如何簡化用于心率監測器的模擬前端設計

我保持身形的新年決心并未像我希望的那樣成功。和許多人一樣，我在開始時熱情萬丈，但可能會慢慢回到老樣子。

在我的一個試驗中，我開始思考設計一款心率監測器來監測我自己的健康狀況究竟會有多難。我看到越來越多的便攜式設備集成了患者監護功能，它們這樣做的目的是提前發現心臟異常情況來挽救生命。

大約三年前，德州儀器 (TI) 發布了ECG/EEG 模擬前端ADS1298產品系列，旨在使用于生物電勢設備的模擬前端設計變得更簡易一些。現在，更簡單一點兒說，我在談論右腿驅動 (RLD) 設計、威爾遜中心終端 (WCT) 設計、導聯脫落檢測方法等（已被集成到芯片中，使電路板占用空間最多可縮減 95％）。這種高集成度可減少電路板占用空間，使設計更加小巧。結合極低的功耗（在 1mW 以下），該產品系列真的非常適合便攜式應用。讓我們更仔細地審視一下胸帶心率監測器，看看設計模擬前端有多大難度。

當心臟搏動時，它會產生一種很小的電脈沖，主要頻率成分的帶寬較小，為40Hz；振幅大約為幾毫伏。這種電脈沖可由高精度 ADC（如ADS1291）獲得并進行數字化處理，無需任何外部增益級設置。因此請謹記，如果我們拆開胸帶的設計，我們會看到，它被兩個放置在胸前的電極進行了簡化，為的是標明單個導聯（稱為導聯 I）。無需使用第三個電極來給健身愛好者或患者加偏壓。相反，我們使用了不同的設計方法，以確保輸入在轉換器的范圍之內。輸入是 AC 耦合式的，可以便從患者身上移除 DC 工作點。然后，我們用高阻抗電阻器來設置工作點。

我前面已提到，RLD 電極無需驅動患者肢體。相反，通過弱電阻器，可用 RLD 電極在轉換器的輸入端設置偏置點。還有其它給輸入加偏壓的方法：可使用電源或外部 LDO。事實上，任何源極均可使用，只要它能確保輸入在 ADC 的運行范圍內即可。

由于大多數信號成分的帶寬都較小，為 40H，所以可限制 ADC 的數據速率，以幫助調低噪聲。ADS1298產品系列的數字濾波器可限制 1/4 的數據速率，這就允許我們使用 250SPS 甚至 500SPS 并仍能滿足 1μVrms 轉換器的噪聲要求。

其實，這就是您為設計模擬前端所需要的一切 — 沒有什么太復雜的。高級醫療設備或消費類心率監測器甚至可使用相同的模擬前端設計。ECG 設計的“內容”取決于您如何利用數字處理中的數據。這是該系統的出色之處。在今后的文章中，我將對數字處理多作一些解釋，敬請關注。