【摘要】本文首先給出了一種基于AD620芯片心跳速率檢測的方案，介紹了組成系統(tǒng)的傳感頭、信號提取、濾波放大及微處理器等各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)。其次，根據(jù)該方案設(shè)計(jì)的心跳速率檢測系統(tǒng)獲得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表現(xiàn)出低成本、高性能的特性。最后，文章討論了提高濾波放大及去除噪聲的相關(guān)技術(shù)。

　　1.前言

　　心跳速率是反映人體健康狀況的重要指標(biāo)，所謂心跳速率通常是指一分鐘內(nèi)心臟搏動(dòng)的次數(shù)。心跳速率的檢測可以為臨床診斷、病人的護(hù)理、運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練等工作提供科學(xué)依據(jù)。近年來，國內(nèi)外研制生產(chǎn)的許多醫(yī)療設(shè)備及健身器材都用到心跳速率檢測電路，研發(fā)低成本、高性能的心跳速率檢測電路具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

　　本文報(bào)道了一種基于AD620芯片的心跳速率檢測系統(tǒng)。利用AD620芯片良好的低噪聲特性，加上合理的濾波及放大電路，結(jié)合微處理器處理，我們得到一個(gè)高精度的心跳速率檢測系統(tǒng)。

　　2.電路設(shè)計(jì)

　　2.1原理框圖

　　人體皮膚表面含有人的心電信號、肌電以及工頻信號等，一般情況下包含心跳速率信息的心電信號要遠(yuǎn)小于工頻信號等噪聲。為了提取微弱的心電信號，必須采用低噪聲的運(yùn)放并設(shè)計(jì)合理的濾波放大電路。

　　圖1是心跳速率檢測系統(tǒng)的原理框圖。整個(gè)心跳速率檢測系統(tǒng)包括四個(gè)部分：與人體皮膚表面接觸的傳感頭，信號提取電路，濾波放大電路及微處理器電路。傳感頭一般為容易導(dǎo)電的金屬，與人體皮膚表面接觸后具有人的心電信號、肌電信號以及工頻信號等復(fù)雜的電信號。我們采用低噪聲的AD620運(yùn)放作為心跳速率提取電路的核心芯片。在濾波放大電路部分，采用了簡單的低通濾波電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種濾波電路足夠提取心跳速率信號。濾波放大后的信號，用可調(diào)的比較器結(jié)合三極管電路整形成5伏特的TTL電平信號，最后接到微處理器上，由微機(jī)處理心跳信號，計(jì)算出心跳速率并顯示出來。

　　圖1心跳速率檢測原理框圖

　　2.2基于AD620的信號提取電路

　　AD620運(yùn)放，通常用于高精度的測試儀器中，40ppm的最大非線性誤差，最大50uV電壓偏移，最大溫漂0.6uV/℃，因其低噪聲、低偏流、低功耗的特性在心電圖（ECG）、血壓監(jiān)視等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　圖2是基于AD620的信號提取電路，其中LEFT_ARM、RIGHT_ARM、LEG三引線接鋁片（即傳感頭）分別接到人體的左右手和右腳，我們的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，LEFT_ARM、的增益，在我們的實(shí)驗(yàn)中R4為1K，相應(yīng)的AD620運(yùn)放增益為50。增益太大會(huì)削弱最后的信噪比，在實(shí)驗(yàn)中要合理的設(shè)置R4阻值。LEFT_ARM、RIGHT_ARM引線間接0.1uF的電容是為有效的削弱工頻噪聲。LEG引線通過TL082A接到AD620，是為LEFT_ARM、RIGHT_ARM的差動(dòng)信號提供人體的參考電位。

　　圖2基于AD620的信號提取電路

　　2.3濾波放大電路

　　圖3是濾波放大電路。三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成三級放大，各放大100倍，由于電路損耗特別是隔離電容的損耗，實(shí)際信號放大倍數(shù)小于100萬倍。電路中的R6及R5、R9及R8、R11及R10的阻值之比決定放大倍數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中要合理的調(diào)節(jié)這些阻值。在放大信號的同時(shí)要采用低通濾波電路，達(dá)到濾除工頻噪聲的效果。由于工頻噪聲的頻率為50Hz，設(shè)計(jì)的濾波電路的通頻帶寬要小于50Hz，即其中電容電阻的RC時(shí)間常數(shù)要和工頻信號周期同一量級，電路中R7、C10組成低通濾波。在各級放大間我們采用1uF的電容隔離，這些電容同時(shí)會(huì)衰減信號，而三個(gè)運(yùn)放是選擇信號放大，因此信噪比得到提高。需要指出的是，隔離電容太大的話，容易引起輸出電信號漂移。

　　
圖 3 濾波放大電路

　　圖4是整形電路。2ND_OUT引線的心跳速率信號及信噪比足夠大（心跳速率的脈沖1～5V），經(jīng)過D1的半波整形，然后經(jīng)過可調(diào)比較器，最后經(jīng)三極管Q1轉(zhuǎn)化為單片機(jī)電平。

　　圖4整形電路

　　2.4微處理器電路

　　最后信號由AT89C51來處理，并用LED數(shù)碼管顯示心跳速率，以AT89C51為核心的微處理器電路非常成熟，這里不再贅述。

　　3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

　　圖5給出了應(yīng)用上述系統(tǒng)對人的心跳速率進(jìn)行實(shí)際測量的結(jié)果。其中圖5（a）是信號2ND_OUT經(jīng)過D1整形后的電壓信號，從圖中可以看出，這實(shí)際上是一個(gè)完整的心電信號。在一個(gè)周期的信號中，有兩個(gè)比較明顯的脈沖信號，這個(gè)脈沖特性因人而異，通過實(shí)測不同人的心電信號發(fā)現(xiàn)其中至少有一個(gè)脈沖信號。圖5（b）給出了HEART_PULSE的電信號，它是由圖5（a）信號經(jīng)過比較器及三極管開關(guān)后得到的。該信號可以直接輸入微處理器的端口，由微處理器計(jì)算并輸出心跳速率。

　　圖5心跳速率信號圖

　　在開發(fā)上述心跳速率檢測系統(tǒng)的時(shí)候，有幾個(gè)關(guān)鍵的地方要特別注意：
? ? ? ? 1）LEFT_ARM、RIGHT_ARM接電容可以大大提高信噪比;在LEFT_ARM、RIGHT_ARM上的心跳速率信號主要能量在1Hz左右的頻率上，而電容是低通濾波器，能夠起到濾波和抑制噪聲的作用;選擇大電容消除掉高頻噪聲，在實(shí)驗(yàn)中采用了10uF的無極性電容，效果很好;

　　2）低通濾波電路有效削弱工頻信號，提高信噪比;采用有源濾波和無源濾波相結(jié)合的方法，邊放大邊濾波，相比于放大后濾波有更好的效果;

　　3）電容隔離衰減和多級放大有利于提高信噪比;主要噪聲是50Hz的工頻信號，多級放大和濾波盡管增加了熱噪聲，但是對工頻噪聲抑制很大，當(dāng)然放大級數(shù)不能無限多，最佳的級數(shù)是工頻噪聲和熱噪聲之和最小。

　　4）抑制直流信號漂移應(yīng)該選用小電容隔離，這是實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明的，其原因有待進(jìn)一步研究。

　　4.結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)并演示一種AD620芯片的心跳速率檢測系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)，給出了提高系統(tǒng)性能的方法。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)獲得較好的心電信號和準(zhǔn)確的心跳速率。本文的心跳速率檢測系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。