心电测试仪的信号带宽设计研究

　　1　引　　言

　　心电测试仪的设计,要求功能实用、性能可靠、成本低,各项性能指标都必须达到国家有关标准。心电测试仪具有获取微弱的心电信号(1mV)、能实时显示心电图、能实时存储多组心电信号数据、能查询显示存储的任一组心电信号、能显示心率、对异常信号能报警、能打印某时段或任一组心电信号图以及具有与PC机通信功能,能将存储的心电信号数据传送到PC机。为了能准确有效地捕捉微弱的毫伏级心电信号,滤波器的带宽设计尤为重要,根据心电信号的特点,要滤掉小于0.03Hz低频信号和大于200Hz的高频信号。由于生活用电都是50Hz的交流电,为了有效去除50Hz信号干扰,在电路中就还必须设计50Hz带阻滤波器。

　　2　工作原理及功能框图

　　图1为心电测试仪的原理框图。它由液晶显示电路、电源电路、复位电路、时钟电路、键盘输入、微型打印机、RS232通讯接口电路、D/A输出转换电路、A/D输入转换电路、心电信号采集与处理放大电路和8051微处理器等组成。心电信号采集与处理放大电路功能是通过心电信号传感器采集人体心电信号,信号首先经初级放大电路放大7倍后传送到高通滤波器,　　滤掉频率低于0.03Hz的信号,信号再次经次级放大电路放大100倍。放大后传送到低通滤波器,滤掉频率大于200Hz的干扰信号,再经50Hz带阻滤波器去除掉工频50Hz的干扰,最后将调理好的信号送到A/D转换电路。

　　3　滤波器带宽设计

　　在滤波器设计中,常用的有巴特沃思滤波器、贝塞尔滤波器、1/2dB切比雪夫滤波器和1dB切比雪夫滤　波器等。在通带内,巴特沃思滤波器具有最大平坦幅度特性,而且随着频率升高呈现出单调减小的特性;在时域内,巴特沃思滤波器阶跃响应的上升时间比较短。考虑到人的心电信号的频率都低于200Hz,在心电测试仪的滤波器电路设计中采用巴特沃思滤波器。

　　3.1　有源高通滤波器设计

　　有源高通滤波器又称交流耦合电压跟随器,它由一个运算放大器、两个电容和两个电阻构成。图2为二阶高通滤波器电路图。

　　其传递函数为:

　　传递函数表明了滤波器的高通特性,该滤波器的截止频率为:

　　在实际电路设计中常常取C1=C2=C,巴特沃思滤波器取R2=2R1。当f=0.03Hz时,取C=10μF,则R1=375.4kΩ.此时高通滤波器的传递函数为:

　　根据此传递函数,用MATLAB绘制该滤波器的幅频响应和相频响应曲线图,如图3所示。

　3.2　有源低通滤波器设计

　　有源低通滤波器由一个运算放大器、两个电阻和两个电容构成。它有两个复极点,因而它是二阶低通滤波器。图4为用单位增益放大器构成的二阶低通滤波器,其传递函数为: