過去，一般針對身體不適或確診患者進行生命體征監(jiān)護；而如今，我們監(jiān)控這些參數(shù)則是為了預測突發(fā)狀況。一般可通過監(jiān)測心率測量某人的身體狀況或?qū)ふ疑眢w極限。本文描述ADI公司的一種全新集成電路，有助于監(jiān)測心率。此外，該電路還能監(jiān)測心臟行為，提供心臟反饋信息和ECG波形。

在所有生物電測量中，最常用的是ECG和心率測量，因為它們能有效地指示身體狀況。它們使您能安全地鍛煉，并提供身體狀況改善和鍛煉成果的反饋。運動中獲取的心率數(shù)據(jù)鼓勵您盡情地揮灑汗水，而不會過度鍛煉或用力過猛。持續(xù)跟蹤心率可讓您監(jiān)測心臟輸出，以便表明在整個健身過程中是否處于安全運動狀態(tài)。此外，在較長的時間段內(nèi)監(jiān)測心率可獲得長期進展的反饋。如果可以在不提高心率的情況下以更高的強度水平進行鍛煉，那么這就意味著您比以前更強壯有效了。

AD8232 是一款全新的低功耗集成式信號調(diào)理前端，針對ECG和其他生物電測量開發(fā)?？赏ㄟ^接觸或非接觸測量方式監(jiān)測心率。它使用兩個或三個電極從人體獲取心電信號。

該芯片可將來自電極的微弱并帶有噪雜的信號轉(zhuǎn)換為經(jīng)過濾波的大信號，以便微控制器內(nèi)置的獨立模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)能輕松將其數(shù)字化。

信號鏈描述

圖2顯示了AD8232的簡化電路圖，其在原理上可視為四個獨立的子功能。它包含一個儀表放大器、一個支持低通濾波的放大器級、一個右腿驅(qū)動(RLD)放大器和一個片內(nèi)基準電壓緩沖器。

信號鏈上的關鍵功能是儀表放大器。其平衡輸入級可提供至少80 dB共模抑制比。連接人體的電極直接與該放大器的高阻抗輸入節(jié)點相連，該節(jié)點輸入阻抗為100 m。該級集成100 V/V固定增益，放大施加于輸入端的小信號。由于此高增益下的直流失調(diào)很容易使輸入放大器飽和，因此采用2極點高通濾波器將其耦合；它能抑制電極的半電池電位，并過濾運動偽像。

第二級包含一個運算放大器，可使信號的增益額外增加11 V/V，將總增益設為1100 V/V，并將最大差分輸入信號限制為2.7 mV p-p。然而，該器件具有過壓保護，因此超過最高電平的輸入電壓會使輸出失真，但不會損壞器件。運算放大器可配置為2極點低通濾波器，以便消除線路噪聲和其他干擾。輸出信號是AD8232輸入端的干凈、放大版本ECG信號。根據(jù)信號的處理方式，該器件可用作“心率監(jiān)護儀”設備或中等性能ECG系統(tǒng)。

AD8232針對低功耗、單電源工作設計，因此它的接地必須抬高至固定基準電平(偽接地)，首選ADC中間電平或共模電壓電平，用于后續(xù)信號鏈。集成式基準放大器緩沖該電壓，以便設置AD8232內(nèi)部的公共基準點?？梢允褂脙蓚€電阻將基準電壓設為任意首選電平，或者使用ADC基準電壓輸出。如果ADC沒有內(nèi)置基準電壓，則可以使用AD8232的REF輸出作為ADC基準電壓。該比例式測量具有很高的精度水平，且不會馬上需要絕對精度。

濾波的重要性

由人體獲得的信號很弱且很噪雜，從而對運動相關的偽像很敏感。由于這個原因，濾波對于獲取有用的信號很重要。輸入放大器可同時提供增益和高通濾波。它能為微弱的ECG信號帶來100 V/V增益，同時抑制電極失調(diào)電壓；電極失調(diào)最高可達±300 mV。

第一個濾波器的–3 dB截止頻率為FHP1 ?3 dB = 100/(2πR1C1)。由于放大器的增益和反饋架構，濾波器截止頻率比一般預計值高100倍。圖3顯示了實現(xiàn)最優(yōu)信號傳輸?shù)姆糯笃骱透鞣N濾波器級電路圖。

第一級后跟一個交流耦合網(wǎng)絡，表示第二極點。截止頻率由常規(guī)的一階高通濾波器設置，即FHP2 ?3 dB = 1/(2πR2C2)。 兩個高通濾波器組合總共產(chǎn)生–40 dB/十倍頻程滾降

下一個濾波器級支持二階低通濾波器，采用Sallen-Key配置。此濾波器很重要，可以消除運動偽像，并校正基線。建議截止頻率大約25 Hz。該放大器級的輸出在+VS到地的范圍內(nèi)擺動不超過100 mV，因此可以使用AD8232之后ADC的幾乎整個動態(tài)范圍，從而在ADC和AD8232由同一個電源供電時最大程度提升系統(tǒng)分辨率。

右腿驅(qū)動放大器

另一個放大器稱為右腿驅(qū)動放大器，是一個集成式放大器，提供第三個電極的連接。RLD可用來調(diào)理病人/用戶與AD8232器件之間的共模電壓。該RLD有助于優(yōu)化AD8232的性能，但并非必須功能。RLD連接使應用更能免受外界干擾——比如市電50 Hz/60 Hz噪聲、開關模式電源，以及新LED燈、熒光燈和其他照明系統(tǒng)的輻射。

導聯(lián)脫落檢測和快速恢復模式

AD8232可以監(jiān)控某電極何時從病人或用戶身上斷開連接。用戶可以選擇采用直流或交流導聯(lián)脫落檢測。在直流導聯(lián)脫落檢測模式下，系統(tǒng)檢測電極的輸入電壓。當某一個電極的輸入變?yōu)楦唠娖綍r，相應的LO–或LO+引腳便被標記，以便向操作人員或用戶發(fā)出警報。此外，如果AD8232僅使用兩個電極工作(無RLD)，那么可以采用交流導聯(lián)脫落檢測模式。該器件可向電極輸入100 kHz小激勵電流，檢測電極何時斷開連接。由于僅使用兩個電極，AD8232無法檢測從人體脫落的是哪一個電極。在交流導聯(lián)脫落檢測期間，僅標記LO+引腳。

AD8232另一項很有用的功能是快速恢復模式。為了支持該項功能，當其中一個導聯(lián)在其輸入端發(fā)生突變時，AD8232自動調(diào)節(jié)到較高的濾波器截止頻率。例如，AD8232可以放在全功能訓練器或跑步機等健身器械的把手上。當用戶握住把手時，該功能就會幫助器件恢復功能，更快地提供有效的測量結果。

建立信號后，濾波器操作自動改變，改善系統(tǒng)的整體噪聲表現(xiàn)。圖4顯示使能和不使能快速恢復模式情況下的建立時間。

何處使用AD8232

該ECG測量電路或心率前端電路針對各種應用而開發(fā)。它可用于醫(yī)療保健以及運動和活動應用。很多醫(yī)療保健系統(tǒng)要求采用低引腳數(shù)ECG測量，比如便攜式ECG監(jiān)護儀、醫(yī)用心率監(jiān)護儀、低端除顫器和自動外部除顫器(AED)。這些應用要求ECG監(jiān)護儀測量心臟活動，并在提供除顫器脈沖的前一刻進行同步。

一個快速增長且完全不同的市場是運動和鍛煉市場。運動期間測量心率有助于運動員改進鍛煉程序，并決定最佳鍛煉水平。AD8232對此提供了解決方案。

該器件的模擬輸出可讓系統(tǒng)集成商自主選擇ADC和微控制器。ADI提供內(nèi)置ADC的ARM Cortex?-M3處理器，分辨率范圍從12位至24位。其中一款推薦的產(chǎn)品是ADuCRF101。但如果需要使用獨立的ADC，那么ADI還有其他產(chǎn)品可供選擇，比如低功耗12位AD7170或16位AD7171，它們的功耗分別為125 μA和135 μA。這些器件可以采用和前端相同的電源電壓供電，以便最大程度降低總功耗，延長電池使用時間。如果應用通過市電供電，則需要一個電流隔離柵來保持病人或用戶的安全。ADIiCoupler?系列提供隔離電源高達5 kV的電流隔離，有助于滿足這些要求。

結論

總而言之，AD8232是一款非常小巧的全功能構件塊，可用于各種心臟監(jiān)護應用中。該器件提供4 mm × 4 mm小型封裝，功耗極低且價格具有競爭力，可支持醫(yī)療保健、家庭護理和運動市場。