【導(dǎo)讀】過去，一般針對身體不適或確診患者進行生命體征監(jiān)護； 而如今，我們監(jiān)控這些參數(shù)則是為了預(yù)測突發(fā)狀況。一般 可通過監(jiān)測心率測量某人的身體狀況或?qū)ふ疑眢w極限。本 文描述ADI公司的一種全新集成電路，有助于監(jiān)測心率。 此外，該電路還能監(jiān)測心臟行為，提供心臟反饋信息和 ECG波形。
在所有生物電測量中，最常用的是ECG和心率測量，因為 它們能有效地指示身體狀況。它們使您能安全地鍛煉，并 提供身體狀況改善和鍛煉成果的反饋。運動中獲取的心率 數(shù)據(jù)鼓勵您盡情地揮灑汗水，而不會過度鍛煉或用力過 猛。持續(xù)跟蹤心率可讓您監(jiān)測心臟輸出，以便表明在整個 健身過程中是否處于安全運動狀態(tài)。此外，在較長的時間 段內(nèi)監(jiān)測心率可獲得長期進展的反饋。如果可以在不提高 心率的情況下以更高的強度水平進行鍛煉，那么這就意味 著您比以前更強壯有效了。
圖1.
AD8232 是一款全新的低功耗集成式信號調(diào)理前端，針對 ECG和其他生物電測量開發(fā)。可通過接觸或非接觸測量方式 監(jiān)測心率。它使用兩個或三個電極從人體獲取心電信號。
該芯片可將來自電極的微弱并帶有噪雜的信號轉(zhuǎn)換為經(jīng)過 濾波的大信號，以便微控制器內(nèi)置的獨立模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)能輕松將其數(shù)字化。
信號鏈描述
圖2顯示了AD8232的簡化電路圖，其在原理上可視為四個 獨立的子功能。它包含一個儀表放大器、一個支持低通濾 波的放大器級、一個右腿驅(qū)動(RLD)放大器和一個片內(nèi)基 準電壓緩沖器。
圖2. AD8232簡化框圖
信號鏈上的關(guān)鍵功能是儀表放大器。其平衡輸入級可提供 至少80 dB共模抑制比。連接人體的電極直接與該放大器的 高阻抗輸入節(jié)點相連，該節(jié)點輸入阻抗為100 m。該級集 成100 V/V固定增益，放大施加于輸入端的小信號。由于此 高增益下的直流失調(diào)很容易使輸入放大器飽和，因此采用 2極點高通濾波器將其耦合；它能抑制電極的半電池電 位，并過濾運動偽像。
第二級包含一個運算放大器，可使信號的增益額外增加 11 V/V，將總增益設(shè)為1100 V/V，并將最大差分輸入信號 限制為2.7 mV p-p。然而，該器件具有過壓保護，因此超 過最高電平的輸入電壓會使輸出失真，但不會損壞器件。 運算放大器可配置為2極點低通濾波器，以便消除線路噪 聲和其他干擾。輸出信號是AD8232輸入端的干凈、放大版 本ECG信號。根據(jù)信號的處理方式，該器件可用作“心率 監(jiān)護儀”設(shè)備或中等性能ECG系統(tǒng)。
AD8232針對低功耗、單電源工作設(shè)計，因此它的接地必須 抬高至固定基準電平(偽接地)，首選ADC中間電平或共模 電壓電平，用于后續(xù)信號鏈。集成式基準放大器緩沖該電 壓，以便設(shè)置AD8232內(nèi)部的公共基準點。可以使用兩個電 阻將基準電壓設(shè)為任意首選電平，或者使用ADC基準電壓 輸出。如果ADC沒有內(nèi)置基準電壓，則可以使用AD8232 的REF輸出作為ADC基準電壓。該比例式測量具有很高的 精度水平，且不會馬上需要絕對精度。
濾波的重要性
由人體獲得的信號很弱且很噪雜，從而對運動相關(guān)的偽像 很敏感。由于這個原因，濾波對于獲取有用的信號很重 要。輸入放大器可同時提供增益和高通濾波。它能為微弱 的ECG信號帶來100 V/V增益，同時抑制電極失調(diào)電壓；電 極失調(diào)最高可達±300 mV。
第一個濾波器的–3 dB截止頻率為FHP1 −3 dB = 100/(2πR1C1)。 由于放大器的增益和反饋架構(gòu)，濾波器截止頻率比一般預(yù) 計值高100倍。圖3顯示了實現(xiàn)最優(yōu)信號傳輸?shù)姆糯笃骱透?種濾波器級電路圖。
圖3. AD8232的濾波部分
第一級后跟一個交流耦合網(wǎng)絡(luò)，表示第二極點。截止頻率由 常規(guī)的一階高通濾波器設(shè)置，即FHP2 −3 dB = 1/(2πR2C2)。 兩個高通濾波器組合總共產(chǎn)生–40 dB/十倍頻程滾降
下一個濾波器級支持二階低通濾波器，采用Sallen-Key配 置。此濾波器很重要，可以消除運動偽像，并校正基線。 建議截止頻率大約25 Hz。該放大器級的輸出在+VS到地的 范圍內(nèi)擺動不超過100 mV，因此可以使用AD8232之后ADC 的幾乎整個動態(tài)范圍，從而在ADC和AD8232由同一個電 源供電時最大程度提升系統(tǒng)分辨率。
右腿驅(qū)動放大器
另一個放大器稱為右腿驅(qū)動放大器，是一個集成式放大 器，提供第三個電極的連接。RLD可用來調(diào)理病人/用戶與 AD8232器件之間的共模電壓。該RLD有助于優(yōu)化AD8232 的性能，但并非必須功能。RLD連接使應(yīng)用更能免受外界 干擾——比如市電50 Hz/60 Hz噪聲、開關(guān)模式電源，以及 新LED燈、熒光燈和其他照明系統(tǒng)的輻射。
導(dǎo)聯(lián)脫落檢測和快速恢復(fù)模式
AD8232可以監(jiān)控某電極何時從病人或用戶身上斷開連接。 用戶可以選擇采用直流或交流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測。在直流導(dǎo)聯(lián) 脫落檢測模式下，系統(tǒng)檢測電極的輸入電壓。當某一個電 極的輸入變?yōu)楦唠娖綍r，相應(yīng)的LO–或LO+引腳便被標 記，以便向操作人員或用戶發(fā)出警報。此外，如果AD8232 僅使用兩個電極工作(無RLD)，那么可以采用交流導(dǎo)聯(lián)脫 落檢測模式。該器件可向電極輸入100 kHz小激勵電流，檢 測電極何時斷開連接。由于僅使用兩個電極，AD8232無法 檢測從人體脫落的是哪一個電極。在交流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測期 間，僅標記LO+引腳。
AD8232另一項很有用的功能是快速恢復(fù)模式。為了支持該 項功能，當其中一個導(dǎo)聯(lián)在其輸入端發(fā)生突變時，AD8232 自動調(diào)節(jié)到較高的濾波器截止頻率。例如，AD8232可以放 在全功能訓(xùn)練器或跑步機等健身器械的把手上。當用戶握 住把手時，該功能就會幫助器件恢復(fù)功能，更快地提供有 效的測量結(jié)果。
建立信號后，濾波器操作自動改變，改善系統(tǒng)的整體噪聲 表現(xiàn)。圖4顯示使能和不使能快速恢復(fù)模式情況下的建立 時間。
圖4. 使能和不使能快速恢復(fù)模式下的AD8232建立時間
何處使用AD8232
該ECG測量電路或心率前端電路針對各種應(yīng)用而開發(fā)。它 可用于醫(yī)療保健以及運動和活動應(yīng)用。很多醫(yī)療保健系統(tǒng) 要求采用低引腳數(shù)ECG測量，比如便攜式ECG監(jiān)護儀、醫(yī) 用心率監(jiān)護儀、低端除顫器和自動外部除顫器(AED)。這 些應(yīng)用要求ECG監(jiān)護儀測量心臟活動，并在提供除顫器脈 沖的前一刻進行同步。
一個快速增長且完全不同的市場是運動和鍛煉市場。運動 期間測量心率有助于運動員改進鍛煉程序，并決定最佳鍛 煉水平。AD8232對此提供了解決方案。
該器件的模擬輸出可讓系統(tǒng)集成商自主選擇ADC和微控制 器。ADI提供內(nèi)置ADC的ARM Cortex™-M3處理器，分辨率 范圍從12位至24位。其中一款推薦的產(chǎn)品是ADuCRF101。 但如果需要使用獨立的ADC，那么ADI還有其他產(chǎn)品可供 選擇，比如低功耗12位AD7170或16位AD7171，它們的功 耗分別為125 μA和135 μA。這些器件可以采用和前端相同 的電源電壓供電，以便最大程度降低總功耗，延長電池使 用時間。如果應(yīng)用通過市電供電，則需要一個電流隔離柵 來保持病人或用戶的安全。ADIiCoupler®系列提供隔離電 源高達5 kV的電流隔離，有助于滿足這些要求。
結(jié)論
總而言之，AD8232是一款非常小巧的全功能構(gòu)件塊，可用 于各種心臟監(jiān)護應(yīng)用中。該器件提供4 mm × 4 mm小型封 裝，功耗極低且價格具有競爭力，可支持醫(yī)療保健、家庭 護理和運動市場。
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