摘 要：心脏病是威胁人类健康的主要疾病之一，而心电图是其诊断的重要依据。临床医学实践表明，对于心脏病的防治，最有效的手段是利用心电监护仪进行预防和保健，设计人体心电监护系统十分重要。心电信号调理电路作为心电监护系统的核心，其设计十分关键。本设计根据心电信号的特点，设计心电信号调理电路，包括心电前置放大器，右腿驱动电路，高通滤波器，低通滤波器和可变Q值50Hz双T陷波电路。设计完成的人体心电信号调理电路操作方便，成本低廉，设置灵活等优点，具有很好的实用价值

关键字：心电信号；单片机；生理信号；放大器

1 引言

伴随人类物质生活水平的提高，当代疾病的流行趋势发生了显著的变化，与人们社会生活方式密切相关的疾病和突发性公共卫生疾病已成为危害人们健康的主要疾病，由此已造成政府与个人医疗开支不断增长的巨大压力。而心血管疾病又是影响人类健康的第一大杀手。在我国心脏病患者约有七千万人，死亡原因主要是致命性心率失常和急性心梗。据北京急救中心统计，70%以上病发于家中或工作现场，大部分人因失去抢救时间死于院外，此外，多数人的心脏病发作往往是短暂与随机的，患者难以赶到医院进行心电图扫描，从而影响诊断。因此，为患者赢取抢救时间，为所有的监护对象提供24小时医学监护，保健咨询的医疗诊断系统有着极其重要的实际意义。而心电信号调理电路作为心电监护系统的核心，其设计十分关键。

2 系统框架设计

本电路设计主要是由五部分构成。

（1）前置放大电路。其中前置放大器是硬件电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量，从而影响到仪器的特性；

（2）共模抑制电路。在设计中使用了右腿驱动电路、屏蔽驱动电路，它们可以消除信号中的共模电压，提高共模抑制比，使信号输出的质量得到提高；

（3）低通滤波电路及时间常数电路。

（4）工频50Hz的陷波电路。

（5）主放大电路。

3 系统硬件设计

3.1 前置放大电路

由于人体心电信号的特点，加上背景噪声较强，采集信号时电极

与皮肤间的阻抗大且变化范围也较大，这就对前级（第一级）放大电路提出了较高的要求，即要求前级放大电路应满足以下要求：高输入阻抗；高共模抑制比；低噪声、低漂移、非线性度小；合适的频带和动态范围。

3.2 右腿驱动电路

体表驱动电路是专门为克服50Hz共模干扰，提高CMRR而设计的， 原理是采用人体为相加点的共模电压并联反馈，其方法是取出前置放大中的共模电压，经过驱动电路倒相放大后再加回体表上，一般的做法是将此反馈共模信号接到人体的右腿上，所以称为右腿驱动。

3.3 低通滤波放大电路

由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定的频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。

3.4 0.05Hz高通滤波器电路

设计使用反相的二阶巴特沃兹高通滤波器，其中放大倍数设置为1，截止频率为0.05Hz。

3.5 50Hz陷波电路

工频干扰时心电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰具有一定的抑制作用，但是有部分工频干扰是以差模方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定的因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤波。

4 仿真

4. 1前置放大电路仿真

前置放大电路仿真结果如图7所示，从仿真结果看出，实际前置放大倍数为K1=46.8mA/4.7mA=9.9，与预期放大结果相同。

4.2 低通滤波电路仿真

（1）输入f=60Hz时，输出波形图如图8所示，输出和输入基本上一致，信号没有被衰减。

（2）输入f=250Hz时，输出波形图如图9所示，，输出结果衰减为：323uV/4.9Mv=6.5%，250Hz频率的输入杂波滤除了93.5%。

（3）输入f=1KHz时，输出波形图如如图10所示，1kHz频率的输入杂波基本上被滤除。

4.3 50Hz陷波电路仿真

50Hz陷波电路仿真结果如图11所示，由图可知，当输入信号为50Hz的工频干扰信号时，杂波基本上被滤除。

4.4 次级放大电路仿真

次级放大电路仿真结果如图12所示，从图中可以发现，放大倍数G2=2.65V/27.6mV=96，与预期的设计相符合。

5 结论

设计采用以AD620及OP07为核心的信号放大器来实现心电信号的放大，电路功耗小，灵敏度高，最低只需3 V的电源，可由外接电池提供，容易实现基于移动式设备为核心的心电信号采集及处理，是一种实用的心电信号前端采集放大电路。

参考文献

[1]康华光.电子技术基础 模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006，1

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：高等教育出版社，2005，6