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简化心率监测器的模拟前端设计方案
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2017-11-16
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我保持身形的新年决心并未像我希望的那样成功。和许多人一样，我在开始时热情万丈，但可能会慢慢回到老样子。
在我的一个试验中，我开始思考设计一款心率监测器来监测我自己的健康状况究竟会有多难。我看到越来越多的便携式设备集成了患者监护功能，它们这样做的目的是提前发现心脏异常情况来挽救生命。
大约三年前，德州仪器 （TI） 发布了ECG/EEG 模拟前端ADS1298产品系列，旨在使用于生物电势设备的模拟前端设计变得更简易一些。现在，更简单一点儿说，我在谈论右腿驱动 （RLD） 设计、威尔逊中心终端 （WCT） 设计、导联脱落检测方法等（已被集成到芯片中，使电路板占用空间最多可缩减 95％）。这种高集成度可减少电路板占用空间，使设计更加小巧。结合极低的功耗（在 1mW 以下），该产品系列真的非常适合便携式应用。让我们更仔细地审视一下胸带心率监测器，看看设计模拟前端有多大难度。
当心脏搏动时，它会产生一种很小的电脉冲，主要频率成分的带宽较小，为40Hz；振幅大约为几毫伏。这种电脉冲可由高精度 ADC（如ADS1291）获得并进行数字化处理，无需任何外部增益级设置。因此请谨记，如果我们拆开胸带的设计，我们会看到，它被两个放置在胸前的电极进行了简化，为的是标明单个导联（称为导联 I）。无需使用第三个电极来给健身爱好者或患者加偏压。相反，我们使用了不同的设计方法，以确保输入在转换器的范围之内。输入是 AC 耦合式的，可以便从患者身上移除 DC 工作点。然后，我们用高阻抗电阻器来设置工作点。
我前面已提到，RLD 电极无需驱动患者肢体。相反，通过弱电阻器，可用 RLD 电极在转换器的输入端设置偏置点。还有其它给输入加偏压的方法：可使用电源或外部 LDO。事实上，任何源极均可使用，只要它能确保输入在 ADC 的运行范围内即可。
由于大多数信号成分的带宽都较小，为 40H，所以可限制 ADC 的数据速率，以帮助调低噪声。ADS1298产品系列的数字滤波器可限制 1/4 的数据速率，这就允许我们使用 250SPS 甚至 500SPS 并仍能满足 1μVrms 转换器的噪声要求。
其实，这就是您为设计模拟前端所需要的一切 — 没有什么太复杂的。高级医疗设备或消费类心率监测器甚至可使用相同的模拟前端设计。ECG 设计的“内容”取决于您如何利用数字处理中的数据。这是该系统的出色之处。在今后的文章中，我将对数字处理多作一些解释，敬请关注。
在我的一个试验中，我开始思考设计一款心率监测器来监测我自己的健康状况究竟会有多难。我看到越来越多的便携式设备集成了患者监护功能，它们这样做的目的是提前发现心脏异常情况来挽救生命。
大约三年前，德州仪器 （TI） 发布了ECG/EEG 模拟前端ADS1298产品系列，旨在使用于生物电势设备的模拟前端设计变得更简易一些。现在，更简单一点儿说，我在谈论右腿驱动 （RLD） 设计、威尔逊中心终端 （WCT） 设计、导联脱落检测方法等（已被集成到芯片中，使电路板占用空间最多可缩减 95％）。这种高集成度可减少电路板占用空间，使设计更加小巧。结合极低的功耗（在 1mW 以下），该产品系列真的非常适合便携式应用。让我们更仔细地审视一下胸带心率监测器，看看设计模拟前端有多大难度。
当心脏搏动时，它会产生一种很小的电脉冲，主要频率成分的带宽较小，为40Hz；振幅大约为几毫伏。这种电脉冲可由高精度 ADC（如ADS1291）获得并进行数字化处理，无需任何外部增益级设置。因此请谨记，如果我们拆开胸带的设计，我们会看到，它被两个放置在胸前的电极进行了简化，为的是标明单个导联（称为导联 I）。无需使用第三个电极来给健身爱好者或患者加偏压。相反，我们使用了不同的设计方法，以确保输入在转换器的范围之内。输入是 AC 耦合式的，可以便从患者身上移除 DC 工作点。然后，我们用高阻抗电阻器来设置工作点。
我前面已提到，RLD 电极无需驱动患者肢体。相反，通过弱电阻器，可用 RLD 电极在转换器的输入端设置偏置点。还有其它给输入加偏压的方法：可使用电源或外部 LDO。事实上，任何源极均可使用，只要它能确保输入在 ADC 的运行范围内即可。
由于大多数信号成分的带宽都较小，为 40H，所以可限制 ADC 的数据速率，以帮助调低噪声。ADS1298产品系列的数字滤波器可限制 1/4 的数据速率，这就允许我们使用 250SPS 甚至 500SPS 并仍能满足 1μVrms 转换器的噪声要求。
其实，这就是您为设计模拟前端所需要的一切 — 没有什么太复杂的。高级医疗设备或消费类心率监测器甚至可使用相同的模拟前端设计。ECG 设计的“内容”取决于您如何利用数字处理中的数据。这是该系统的出色之处。在今后的文章中，我将对数字处理多作一些解释，敬请关注。
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