基于微功耗IC設(shè)計功能更齊全心率監(jiān)護(hù)儀(HRM)

 運(yùn)用多種最新微功耗、高精度IC芯片，可以設(shè)計出一款功能更加齊全的低功耗心率監(jiān)護(hù)儀(HRM)。本文旨在討論這些芯片和功能。

設(shè)計便攜式心率監(jiān)護(hù)儀時的嚴(yán)格要求足以令任何人頭疼不已。首先，心臟監(jiān)護(hù)儀必須符合最高安全性、可靠性和精度標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計師還必須應(yīng)對紐扣電池有限的電量。一方面，要滿足市場對更多功能的需求，另一方面，又不能增大空間、功率或成本，令人頭疼的問題接踵而來。

幸運(yùn)的是，解決辦法是存在的。運(yùn)用多種最新微功耗、高精度IC芯片，可以設(shè)計出一款功能更加齊全的低功耗心率 監(jiān)護(hù)儀(HRM)。

低功耗IC最重要的功能是延長HRM所用電池的壽命，HRM 用于實(shí)時測量病人的心率，或者把心率記錄下來供以后研 究使用。便攜式HRM需要依靠電池長時間工作，因此，需要功耗低。數(shù)十年以來，動態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀和其他便攜式 ECG系統(tǒng)一直采用低電壓電池供電，以確保安全。心臟病 病人或敏感設(shè)備最不需要的是突然涌現(xiàn)的“熱”線電壓。 微功耗IC采用低電壓和電流工作，因此能節(jié)省電池電量。

HRM的模擬前端

HRM的主要目的是計算心率和顯示ECG波形，同時還應(yīng)提 供導(dǎo)聯(lián)脫落檢測功能。圖1顯示了HRM設(shè)計的框圖。模擬 前端利用下列器件構(gòu)建：微功耗儀表放大器、運(yùn)算放大器 以及一個內(nèi)置12位ADC、采樣保持放大器和數(shù)字處理器的 微型轉(zhuǎn)換器。處理后的數(shù)據(jù)送往PC進(jìn)行顯示。

圖1. 微功耗儀表放大器構(gòu)成出色的心率監(jiān)護(hù)儀輸入放大器

微功耗儀表放大器構(gòu)成出色的輸入放大器， 其低功耗、小 尺寸、整個頻率范圍內(nèi)的高共模抑制比(CMMR)、軌到軌 輸入和輸出等特性非常適合這種電池供電型應(yīng)用。高性能 微功耗儀表放大器可解決許多常見的人體皮膚電位(范圍為 0.2 mV至2 mV)測量難題。對于這種應(yīng)用，最佳儀表放大器 應(yīng)當(dāng)具有高CMMR以便抑制共模信號，例如手術(shù)室設(shè)備的 線路噪聲或高頻EMI等。軌到軌輸出特性提供寬動態(tài)范圍， 支持比典型儀表放大器更高的增益。此外，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng) 利用微功耗儀表放大器來實(shí)現(xiàn)自然RC濾波器;當(dāng)放大器之 前使用串聯(lián)輸入電阻時，該RC濾波器可以降低高頻噪聲。

在主信號鏈中，微功耗儀表放大器后接一個積分器反饋網(wǎng) 絡(luò)，利用4.7 μF電容和100 kΩ電阻實(shí)現(xiàn)，用以設(shè)置高通濾波 器的−3 dB截止頻率。它抑制電極的半電池超電勢可能產(chǎn)生 的差分直流失調(diào)。微功耗運(yùn)算放大器提供13倍的額外增益 以便放大弱信號。一個有源二階低通貝塞爾濾波器消除約 50 Hz以上的信號。

由于電路采用電池供電，因此將電路的基準(zhǔn)電壓連接到病 人時，就能用作基準(zhǔn)電壓，從而提高共模抑制性能。這對 于測量ECG信號很重要。注意，有些機(jī)器是從踩踏板獲得 電源，因此不使用隔離。

基準(zhǔn)電壓

本設(shè)計假設(shè)ECG信號范圍為0.2 mV至2 mV。為防止信號被 箝位并使ADC的動態(tài)范圍最大(0 V至1.25 V)，設(shè)計中增加 0.625 V偏置。如圖2所示，電阻分壓器和緩沖器產(chǎn)生0.625 V 基準(zhǔn)電壓，它也用于偏置ECG信號(見圖1)。

圖2. 電阻分壓器和緩沖器產(chǎn)生0.625 V基準(zhǔn)電壓

導(dǎo)聯(lián)脫落檢測

如果電極接觸不良，HRM應(yīng)提供警示信號。當(dāng)電極脫離病 人時，這些電阻與微功耗儀表放大器輸入端的兩個20 MΩ 電阻(見圖1)一起使輸入發(fā)生偏移。正常工作時，微功耗儀 表放大器的輸出是基準(zhǔn)電壓;如果一個電極脫落，輸出將 變?yōu)? V。圖3所示為導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路，微功耗儀表放大 器的輸出端連接到檢測電路的輸入端。

圖3. 儀表放大器輸出連接至導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路的輸入端

事實(shí)上，導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路是一個比較器，遲滯利用一個 放大器實(shí)現(xiàn)。用一個高增益比較器來確定輸入電壓是高于 還是低于基準(zhǔn)電壓，并輸出一個代表凈差符號的電壓。遲 滯通過少量正反饋消除噪聲導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。單電源供電 時，需要偏移基準(zhǔn)電壓，使電路完全在第一象限工作。圖 4顯示了實(shí)現(xiàn)方法。電阻分壓器(R2和R1)產(chǎn)生一個正基準(zhǔn) 電壓，用以與輸入電壓進(jìn)行比較。圖4中給出了設(shè)計直流 閾值所用的公式。

圖4. 比較器在單電源條件下的工作原理

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

我們用圖4中的公式計算： VTL = 0.006983 V

VTH = 0.013966 V

遲滯 = VTH – VTL = 0.006983 V

正常工作時，微功耗儀表放大器的輸出應(yīng)是VREF;如果導(dǎo) 聯(lián)脫落，比較器的輸出將變?yōu)? V。當(dāng)比較器的輸出上升到 3.3 V時，微功耗儀表放大器的輸出也是0 V。根據(jù)微控制器 的中斷模式不同，上升沿或高電平可以觸發(fā)微控制器的中 斷。當(dāng)導(dǎo)聯(lián)再次接上時，比較器的輸出降至0 V，下降沿或 低電平可以觸發(fā)中斷。