Одноканальный ЭКГ на ОУ АД620 с цифровым выходом RS232

Электрокардиография - это запись электрических сигналов, генерируемых при работе сердца. Сигнал ЭКГ снимается с кожных покровов при помощи электродов, размещаемых в определенных точках. Кривая ЭКГ имеет характерную форму, пики и интервалы между пиками обозначаются латинскими буквами P, Q, R, S, T и U (см. рис. 1).

Рис. 1. Форма сигнала ЭКГ

В данной статье предложены некоторые идеи по реализации недорогого ЭКГ-монитора. Устройство предполагается использовать совместно с персональным компьютером. Хотя при написании статьи предусматривались средства, обеспечивающие безопасность пациента, это не значит, что все представленные идеи сами по себе удовлетворяют всем требованиям стандартов безопасности; при разработке устройства вам следует самим обеспечить его соответствие требованиям безопасности.

Сначала мы рассмотрим типичную топологию входной (аналоговой) части электрокардиографа. Затем предложим схему, которая обеспечит аналого-цифровое преобразование, цифровую фильтрацию и нормирование цифрового сигнала - все это обеспечит микроконвертор - интегральная «система-на-кристалле», в которую входят аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и флэш-память. В данной статье будут рассматриваться вопросы выбора компонентов и программирования микроконвертора.

Типичная сигнальная цепочка аппарата ЭКГ

Рис.2. Структурная схема прибора

На рис. 2 показана структурная схема типичного одноканального электрокардиографа. Видно, что в данной сигнальной цепочке все виды фильтрации сигнала осуществляются с помощью аналоговой техники, тогда как микропроцессор, микроконтроллер или процессор DSP используется только для целей коммуникации, управления и т. п.

Таким образом, имеющийся вычислительный ресурс процессора не использован. Кроме того, сложные аналоговые фильтры могут оказаться весьма нежелательными с точки зрения неудобства их перестройки, а также занимаемого места на плате, высокой стоимости и энергопотребления.

Предлагаемое схемное решение:

Сигнальная цепочка может быть значительно упрощена при использовании микроконвертора ADuC842, который позволяет заменить АЦП, фильтры и вычислительный блок одной интегральной микросхемой. Дополнительные преимущества заключаются в гибкости перестройки параметров фильтра и в изоляции цифрового интерфейса. Предлагаемое схемное решение приведено на рис. 3.

Рис.3. Предлагаемая схема электрокардиографа.

Аналоговый вход

Для схемы аналогового входа применено традиционное для подобных систем решение - инструментальный усилитель (IA) и операционный усилитель обратной связи, выход которого подключен к правой ноге пациента. В качестве инструментального усилителя применен AD620 - недорогой усилитель с высокой точностью и превосходными характеристиками на постоянном токе: коэффициент ослабления синфазного сигнала CMR >> 100 dB на частотах вплоть до 1 кГц, смещение на входе не более 50 мкВ, малый входной ток (1 нА макс.) и низкое напряжение шума (0,28 мкВ в полосе 0,1...10 Гц). Для AD620 требуется единственный внешний резистор RG, задающий коэффициент усиления. Резисторы R2 и R3 также влияют на коэффициент усиления:

Кус = 1+49,4k/ RG + (49,4k/2)/22k.

Для того чтобы избежать насыщения выхода, коэффициент усиления установлен таким, чтобы размах выходного напряжения соответствовал максимальному, если на входе присутствует максимальное расчетное напряжение сигнала. При напряжении питания ±5 В размах выходного напряжения ИС AD620 составляет ±3,8 В; тогда при входном сигнале ±5 мВ и при возможном постоянном смещении ±300 мВ расчетный коэффициент усиления составит 12,45. Таким образом, с учетом запаса, мы устанавливаем коэффициент усиления равным 8 (±1%) при помощи RG = 8,45 кОм.

В схеме обратной связи, предназначенной для компенсации синфазного сигнала, применен операционный усилитель типа OP97 - малопотребляющий прецизионный ОУ с чрезвычайно высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (мин. значение 114 дБ). Эта схема подает на правую ногу пациента напряжение, компенсирующее синфазную составляющую сигнала с целью устранить влияние синфазного сигнала. Операционный усилитель имеет коэффициент усиления для синфазного сигнала, равный 91 [то есть R4/(R2||R3) = 1 МОм/11 кОм], и частоту среза низкочастотного фильтра около 160 Гц, что обеспечивает устойчивость усиления

[f-3dB = 1/2π X (10 кОм X 0,1 мкФ)].

Лучшие статьи по информатике

Применение сверхширокополосных сигналов в перспективных системах связи
В современных условиях требования, предъявляемые к эффективности и функциональности систем передачи информации (повышение помехоустойчивости, скрытность, э ...

Разработка управляющей программы для микроконтроллера HCS12
Около 55% проданных в мире процессоров приходится на 8ми битные микроконтроллеры. Более 4 млрд. 8ми битных микроконтроллеров продано в 2006. Они установлены ...

Проектирование цифровой системы коммутации на базе оборудования Surpass hiE 9200
В настоящее время многие операторы связи обладают развитой инфраструктурой, построенной во время становления телекоммуникационной отрасли в России. Инфрастр ...

Меню сайта