必需注意避免增益過大導(dǎo)致削波或飽和。

還要注意的是，音頻信號與ECG信號不在同一頻帶。因此，典型的音頻放大器和Σ-Δ ADC并不適合ECG應(yīng)用，這些器件在有用信號頻帶內(nèi)存在較高的輸入?yún)⒖荚肼暋?/p>

IA的輸入阻抗指標(biāo)也很重要，因?yàn)镋CG測量的是微弱信號。推薦選擇具有高阻輸入的IA，因?yàn)檩^低的輸入阻抗會導(dǎo)致較大的信號衰減。

高通濾波器

雖然初始信號只有mV量級，通過IA放大5倍或10倍后將上升到幾十毫伏。而這個量級的信號也只能覆蓋ADC輸入量程很小的一部分。例如，一個12位ADC具有±4.096V輸入量程，最低有效位（LSB）為2mV，如果直接采集幾十毫伏的信號，就沒有足夠的分辨率來區(qū)分信號和采樣噪聲。因此，需要對信號進(jìn)行再次放大，還必須消除直流漂移。常見的AFE電路是使用一個高通濾波器，將不希望出現(xiàn)的信號（低頻干擾）作為一個負(fù)的偏移量反饋（負(fù)反饋）到IA輸入。

第二級放大

利用IA和高通濾波器消除直流和低頻干擾后，再進(jìn)行第二級放大，提供額外的增益以達(dá)到ADC的輸入量程。有些設(shè)計(jì)還添加了一個陷波濾波器，對50Hz/60Hz作進(jìn)一步抑制。

低通/抗混疊濾波器

低通濾波器用來抑制高頻干擾，它也作為一個抗混疊濾波器（即阻止任何大于奈奎斯特或1/2采樣頻率的信號，避免產(chǎn)生ADC混疊）。

為了進(jìn)一步降低輸入共模信號，ECG設(shè)計(jì)通常還引入一級“右腿驅(qū)動器”，驅(qū)動反相共模信號返回人體。為了確保病人的安全，通常利用一個運(yùn)算放大器和一個限流電阻，確保驅(qū)動到人體的是一個非常微弱的信號源。這個屏蔽裝置旨在降低ECG探頭承載信號的噪聲耦合。

總之，ECG應(yīng)用中的有用信號小于100mV，考慮到失調(diào)和共模信號，通常將其放大到2V。因此，AFE必須有2V測量范圍，可以辨識低于幾百，甚至幾十μV的信號，采樣率在1ksps左右。

正確的ADC可以減少、甚至消除對AFE的需求

AFE設(shè)計(jì)完成后，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用對分辨率、速率和輸入量程的要求的ADC有許多。但是，仍要優(yōu)先考慮具有高分辨率、高共模抑制比（CMRR）及其它優(yōu)勢的ADC，以確保ECG的設(shè)計(jì)需求。

MAX11040K同步采樣、Σ-ΔADC本身的性能指標(biāo)即超出了此類應(yīng)用的最低要求，可以取代系統(tǒng)的大部分功能電路，甚至可以省去AFE，提供了一種更可靠、更小封裝、更簡便的設(shè)計(jì)方案。

圖2給出了MAX11040K的簡單應(yīng)用，差分輸入、高達(dá)110dB的共模抑制比可有效抑制50Hz/60Hz電源耦合噪聲，由此，MAX11040K可以取代IA的第一個功能。憑借其24位分辨率和19位無噪聲范圍，MAX11040K具有足夠的分辨率，完全可以捕捉到幾個μV的信號變化。省去了第一級放大器（IA的第二個功能）、第二級放大器和高通濾波器。另外，器件±2.2V的輸入量程也非常適合ECG應(yīng)用。

圖2. 僅利用MAX11040K ADC獲得ECG應(yīng)用所需的性能，減少元件數(shù)量的同時(shí)，節(jié)省電路板空間并降低系統(tǒng)的整體成本。

MAX11040K的采樣率為3.072MHz（過采樣Σ-Δ），但可編程輸出數(shù)據(jù)速率（即有效采樣率），將其設(shè)置在64ksps至250sps，提高了系統(tǒng)靈活性。對于小信號，該器件具有誤差平滑功能，采用∑-Δ ADC架構(gòu)也消除了抗混疊濾波器的需求。

MAX11040K的另外兩個功能也非常適合ECG應(yīng)用，即同步采樣和可編程相位延遲。當(dāng)前世界上流行的是12導(dǎo)聯(lián)ECG，保持相位的完整性非常重要。每片MAX11040K提供4個差分通道，相當(dāng)于8個探頭。MAX11040K可以最多級聯(lián)八片器件，支持多達(dá)64個通道的同步采樣。不僅可以同時(shí)對各通道進(jìn)行采樣，而且每個通道的相位也可以編程設(shè)置（0到333μs延時(shí)，步長為1.33μs）。

我們還提供16位分辨率的類似器件：MAX11046，都具有±6V輸入保護(hù)，當(dāng)輸入信號超越88%的輸入范圍時(shí)，產(chǎn)生過壓故障報(bào)警。一個串行外設(shè)接口（SPI）減少了對光隔離器的要求，無需額外電源，因?yàn)槠?a href="http://wenjunhu.com/tags/數(shù)字電源/" target="_blank">數(shù)字電源和模擬電源分開供電。

MAX11046解決方案的測試結(jié)果

圖3. ECG應(yīng)用測試（采用MAX11040K評估板）。

圖3是MAX11040K評估板框圖，可用于實(shí)際測試評估。該評估板包含兩片MAX11040K，配置工作在8通道同步采集。該評估板可以插入PC的USB口，帶有存儲器和DSP，便于項(xiàng)目開發(fā)。

在實(shí)驗(yàn)中僅僅增加銅箔連通ECG信號，在ADC輸入和電極之間串聯(lián)22kΩ電阻。130kΩ ADC輸入阻抗（XIN時(shí)鐘頻率為24.567MHz），使得信號出現(xiàn)75%的衰減（圖4），測試結(jié)果如圖5所示。

結(jié)論

本文發(fā)表時(shí)，MAX11040K ADC是市場上唯一滿足ECG測量要求的器件，在不增加成本的前提下提供理想的特性指標(biāo)。MAX11040K有助于降低您的研發(fā)預(yù)算、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、縮小電路板面積并減少系統(tǒng)的元件數(shù)量，同時(shí)也提高了方案的性能和可靠性。

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