基于TL084C的心電信號檢測系統設計

2 系統總體要求
由于通過體表兩極所測的心電信號十分微弱，只有毫伏級(O．05～4 mV)，而在檢測心電信號的同時又存在強大的噪音干擾，因此，為了能有效精確的測量，本系統分為前置放大電路、濾波電路、主放大電路等部分，通常需要滿足以下條件：
(1)前置放大器的增益應介于200～2000之間，其共模抑制比不應低于1000：1 (dB)；
(2)前置放大器的差模輸入阻抗應≥20 MΩ；
(3)電路的電磁輻射要盡可能的低。心電信號十分微弱，而且很容易串入周圍環境的噪聲干擾。另外，在設計電路的時候，還需要考慮到電子電路自身的電磁輻射，避免給信號測量帶來新的麻煩。
本心電信號檢測系統的原理框圖如圖2所示。

3 系統電路設計
3．1 前置放大電路
由于電極采集到的心電信號幅值通常在0．05～4 mV，頻譜范圍為O．1～35 Hz，通常需要放大上千倍才能觀察到，并且人體內阻較大，因此，一個高阻抗、高增益的前置放大器是準確獲取心電信號的關鍵。整個前置放大電路是一個差分放大電路，一般包括輸入保護及緩沖器、驅動反饋網絡和儀表放大電路等部分，圖3所示是其前置放大電路圖。

圖中，輸入電極可使用雙片銀／氯化銀(Ag／AgCl)電極，主要用來引導體表電位差。測量時，人的雙手緊握電極片即可。輸入裝置應包括保護電路，其作用一方面用來防止機器的漏電流進入人體而影響使用者的安全，另一方面，也應防止過強的信號進入后續電路。在防止ESD時，心電電極的輸入端可能會出現幅度高達數千伏、持續時間為n納秒的高壓脈沖。為防止這些高壓脈沖損壞心電輸入端的器件，本設計采用箝位電路進行輸入保護。即將所有ESD放電管聚集在一起，一點接地并與后續電路隔離。在除顫時，電極輸入可使用由10 kΩ的電阻和33 nF的電容組成的一階高通濾波作為輸入緩沖，主要用于吸取快速瞬變脈沖，同時也用于隔斷直流干擾。對于強高頻電力干擾，主要依靠二極管箝位保護電路，將電壓箝位到±1．4 V左右，從而形成中低壓防護，以保證輸入運放的安全和電源的穩定。
緩沖器結構為電壓跟隨器，其作用一是提高輸入阻抗，克服電極與人體接觸電阻引起的信號衰減：二是確保輸出阻抗足夠小，以有效驅動后面的電路。輸入保護端和緩沖采用對稱結構，這對50 Hz的工頻噪聲等共模干擾進行抑制非常有效。驅動深度反饋網絡主要用作信號反向反饋，提高共模抑制比，有效削弱共模干擾，改善心電信號質量。
因此，前置放大電路一共需用四個運放。本設計選用TL084C。TL084C是高速J-FET(結型場效應管)型輸入四運放集成芯片。其中的每一個
運算放大器在單塊集成電路上都使用了高電壓結型場效應管和雙極性管，同時兼容了更好的匹配性，具有轉換速率高，輸入基極電流和輸入漂移電流小，漂移電壓溫度系數低特點。