基于微功耗IC设计功能更齐全心率监护仪(HRM)

 运用多种最新微功耗、高精度IC芯片，可以设计出一款功能更加齐全的低功耗心率监护仪(HRM)。本文旨在讨论这些芯片和功能。

设计便携式心率监护仪时的严格要求足以令任何人头疼不已。首先，心脏监护仪必须符合最高安全性、可靠性和精度标准。设计师还必须应对纽扣电池有限的电量。一方面，要满足市场对更多功能的需求，另一方面，又不能增大空间、功率或成本，令人头疼的问题接踵而来。

幸运的是，解决办法是存在的。运用多种最新微功耗、高精度IC芯片，可以设计出一款功能更加齐全的低功耗心率 监护仪(HRM)。

低功耗IC最重要的功能是延长HRM所用电池的寿命，HRM 用于实时测量病人的心率，或者把心率记录下来供以后研 究使用。便携式HRM需要依靠电池长时间工作，因此，需要功耗低。数十年以来，动态心电监护仪和其他便携式 ECG系统一直采用低电压电池供电，以确保安全。心脏病 病人或敏感设备最不需要的是突然涌现的“热”线电压。 微功耗IC采用低电压和电流工作，因此能节省电池电量。

HRM的模拟前端

HRM的主要目的是计算心率和显示ECG波形，同时还应提 供导联脱落检测功能。图1显示了HRM设计的框图。模拟 前端利用下列器件构建：微功耗仪表放大器、运算放大器 以及一个内置12位ADC、采样保持放大器和数字处理器的 微型转换器。处理后的数据送往PC进行显示。

 

 

图1. 微功耗仪表放大器构成出色的心率监护仪输入放大器

微功耗仪表放大器构成出色的输入放大器， 其低功耗、小 尺寸、整个频率范围内的高共模抑制比(CMMR)、轨到轨 输入和输出等特性非常适合这种电池供电型应用。高性能 微功耗仪表放大器可解决许多常见的人体皮肤电位(范围为 0.2 mV至2 mV)测量难题。对于这种应用，最佳仪表放大器 应当具有高CMMR以便抑制共模信号，例如手术室设备的 线路噪声或高频EMI等。轨到轨输出特性提供宽动态范围， 支持比典型仪表放大器更高的增益。此外，设计人员应当 利用微功耗仪表放大器来实现自然RC滤波器;当放大器之 前使用串联输入电阻时，该RC滤波器可以降低高频噪声。

在主信号链中，微功耗仪表放大器后接一个积分器反馈网 络，利用4.7 μF电容和100 kΩ电阻实现，用以设置高通滤波 器的−3 dB截止频率。它抑制电极的半电池超电势可能产生 的差分直流失调。微功耗运算放大器提供13倍的额外增益 以便放大弱信号。一个有源二阶低通贝塞尔滤波器消除约 50 Hz以上的信号。

由于电路采用电池供电，因此将电路的基准电压连接到病 人时，就能用作基准电压，从而提高共模抑制性能。这对 于测量ECG信号很重要。注意，有些机器是从踩踏板获得 电源，因此不使用隔离。

基准电压

本设计假设ECG信号范围为0.2 mV至2 mV。为防止信号被 箝位并使ADC的动态范围最大(0 V至1.25 V)，设计中增加 0.625 V偏置。如图2所示，电阻分压器和缓冲器产生0.625 V 基准电压，它也用于偏置ECG信号(见图1)。

 

 

图2. 电阻分压器和缓冲器产生0.625 V基准电压

导联脱落检测

如果电极接触不良，HRM应提供警示信号。当电极脱离病 人时，这些电阻与微功耗仪表放大器输入端的两个20 MΩ 电阻(见图1)一起使输入发生偏移。正常工作时，微功耗仪 表放大器的输出是基准电压;如果一个电极脱落，输出将 变为0 V。图3所示为导联脱落检测电路，微功耗仪表放大 器的输出端连接到检测电路的输入端。

 

 

图3. 仪表放大器输出连接至导联脱落检测电路的输入端

事实上，导联脱落检测电路是一个比较器，迟滞利用一个 放大器实现。用一个高增益比较器来确定输入电压是高于 还是低于基准电压，并输出一个代表净差符号的电压。迟 滞通过少量正反馈消除噪声导致的不稳定性。单电源供电 时，需要偏移基准电压，使电路完全在第一象限工作。图 4显示了实现方法。电阻分压器(R2和R1)产生一个正基准 电压，用以与输入电压进行比较。图4中给出了设计直流 阈值所用的公式。

 

 

图4. 比较器在单电源条件下的工作原理

参考图3，R1 = 5.1 kΩ，R2 = R3 = 2.4 MΩ，VCC = 3.3 V，VOL = 0 V，VOH = 3.3 V。

我们用图4中的公式计算： VTL = 0.006983 V

VTH = 0.013966 V

迟滞 = VTH – VTL = 0.006983 V

正常工作时，微功耗仪表放大器的输出应是VREF;如果导 联脱落，比较器的输出将变为0 V。当比较器的输出上升到 3.3 V时，微功耗仪表放大器的输出也是0 V。根据微控制器 的中断模式不同，上升沿或高电平可以触发微控制器的中 断。当导联再次接上时，比较器的输出降至0 V，下降沿或 低电平可以触发中断。