24位Σ-Δ ADC简化ECG/EKG模拟前端设计

2013-09-28 10:52:50来源: 互联网

概述

  电极放置在心脏两侧并紧贴皮肤,心电图仪(ECGEKG)记录心电信号随时间的变化。ECG显示代表心肌活动的电极对之间的压差。通过显示屏指示心率信号,便于医生诊断心肌不同部位的微弱信号。

  实际ECG信号的幅度只有几毫伏,频率不超过几百赫兹。ECG测量面临诸多挑战:一方面,来自ECG主电源的50Hz至60Hz电容耦合干扰要比有用信号强许多;另一方面,身体皮肤的接触阻抗以及传感器之间阻抗的不匹配,这会导致较大的偏差并降低共模抑制能力;此外,还要解决接触噪声以及电磁源产生的干扰问题。

  多数设计中,利用模拟前端(AFE)提取这些信号,对信号进行放大和滤波,随后采用一个12位或14位的ADC进行数据采集。本文给出了ECG系统主要AFE组件,并提供了一种高度集成的设计方案,即MAX11040K 24位同步采样Σ-Δ型ADC。MAX11040K提供该应用所需的电路,省去了AFE。

  AFE单元

  模拟前端包含三个主要元件(图1)。

典型的ECG设备通常利用AFE进行信号放大、滤波,然后通过一个ADC进行数据采集

  图1. 典型的ECG设备通常利用AFE进行信号放大、滤波,然后通过一个ADC进行数据采集。

  1、仪表放大器(IA)

  仪表放大器(IA)的主要任务是抑制共模信号(通常是50Hz/60Hz干扰)。ECG应用需要90dB,甚至更高的共模抑制比(CMRR) 以抑制放大电路之前从电源耦合的50Hz/60Hz信号。即使采用具有高共模抑制比(CMRR)的IA,不同ECG电极的差异或者是皮肤接触阻抗之间的不匹配不仅产生失调漂移,也会导致CMRR低于所期望的水平。阻抗的不匹配主要源于电极与皮肤的物理接触、排汗和肌肉运动等原因。

  随后要考虑的因素是IA的增益,设置IA增益是必需注意避免增益过大导致削波或饱和。

  还要注意的是,音频信号与ECG信号不在同一频带。因此,典型的音频放大器和Σ-Δ ADC并不适合ECG应用,这些器件在有用信号频带内存在较高的输入参考噪声。

  IA的输入阻抗指标也很重要,因为ECG测量的是微弱信号。推荐选择具有高阻输入的IA,因为较低的输入阻抗会导致较大的信号衰减。

  2、高通滤波器

  虽然初始信号只有mV量级,通过IA放大5倍或10倍后将上升到几十毫伏。而这个量级的信号也只能覆盖ADC输入量程很小的一部分。例如,一个12位ADC具有±4.096V输入量程,最低有效位(LSB)为2mV,如果直接采集几十毫伏的信号,就没有足够的分辨率来区分信号和采样噪声。因此,需要对信号进行再次放大,还必须消除直流漂移。常见的AFE电路是使用一个高通滤波器,将不希望出现的信号(低频干扰)作为一个负的偏移量反馈(负反馈)到IA输入。

  3、第二级放大

  利用IA和高通滤波器消除直流和低频干扰后,再进行第二级放大,提供额外的增益以达到ADC的输入量程。有些设计还添加了一个陷波滤波器,对50Hz/60Hz作进一步抑制。

  4、低通/抗混叠滤波器

  低通滤波器用来抑制高频干扰,它也作为一个抗混叠滤波器(即阻止任何大于奈奎斯特或1 / 2采样频率的信号,避免产生ADC混叠)。

  为了进一步降低输入共模信号,ECG设计通常还引入一级“右腿驱动器”,驱动反相共模信号返回人体。为了确保病人的安全,通常利用一个运算放大器和一个限流电阻,确保驱动到人体的是一个非常微弱的信号源。这个屏蔽装置旨在降低ECG探头承载信号的噪声耦合。

  总之,ECG应用中的有用信号小于100mV,考虑到失调和共模信号,通常将其放大到2V。因此,AFE必须有2V测量范围,可以辨识低于几百,甚至几十µV的信号,采样率在1ksps左右。

  正确的ADC可以减少、甚至消除对AFE的需求

  AFE设计完成后,能够满足实际应用对分辨率、速率和输入量程的要求的ADC有许多。但是,仍要优先考虑具有高分辨率、高共模抑制比(CMRR)及其它优势的ADC,以确保ECG的设计需求。

  MAX11040K同步采样、Σ-ΔADC本身的性能指标即超出了此类应用的最低要求,可以取代系统的大部分功能电路,甚至可以省去AFE,提供了一种更可靠、更小封装、更简便的设计方案。

  MAX11040K具备才应用的几项必备规格:

  输入量程:±2.2V

  差分输入

  110dB共模抑制比(典型值)

  24位分辨率:

     SNR >110dB

     19位无噪声范围

     有效分辨率 = 2/219 = 3.8µV

  ±6V输入过压保护

  四路全差分同步采样ADC

     可级联多达32个通道同步采样

  可编程输出数据速率

  串行接口(方便安全隔离)

  可编程相位(子数据率)

  过压/故障检测

  图2给出了MAX11040K的简单应用,差分输入、高达110dB的共模抑制比可有效抑制50Hz/60Hz电源耦合噪声,由此,MAX11040K可以取代IA的第一个功能。凭借其24位分辨率和19位无噪声范围,MAX11040K具有足够的分辨率,完全可以捕捉到几个µV 的信号变化。省去了第一级放大器(IA的第二个功能)、第二级放大器和高通滤波器。另外,器件±2.2V的输入量程也非常适合ECG应用。

  图2. 仅利用MAX11040K ADC获得ECG应用所需的性能,减少元件数量的同时,
节省电路板空间并降低系统的整体成本。

  MAX11040K的采样率为3.072MHz(过采样Σ-Δ),但可编程输出数据速率(即有效采样率),将其设置在64ksps至250sps,提高了系统灵活性。对于小信号,该器件具有误差平滑功能,采用∑-? ADC架构也消除了抗混叠滤波器的需求。有关Σ-Δ型ADC的详细介绍,请参考应用笔记1870:“解密Σ-Δ ADC。”

  MAX11040K的另外两个功能也非常适合ECG应用,即同步采样和可编程相位延迟。当前世界上流行的是12导联ECG,保持相位的完整性非常重要。每片MAX11040K提供4个差分通道,相当于8个探头。MAX11040K可以最多级联八片器件,支持多达64个通道的同步采样。不仅可以同时对各通道进行采样,而且每个通道的相位也可以编程设置(0到333µs延时,步长为1.33µs)。

  我们还提供16位分辨率的类似器件:MAX11046,都具有±6V输入保护,当输入信号超越88%的输入范围时,产生过压故障报警。一个串行外设接口(SPI)减少了对光隔离器的要求,无需额外电源,因为其数字电源和模拟电源分开供电。

  MAX11046解决方案的测试结果

ECG应用测试

  图3. ECG应用测试(采用MAX11040K评估板)。

  图3是MAX11040K评估板框图,可用于实际测试评估。该评估板包含两片MAX11040K,配置工作在8通道同步采集。该评估板可以插入PC的USB口,带有存储器和DSP,便于项目开发。

  在实验中仅仅增加铜箔连通ECG信号,在ADC输入和电极之间串联22kΩ电阻。130kΩ ADC输入阻抗(XIN时钟频率为24.567MHz),使得信号出现75%的衰减(图4),测试结果如图5所示。

MAX11040K的等效输入阻抗

  图4. MAX11040K的等效输入阻抗。

EKG采集数据

  图5. EKG采集数据。

  结论

  本文发表时,MAX11040K ADC是市场上唯一满足ECG测量要求的器件,在不增加成本的前提下提供理想的特性指标。MAX11040K有助于降低您的研发预算、缩短设计时间、缩小电路板面积并减少系统的元件数量,同时也提高了方案的性能和可靠性。

关键字:24位  Σ-Δ  ADC  ECG  EKG  模拟前端

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0928/article_19527.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
24位
Σ-Δ
ADC
ECG
EKG
模拟前端

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved