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24位ADC简化ECGEKG模拟前端设计医疗电子【热搜】

发布时间:2019-06-18 16:10:25 阅读: 来源:乳化剂厂家
24位Σ-Δ ADC简化ECG/EKG模拟前端设计 - 医疗电子 - 电子工程网 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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