CN1611185A - 用于监测体表心电信号的电路构成方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于监测体表心电信号的电路，包括前级阻抗匹配电路(20)、导联脱落识别电路(90)、主放大电路(40)、驱动电路(30)、电压放大电路(60)和低通滤波电路(80)；所述导联脱落识别电路(90)的输出端LeadsOut是全电路的一个输出端，输出接到微处理器；主放大电路(40)的输出端接入电压放大电路(60)的输入，该电路(60)的输出接低通滤波电路(80)，电路(80)的输出Vout0、Vout1和Vout2是全电路的另三个输出端，输出接A/D转换器；本发明避免了滤波通带和增益设置的一致性误差，减小了模块间的差异性，有效克服了工频的干扰，干净准确可靠地获得了心电信号数据。
Description
技术领域 本发明涉及半导体器件放大电路及RC滤波器，特别涉及在将微弱信号进行高精度放大的同时抑制干扰噪声的装置，尤其涉及用于监测体表心电信号的电路构成方法和装置。
背景技术 现有技术的状况：体表心电信号的测量方法都是采用贴在体表特定位置的AgCl电极获取微弱的心电信号，并通过心电导联线将上述微弱的心电信号送入电子放大器进行放大，得到伏特级的心电信号，通过A/D转换得到数字心电信号，可以进一步进行心电信号的特征识别和参数计算。由于体表的心电信号是人体心脏的心肌节律性电生理信号在体表的分解，信号十分微弱，同时还受到工频的干扰，因此，获得干净、有效的心电信号是心电信号检测的关键技术。目前大多数用于心电监护的电子电路是采用专用仪表放大器，后级采用频带可调的高通滤波器，增益可调的信号放大器，频带可调的低通滤波器以及电路平移等电路组件来共同完成对心电信号的放大，电路结构复杂，增益设置、通频带设置一致性差。
发明内容 本发明所要解决的技术问题是为了避免现有技术的不足之处而提出一种用于监测体表心电信号的电路构成方法和装置。该电路装置包括前级阻抗匹配电路，导联脱落识别电路、主放大电路，驱动电路、高通滤波电路、电压放大与电平预置电路，低通滤波等几部分构成一个模块化的心电监测结构，主要完成信号输入端的阻抗匹配、导联脱落自动识别、右腿驱动、高、低通滤波、固定增益的心电信号的放大与电平预置等功能。
本发明可以通过以下的技术方案来实现。
实施用于监测体表心电信号的电路构成方法，包括步骤：
A.设置前级阻抗匹配电路，所述电路包括右手导联通道、左手导联通道、左脚导联通道、胸导联通道和右腿导联通道；该电路各通道的输入接各自的导联，各通道中的运算放大器都接成电压跟随器形式，用以提高输入阻抗；
B.再设置导联脱落识别电路，该电路的信号输入端连接前级阻抗匹配电路中所有通道运算放大器的输出端，当任一路导联脱落使对应运算放大器的输出达到满幅电压输出时，导联脱落识别电路的输出变为高电平，这个高电平信号被微处理器检测到之后，微处理器进行相应的处理控制；
C.再设置主放大电路，该主放大电路中的运算放大器接为仪表放大电路形式，其同相和反向输入端分别接入前级阻抗匹配电路中不同两路通道的输出，以将心电信号由双端信号转换成单端信号输出；
D.再设置驱动电路，将右手导联通道、左手导联通道和左脚导联通道电压跟随器的输出通过电阻接在一起形成一个共模信号反馈源，并接入所述驱动电路的输入端，驱动电路包括右腿驱动通道和屏蔽层驱动通道；所述右腿驱动通道的输出接右腿驱动导联，用以提高全电路对共模信号的抑制作用；所述屏蔽层驱动通道的输出接导联屏蔽层，也是用以提高全电路对共模信号的抑制作用；
E.再设置高通滤波电路，该电路的输入接主放大电路中运算放大器的输出，用以隔离人体体表的静态极化电压；
F.再设置电压放大电路，该电路的输入接高通滤波电路的输出，用以将主放大电路放大的心电信号进一步放大，用以驱动A/D转换电路进行模数转换；
G.再设置电平预置电路，该电路为电压放大电路中运算放大器提供输出电平的参考源，以使心电信号的输出在此参考源正负方向动态变化；
H.再设置低通滤波电路，该电路的输入接电压放大电路的输出，用以进一步滤除高频分量，输出接A/D转换电路；
I.再设置正直流电源、负直流电源和正负直流电源公共地的接入电路，为全电路供电。
步骤G所述的为电压放大电路中运算放大器提供输出电平的参考源，该参考源电平为+2.5V；所述的使心电信号的输出在此参考源正负方向动态变化，该动态变化范围是0～+5V。
本发明还可以通过下面的技术措施得到进一步实施：
设计加工一种用于监测体表心电信号的电路，包括前级阻抗匹配电路、导联脱落识别电路、主放大电路、驱动电路、电压放大电路和低通滤波电路；所述前级阻抗匹配电路包括右手导联通道、左手导联通道、左脚导联通道、胸导联通道和右腿导联通道；该电路各通道的输入接各自的导联，各通道中的运算放大器都接成电压跟随器形式，各电压跟随器的输出都接入所述导联脱落识别电路的输入端；所述前级阻抗匹配电路中右手导联通道、左手导联通道和左脚导联通道电压跟随器的输出通过电阻接在一起，然后接入驱动电路的输入端，所述驱动电路中右腿驱动通道的输出接右腿驱动导联，屏蔽层驱动通道的输出接导联屏蔽层；所述导联脱落识别电路的输出端是全电路的一个输出端，输出接到微处理器，平时该输出端为低电平，在任一导联脱落时，该输出端变为高电平；所述主放大电路中的运算放大器接为仪表放大电路形式，其同相和反向输入端分别接入前级阻抗匹配电路中右手导联通道、左手导联通道、左脚导联通道和胸导联通道各电压跟随器输出中的不同两路；所述主放大电路的输出端接入所述电压放大电路的输入端，该电路的输出接低通滤波电路，所述低通滤波电路的输出是全电路的三个输出端，输出接到A/D转换器。
所述前级阻抗匹配电路与右手导联、左手导联、左脚导联、胸导联和右腿导联之间接有前级低通滤波电路，该电路中各通道都由一阶RC低通滤波器构成。
所述主放大电路与电压放大电路之间接有高通滤波电路，该电路中各通道都由一阶RC高通滤波器构成。
所述电压放大电路包括三只运算放大器，各运算放大器的一个输入端除了接反馈电阻外，各自还通过电阻接电平预置电路的输出端；所述电平预置电路的输出电平稳定在+2.5V。
所述前级阻抗匹配电路包括5只运算放大器，各运算放大器都接成电压跟随器形式，在各自的同相输入端与负电源之间都接一电阻。
所述驱动电路包括两只运算放大器，一只运算放大器的同相输入端和另一运算放大器的反相输入端接3只电阻的连接点；一运算放大器的输出接右腿导联，一运算放大器的输出接导联屏蔽层。
所述导联脱落识别电路包括逻辑电路芯片、运算放大器和电压比较器，电压比较器的同相输入端接在由电阻构成的分压点上，逻辑电路芯片接成电压跟随器形式，其输入接逻辑电路芯片的输出端，逻辑电路芯片的输出接电压比较器的反相输入端，电压比较器的输出经电阻电容构成的二阶低通滤波器后作为导联脱落识别信号输出。
所述前级阻抗匹配电路、导联脱落识别电路、主放大电路、驱动电路、电压放大电路均由正直流电源、负直流电源和正负直流电源公共地接入为全电路供电。
与现有技术相比较，本发明避免了滤波通带和增益设置的一致性误差，减小了模块间的差异性，有效克服了工频的干扰，干净准确可靠地获得了心电信号数据。
附图说明 图1是本发明用于监测体表心电信号的电路构成方法和装置的电原理图；
图2是本发明所述装置的构成框图；
图3是本发明所述构成方法的流程图。
具体实施方式 下面结合附图所示的最佳实施例对本发明做进一步详尽的描述：如图1～3所示，实施用于监测体表心电信号的电路构成方法，包括步骤
A.设置前级阻抗匹配电路20，所述电路20包括右手导联RA通道、左手导联LA通道、左脚导联LL通道、胸导联VX通道和右腿导联RL通道；该电路20各通道的输入接各自的导联，各通道中的运算放大器都接成电压跟随器形式，用以提高输入阻抗；
B.设置导联脱落识别电路90，该电路90的信号输入端连接前级阻抗匹配电路20中所有通道运算放大器的输出端，当任一路导联脱落使对应运算放大器的输出达到满幅电压输出时，导联脱落识别电路90的输出变为高电平，这个高电平信号被微处理器检测到之后，微处理器进行相应的处理控制；
C.再设置主放大电路40，该主放大电路40中的运算放大器接为仪表放大电路形式，其同相和反向输入端分别接入前级阻抗匹配电路20中不同两路通道的输出，以将心电信号由双端信号转换成单端信号输出；
D.置驱动电路30，将右手导联RA通道、左手导联LA通道和左脚导联LL通道电压跟随器的输出通过电阻接在一起形成一个共模信号反馈源，并接入所述驱动电路30的输入端，驱动电路30包括右腿驱动通道和屏蔽层驱动通道；所述右腿驱动通道的输出接右腿驱动导联RL，用以提高全电路对共模信号的抑制作用；所述屏蔽层驱动通道的输出接导联屏蔽层SHIELD，也是用以提高全电路对共模信号的抑制作用；
E.设置高通滤波电路50，该电路50的输入接主放大电路40中运算放大器的输出，用以隔离人体体表的静态极化电压；
F.设置电压放大电路60，该电路60的输入接高通滤波电路50的输出，用以将主放大电路40放大的心电信号进一步放大，用以驱动A/D转换电路进行模数转换；
G.设置电平预置电路70，该电路70为电压放大电路60中运算放大器提供输出电平的参考源，以使心电信号的输出在此参考源正负方向动态变化；
H.设置低通滤波电路80，该电路80的输入接电压放大电路60的输出，用以进一步滤除高频分量，输出接A/D转换电路；
I.设置正直流电源VCC、负直流电源VEE和正负直流电源公共地GND的接入电路，为全电路供电。
步骤G所述的为电压放大电路60中运算放大器提供输出电平的参考源，该参考源电平为+2.5V；所述的使心电信号的输出在此参考源正负方向动态变化，该动态变化范围是0～+5V。
本发明还可以通过以下方案进一步得到实施：
设计加工一种用于监测体表心电信号的电路，包括前级阻抗匹配电路20、导联脱落识别电路90、主放大电路40、驱动电路30、电压放大电路60和低通滤波电路80；所述前级阻抗匹配电路20包括右手导联RA通道、左手导联LA通道、左脚导联LL通道、胸导联VX通道和右腿导联RL通道；该电路20各通道的输入接各自的导联，各通道中的运算放大器都接成电压跟随器形式，各电压跟随器的输出都接入所述导联脱落识别电路90的输入端；所述前级阻抗匹配电路20中右手导联RA通道、左手导联LA通道和左脚导联LL通道电压跟随器的输出通过电阻接在一起，然后接入驱动电路30的输入端，所述驱动电路30中右腿驱动通道的输出接右腿驱动导联RL，屏蔽层驱动通道的输出接导联屏蔽层SHIELD；所述导联脱落识别电路90的输出端LeadsOut是全电路的一个输出端，输出接到微处理器，平时该输出端为低电平，在任一导联脱落时，该输出端变为高电平；所述主放大电路40中的运算放大器接为仪表放大电路形式，其同相和反向输入端分别接入前级阻抗匹配电路20中右手导联RA通道、左手导联LA通道、左脚导联LL通道和胸导联VX通道各电压跟随器输出中的不同两路；所述主放大电路40的输出端接入所述电压放大电路60的输入端，该电路60的输出接低通滤波电路80，所述低通滤波电路80的输出Vout0、Vout1和Vout2是全电路的三个输出端，输出接到A/D转换器。
所述前级阻抗匹配电路20与右手导联RA、左手导联LA、左脚导联LL、胸导联VX和右腿导联RL之间接有前级低通滤波电路10，该电路10中各通道都由一阶RC低通滤波器构成。
所述主放大电路40与电压放大电路60之间接有高通滤波电路50，该电路50中各通道都由一阶RC高通滤波器构成。
所述电压放大电路60包括运算放大器U1B、U2B和U3B，各运算放大器的一个输入端除了接反馈电阻R6、R16和R26外，还通过电阻R5、R15和R25接电平预置电路70的输出端；所述电平预置电路70的输出电平稳定在+2.5V。
所述前级阻抗匹配电路20包括运算放大器U1A、U2A、 U3A、U4A和U61B，各运算放大器都接成电压跟随器形式，在各自的同相输入端与负电源VEE之间都接一电阻R2、R12、R22、R32和R42。
所述驱动电路30包括运算放大器U5A和U5B，运算放大器U5A的同相输入端和运算放大器U5B的反相输入端接电阻R51、R52和R53的连接点；运算放大器U5B的输出接右腿导联RL，运算放大器U5A的输出接导联屏蔽层SHIELD。
所述导联脱落识别电路90包括逻辑电路芯片U50、运算放大器U61A和电压比较器U71A，电压比较器U71A的同相输入端接在由电阻R61和R62构成的分压点上，逻辑电路芯片U50接成电压跟随器形式，其输入接逻辑电路芯片U50的输出端，逻辑电路芯片U50的输出接电压比较器U71A的反相输入端，电压比较器U71A的输出经R63、R64、C61、C62构成的二阶低通滤波器后作为导联脱落识别信号LeadsOUT输出。
所述前级阻抗匹配电路20、导联脱落识别电路90、主放大电路40、驱动电路30、电压放大电路60均由正直流电源VCC、负直流电源VEE和正负直流电源公共地GND接入为全电路供电。
本发明的工作原理及特点是这样的：
由于体表心电信号十分微弱，心电信号导联与人体接触电阻及心电信号源具有较大的内阻，为了有效地获取心电信号，需要设置前级阻抗匹配电路20，本发明最佳实施例在匹配电路20中采用了具有JET输入的运算放大器，连接成电压跟随电路形式，提高心电检测电路的输入阻抗，可以最大限度的获取心电信号。
在前级阻抗匹配电路20中各运放的同相端通过一个大阻值的电阻施加一个5V的负向直流电压，并在这个运放的输出端连接一个电压比较器的同相端，而这个比较器的反相端接一个参考电压，导联正常使用时，上述的5V电压由于人体电阻分压得到很小的电压到运放的输入端，也就是加在上述电压比较器的同相端，这时这个比较器反相端的电位高，输出为低电平；当某个导联脱落时，导联悬空则人体电阻增大到接近无穷大，这时这个5V的就输入到比较器的同相端，使得同相端的电位高于反相端，则比较器的输出为高电平。
由于人体体表存在较大的静态极化电压，可能会高达+/-300mV，不隔离会产生后继的放大电路输出饱和的现象，需要通过高通滤波电路隔去这个极化电压，确保后续的放大电路的正常工作，这里设置一级RC高通滤波电路50，根据心电信号标准要求这个高通滤波电路的低限频率为0.05Hz(3dB带宽)。
由于心电信号的高频分量极少，而且绝大部分都集中在40Hz以下，根据诊断心电信号的标准以及后继数据转换频率的限制，设置低通滤波电路80，这里是采用一级RC低通滤波，这个低通滤波的截止频率设置为120Hz。
实践证明，本发明用于监测体表心电信号的电路构成方法和装置避免了滤波通带和增益设置的一致性误差，减小了模块间的差异性，有效克服了工频的干扰，干净准确可靠地获得了心电信号数据。
Claims (10)
1.用于监测体表心电信号的电路构成方法，其特征在于：包括步骤
A.设置前级阻抗匹配电路(20)，所述电路(20)包括右手导联RA通道、左手导联LA通道、左脚导联LL通道、胸导联VX通道和右腿导联RL通道；该电路(20)各通道的输入接各自的导联，各通道中的运算放大器都接成电压跟随器形式，用以提高输入阻抗；
B.再设置导联脱落识别电路(90)，该电路(90)的信号输入端连接前级阻抗匹配电路(20)中所有通道运算放大器的输出端，当任一路导联脱落使对应运算放大器的输出达到满幅电压输出时，导联脱落识别电路(90)的输出变为高电平，这个高电平信号被微处理器检测到之后，微处理器进行相应的处理控制；
C.再设置主放大电路(40)，该主放大电路(40)中的运算放大器接为仪表放大电路形式，其同相和反向输入端分别接入前级阻抗匹配电路(20)中不同两路通道的输出，以将心电信号由双端信号转换成单端信号输出；
D.再设置驱动电路(30)，将右手导联RA通道、左手导联LA通道和左脚导联LL通道电压跟随器的输出通过电阻接在一起形成一个共模信号反馈源，并接入所述驱动电路(30)的输入端，驱动电路(30)包括右腿驱动通道和屏蔽层驱动通道；所述右腿驱动通道的输出接右腿驱动导联RL，用以提高全电路对共模信号的抑制作用；所述屏蔽层驱动通道的输出接导联屏蔽层SHIELD，也是用以提高全电路对共模信号的抑制作用；
E.再设置高通滤波电路(50)，该电路(50)的输入接主放大电路(40)中运算放大器的输出，用以隔离人体体表的静态极化电压；
F.再设置电压放大电路(60)，该电路(60)的输入接高通滤波电路(50)的输出，用以将主放大电路(40)放大的心电信号进一步放大，用以驱动A/D转换电路进行模数转换；
G.再设置电平预置电路(70)，该电路(70)为电压放大电路(60)中运算放大器提供输出电平的参考源，以使心电信号的输出在此参考源正负方向动态变化；
H.再设置低通滤波电路(80)，该电路(80)的输入接电压放大电路(60)的输出，用以进一步滤除高频分量，输出接A/D转换电路；
I.再设置正直流电源VCC、负直流电源VEE和正负直流电源公共地GND的接入电路，为全电路供电。
2.根据权利要求1所述用于监测体表心电信号的电路构成方法，其特征在于：步骤G所述的为电压放大电路(60)中运算放大器提供输出电平的参考源，该参考源电平为+2.5V；所述的使心电信号的输出在此参考源正负方向动态变化，该动态变化范围是0～+5V。
3.一种用于监测体表心电信号的电路，其特征在于：包括前级阻抗匹配电路(20)、导联脱落识别电路(90)、主放大电路(40)、驱动电路(30)、电压放大电路(60)和低通滤波电路(80)；所述前级阻抗匹配电路(20)包括右手导联RA通道、左手导联LA通道、左脚导联LL通道、胸导联VX通道和右腿导联RL通道；该电路(20)各通道的输入接各自的导联，各通道中的运算放大器都接成电压跟随器形式，各电压跟随器的输出都接入所述导联脱落识别电路(90)的输入端；所述前级阻抗匹配电路(20)中右手导联RA通道、左手导联LA通道和左脚导联LL通道电压跟随器的输出通过电阻接在一起，然后接入驱动电路(30)的输入端，所述驱动电路(30)中右腿驱动通道的输出接右腿驱动导联RL，屏蔽层驱动通道的输出接导联屏蔽层SHIELD；所述导联脱落识别电路(90)的输出端LeadsOut是全电路的一个输出端，输出接到微处理器，平时该输出端为低电平，在任一导联脱落时，该输出端变为高电平；所述主放大电路(40)中的运算放大器接为仪表放大电路形式，其同相和反向输入端分别接入前级阻抗匹配电路(20)中右手导联RA通道、左手导联LA通道、左脚导联LL通道和胸导联VX通道各电压跟随器输出中的不同两路；所述主放大电路(40)的输出端接入所述电压放大电路(60)的输入端，该电路(60)的输出接低通滤波电路(80)，所述低通滤波电路(80)的输出Vout0、Vout1和Vout2是全电路的三个输出端，输出接到A/D转换器。
4.根据权利要求3所述用于监测体表心电信号的电路，其特征在于：所述前级阻抗匹配电路(20)与右手导联RA、左手导联LA、左脚导联LL、胸导联VX和右腿导联RL之间接有前级低通滤波电路(10)，该电路(10)中各通道都由一阶RC低通滤波器构成。
5.根据权利要求3所述用于监测体表心电信号的电路，其特征在于：所述主放大电路(40)与电压放大电路(60)之间接有高通滤波电路(50)，该电路(50)中各通道都由一阶RC高通滤波器构成。
6.根据权利要求3所述用于监测体表心电信号的电路，其特征在于：所述电压放大电路(60)包括运算放大器U1B、U2B和U3B，各运算放大器的一个输入端除了接反馈电阻R6、R16和R26外，还通过电阻R5、R15和R25接电平预置电路(70)的输出端；所述电平预置电路(70)的输出电平稳定在+2.5V。
7.根据权利要求3所述用于监测体表心电信号的电路，其特征在于：所述前级阻抗匹配电路(20)包括运算放大器U1A、U2A、U3A、U4A和U61B，各运算放大器都接成电压跟随器形式，在各自的同相输入端与负电源VEE之间都接一电阻R2、R12、R22、R32和R42。
8.根据权利要求3所述用于监测体表心电信号的电路，其特征在于：所述驱动电路(30)包括运算放大器U5A和U5B为，运算放大器U5A的同相输入端和运算放大器U5B的反相输入端接电阻R51、R52和R53的连接点；运算放大器U5B的输出接右腿导联RL，运算放大器U5A的输出接导联屏蔽层SHIELD。
9.根据权利要求3所述用于监测体表心电信号的电路，其特征在于：所述导联脱落识别电路(90)包括逻辑电路芯片U50、运算放大器U61A和电压比较器U71A为，电压比较器U71A的同相输入端接在由电阻R61和R62构成的分压点上，逻辑电路芯片U50接成电压跟随器形式，其输入接逻辑电路芯片U50的输出端，逻辑电路芯片U50的输出接电压比较器U71A的反相输入端，电压比较器U71A的输出经R63、R64、C61、C62构成的二阶低通滤波器后作为导联脱落识别信号LeadsOUT输出。
10.根据权利要求3所述用于监测体表心电信号的电路，其特征在于：所述前级阻抗匹配电路(20)、导联脱落识别电路(90)、主放大电路(40)、驱动电路(30)、电压放大电路(60)均由正直流电源VCC、负直流电源VEE和正负直流电源公共地GND接入为全电路供电。
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