穿戴式儿童情感识别系统中心电信号放大器的设计

　　心电信号的产生机理较为复杂[1],但简单说来,心电信号是心脏搏动时在人体表面形成的电位差,通过分析心电信号,可以了解心脏的搏动状态。原始的心电信号非常微弱,幅度只有0~4 mV,频带为0. 05Hz~100Hz,并且其中混杂有大量的干扰噪声,尤以50Hz工频干扰最为厉害。除此以外,电极接触噪声,运动伪迹(Motion Artifact),肌电噪声,放大器直流温漂,呼吸引起的基线漂移等等,均会对心电信号的放大与检测带来困难。所以,心电放大器的好坏将直接影响到系统的整体性能,严重时甚至会造成后级电路无法正常工作。本文给出了我们在儿童情感信息处理的穿戴式系统中心电放大器的设计。

　　1　心电放大器的设计过程

　　原始的心电信号幅度微弱,干扰众多,不能直接把电极拾取来的原始信号简单地放大后就送入A/D转换器,必须在放大它的同时尽可能地滤除其中的干扰噪声,这样才可以进行A/D转换[2]。图1给出了本文所设计的心电放大器的框图(虚线框部分)。

　　1. 1　前置放大

　　人体输出电阻较大(一般在2 KΩ~1 MΩ之间),使得由电极直接拾取的原始信号就更加微弱;同时人体又处在一个巨大的交变电磁场中,结果导致心电信号中的干扰极大(大部分以共模形式存在,少部分由于器件参数的不对称而以差模形式存在)。

　　因此,为了抑制噪声,提高后面各级滤波电路的共模抑制比,必须在原始信号与第一级低通滤波器之间插入一级前置放大器。它一来可以提高心电信号采集电路的输入阻抗以获取更多的原始心电信号;二来还可以抑制心电信号中的共模干扰,提高信噪比,使后级滤波电路尽可能地工作于理想状态下。由此可见,前置级是整个心电放大器最为关键的一个部分[1,3]。前置级的组成框图如图2所示。

　　1. 1. 1　输入跟随器

　　提高输入阻抗,获取更多的原始心电信号。

　　1. 1. 2　仪用放大器

　　仪用放大器实际上是指由三个运放组成的两级差分式放大电路,它具有极高的输入阻抗和很低的输出阻抗。不过目前,这种仪用放大器已有多种型号的单片集成电路,如LH0036,AD620等。由于所有的运放以及电阻均被集成在同一块硅片上,所以可以轻松地实现运放和电阻的特性匹配,基本达到理想的对称状态。

　　1. 1. 3　右腿浮地驱动

　　因为原始心电信号的信噪比太小,所以还必须设法减少这些共模噪声的绝对值,用提高信噪比的方法来提高信号质量。基于以上想法,本文设计了“右腿浮地驱动电路”。其指导思想如下:把混杂于原始心电信号中的共模噪声提取出来,经过一级倒相放大后,再返回到人体,使它们相互叠加,从而减小人体共模干扰的绝对值,提高了信噪比。