實驗室電路之用于病人監護的心電圖前端

連接/參考器件

ADAS1000集成呼吸與脈搏檢測的心電圖（ECG）前端

ADP151超低噪聲、200 mA CMOS線性穩壓器

評估和設計支持

電路評估板

評估板（EVAL-ADAS1000SDZ）

系統演示平臺（EVAL-SDP-CB1Z）

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優勢

本電路是高度集成的心電圖（ECG）前端，用于電池供電式病人監護應用。圖1顯示典型5導聯（4個肢體導聯和1個心前胸導聯）ECG測量系統物理連接的頂層框圖，該系統集成了呼吸與脈搏檢測功能。這種配置通常用于便攜式遙測ECG測量或線路供電式床邊儀器的最小導聯設置。

在皮膚表面測量時，ECG信號幅度較小，通常為1 mV.有關病人的健康及其它參數的重要信息都蘊藏在那個小信號之中，因此要求器件具有μV級的測量靈敏度。就系統而言，許多醫療標準都要求最大噪聲不超過30μV p-p；然而，設計人員通常把這一數值定的更低。因此，設計滿足系統層面需求的解決方案時，必須考慮所有的噪聲源。

ADAS1000的額定噪聲性能針對多種不同的工作環境。電源須經過設計，確保不會降低整體性能。選擇ADP151線性穩壓器是由于它的超低噪聲性能（9μV rms典型值，10 Hz至100 kHz），配合ADAS1000的電源抑制性能，可確保ADP151產生的噪聲不影響整體噪聲性能。


圖1.用于典型4電極+ RLD或5導聯配置的ADAS1000簡化功能框圖（未顯示所有連接和去耦）

電路描述

ADAS1000五電極ECG模擬前端（AFE）解決新一代低功耗、低噪聲、高性能系留式和便攜式ECG系統帶來的挑戰。

ADAS1000是一款高度集成的芯片，由五個電極輸入和一個專用右腿驅動（RLD）輸出參考電極組成，專為監控與診斷級ECG測量而設計。

除了支持監控ECG信號的基本元件，ADAS1000還配備了呼吸測量（胸阻抗測量）、起搏偽像檢測、導聯/電極連接狀態以及內部校準等功能。

單個ADAS1000支持5個電極輸入，輕松進行傳統的6導聯ECG測量。并聯第二個ADAS1000從機設備便可將系統調節到真正的12導聯測量（由9個電極和1個RLD組成），若加入多個從機設備（3個或更多），便可將系統調節到15導聯測量甚至更多。

呼吸 ADAS1000集成用于在46 kHz至64 kHz的可編程頻率下進行呼吸驅動的數模轉換器（DAC），以及用于簡化這一復雜測量過程的模數轉換器（ADC）。測量信號經解調，轉換為幅度和相位信息，可據此確定相應的呼吸信息，從而得到具體的線纜參數。本電路使用內部電容時分辨率為200 mΩ，使用外部電容時具有較高的分辨率（200 mΩ）。電路具有靈活的開關方案，允許測量三個導聯中的一個（I、II或III）。

起搏檢測算法起搏檢測算法在四根可能的導聯線（I、II、III或aVF）中的三根上運行三個數字算法實例。它與內部抽取和濾波并行針對高頻心電圖數據運行。該算法設計用于檢測并測量寬度范圍從100 μs到2 ms、幅度從400 μV到1000 mV的起搏偽像。ADAS1000返回一個標志，用以表示是在一根還是多根導聯線上檢測到起搏信號，同時返回檢測到信號的高度和寬度。當用戶希望運行自己的數字起搏算法時，ADAS1000提供了一個高速起搏接口，以極快的數據速率（128 kHz）提供ECG數據，與此同時，標準接口上經過濾波和抽取的ECG數據保持不變。

低功耗 ADAS1000針對低功耗設計，僅需21 mW便可進行5個ECG電極的測量。若需進一步降低電池供電式動態心電和遙測儀等應用的整體功耗，所有未用到的通道和特性都可輕松禁用，以便進一步將單個ECG導聯的功耗降低至11 mW.

低噪聲

若需在不同條件下進行正確診斷，則低噪聲性能至關重要。終端設備需要借助于ADAS1000的噪聲性能，以符合監管標準。ADAS1000允許在噪聲性能、功耗以及數據速率之間進行權衡取舍，適合用于多種產品之中。在功耗并非主要問題的線路供電式ECG系統中，ADAS1000的性能同樣非常出色。

使用器件的高性能模式可優化其噪聲性能，該模式下片上SAR ADC的采樣速率上升至2 MSPS，因此具有更高的信噪比（SNR）。

靈活的數據速率

標準串行接口可輸出所有ECG相關信息，包括導聯脫落狀態、起搏、呼吸和其它輔助功能。統稱“包”或“幀”的大量32位或16位數據字通過數據總線的串行SDO引腳輸出。提供不同的數據幀速率（2 kHz、16 kHz或128 kHz），確保最終簡化數據采集任務。最低的數據速率（2 kHz）可實現更多抽取功能，并且針對低噪聲性能優化了幀數據速率。還可在跳躍模式下讀取數據，該模式每次都在第二或第三個字時從設備讀取包或幀。數據速率最低為500 Hz.

ADAS1000評估板連接SDP板的照片見圖2.

評估板設計為提供1導聯至12導聯ECG測量。


圖2. ADAS1000評估板/SDP板（EVAL-SDP-CB1Z）

用于便攜式ECG應用中的電池

用于便攜式ECG設備中的電池種類各異，在某些情況下可能會用AA或AAA電池，方便更換或充電。

電池增加了儀器儀表的整體重量。由于病人的舒適度非常重要，因此減少整體解決方案的尺寸和重量并保持電池壽命就成了便攜式ECG應用的首要考量因素。

最新產品傾向于使用化學電池，如鋰離子電池，并且電池供電時間可從幾小時到幾天，具體時間視產品而定。

電池電壓范圍取決于系統中元器件的電源范圍。ADAS1000需要3.3 V的AVDD.因此，若使用了ADP151穩壓器，則電池必須供應至少3.7 V的電源，所需裕量為400 mV.鋰離子或鋰聚合物電池的標稱電壓為3.7 V；然而，放電電壓大約為3.2 V.因此，需要兩個堆棧確保ADP151達到3.7 V的最小電壓。

選擇合適的電源解決方案ADAS1000至少需要兩條供電軌——AVDD和IOVDD.如表1所示，ADCVDD和DVDD供電軌是可選的；使用ADAS1000集成的片上LDO，可分別從AVDD或IOVDD供電軌獲取電源。

表1. ADAS1000所需的電源


AVDD和IOVDD在評估板上由3.3 V電源供電。為IOVDD供電軌選擇3.3 V，以保持與EVAL-SDP-CB1Z上的SPORT接口兼容。若需要與工作在較低電源電壓下的微控制器接口，則IOVDD電源電壓可低至1.65 V.

或者，如果需要電源效率更高的解決方案，可通過ADAS1000上的硬件引腳（VREG_EN）禁用ADCVDD和DVDD內部供電軌，以便通過外部電源驅動ADCVDD和DVDD供電軌。由于ADCVDD供電軌在片上為ADC供電，必須盡量保持其干凈，并且一定不能與含有噪聲的數字電源一同使用。

根據具體的工作模式，為單個ADAS1000供電的AVDD供電軌電源電流通常在8 mA和15 mA之間，并使能所有5路通道；可禁用不工作的通道以降低功耗。

專用的ADP151同時作用于評估板上的AVDD和IOVDD電源。注意每個ADP151都可驅動200 mA電流，因此可為系統內的其它元器件供電。ADP151穩壓器的輸入來自電路板上供其它用途的5 V供電軌。

加入適當的濾波后，單個ADP151即可同時提供AVDD和IOVDD供電軌的電源，確保AVDD供電軌不受IOVDD供電軌上的任何數字噪聲影響。

EVAL-ADAS1000SDZ評估板設計成能夠以大約250 mA為EVAL-SDP-CB1Z板提供所需的5 V電源。ADP2503降壓/升壓DC-DC轉換器可由連接板卡的4.5 V至5.5 V輸入電源產生5 V供電軌。

若該硬件連接SDP板并由電池供電，則總功耗將很快耗盡電池的電量。

常見變化

ADAS1000系列中的其它引腳兼容型ECG前端提供的功能較少。例如，ADAS1000-4是3通道版本，帶脈搏與呼吸檢測功能；ADAS1000-3提供3路ECG通道但不帶脈搏或呼吸檢測功能。ADAS1000-2是配套器件，具有5路ECG通道，適用于組合配置模式，支持12導聯ECG測量（9個ECG電極和1個RLD）。表2列出了該系列各產品間的差異。這些產品系列確保了靈活的配置，可從較少的導聯數一路擴展至15導聯測量，甚至更多。

可將DC-DC轉換器用于電源以獲得更高的效率，但需謹慎布局布線并避免紋波噪聲。


表2. ADAS1000系列不同產品的功能概覽

主接口針對希望使用自有數字起搏算法的用戶而提供，參見ADAS1000數據手冊中的“第二串行接口”部分。

電路評估與測試

設備列表

需要以下設備：

EVAL-ADAS1000SDZ套件，包括EVALADAS1000SDZ評估板、5 V壁式電源、含有ADAS1000評估軟件的CD

EVAL-SDP-CB1Z系統演示板

集成USB端口的PC，且已安裝ADAS1000評估軟件

可用于信號捕捉的病人仿真器或函數發生器

有關如何使用ADAS1000評估板的詳細說明，請參考ADAS1000SDZ用戶指南。圖3顯示使用評估板軟件的典型屏幕截圖，評估板連接病人仿真器。


圖3.連接病人仿真器的ADAS1000屏幕截圖，心率= 70 BPM

噪聲測量評估板軟件用于捕獲采用ADAS1000評估板時ECG導聯路徑的峰峰值噪聲性能。結果如圖4所示。器件配置條件如下：

增益設置為1.4

ADC采樣速率為2 MSPS（高性能模式）

數據速率為2 kHz

在數字導聯模式下配置（數字計算型導聯）

ECG通道連接1.3 V內部測試音


圖4.使用ADAS1000評估板和評估軟件時導聯模式下ADAS1000噪聲測量的屏幕截圖

x軸表示時間，顯示幾秒內的信號捕獲；y軸的單位為μV，表示這些條件下，信號在±7μV范圍內變化的噪聲性能。這與期望的ADAS1000性能一致，并且與使用低噪聲線性臺式電源時相同硬件上的性能相當。它證明了評估板上的ADP151電源電路并未導致ADAS1000整體噪聲的顯著增加。

使用本評估板和電路筆記的條件

有關完整的免責聲明，請參考ADAS1000SDZ用戶指南。

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本評估板僅限評估和開發使用，不可用作最終產品，或作為最終產品的一部分使用。在這些應用中以任何方式使用本評估板或設計，則由使用者自行承擔相關風險；由于未經授權使用而給ADI公司、其附屬機構、員工、董事、管理層、委托人和代理人帶來的全部責任和費用，應由使用方賠償全部損失。使用方全權負責遵守與此類使用相關的所有法律和法規要求。