【導讀】過去，一般針對身體不適或確診患者進行生命體征監護； 而如今，我們監控這些參數則是為了預測突發狀況。一般 可通過監測心率測量某人的身體狀況或尋找身體極限。本 文描述ADI公司的一種全新集成電路，有助于監測心率。 此外，該電路還能監測心臟行為，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 數據鼓勵您盡情地揮灑汗水，而不會過度鍛煉或用力過 猛。持續跟蹤心率可讓您監測心臟輸出，以便表明在整個 健身過程中是否處于安全運動狀態。此外，在較長的時間 段內監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。
圖1.
AD8232 是一款全新的低功耗集成式信號調理前端，針對 ECG和其他生物電測量開發?？赏ㄟ^接觸或非接觸測量方式 監測心率。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換為經過 濾波的大信號，以便微控制器內置的獨立模數轉換器 (ADC)能輕松將其數字化。
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、一個右腿驅動(RLD)放大器和一個片內基 準電壓緩沖器。
圖2. AD8232簡化框圖
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 高阻抗輸入節點相連，該節點輸入阻抗為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。根據信號的處理方式，該器件可用作“心率 監護儀”設備或中等性能ECG系統。
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，用于后續信號鏈。集成式基準放大器緩沖該電 壓，以便設置AD8232內部的公共基準點?？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，同時抑制電極失調電壓；電 極失調最高可達±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顯示了實現最優信號傳輸的放大器和各 種濾波器級電路圖。
圖3. AD8232的濾波部分
第一級后跟一個交流耦合網絡，表示第二極點。截止頻率由 常規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 范圍內擺動不超過100 mV，因此可以使用AD8232之后ADC 的幾乎整個動態范圍，從而在ADC和AD8232由同一個電 源供電時最大程度提升系統分辨率。
右腿驅動放大器
另一個放大器稱為右腿驅動放大器，是一個集成式放大 器，提供第三個電極的連接。RLD可用來調理病人/用戶與 AD8232器件之間的共模電壓。該RLD有助于優化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的輻射。
導聯脫落檢測和快速恢復模式
AD8232可以監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脫落檢測。在直流導聯 脫落檢測模式下，系統檢測電極的輸入電壓。當某一個電 極的輸入變為高電平時，相應的LO–或LO+引腳便被標 記，以便向操作人員或用戶發出警報。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，當其中一個導聯在其輸入端發生突變時，AD8232 自動調節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，改善系統的整體噪聲 表現。圖4顯示使能和不使能快速恢復模式情況下的建立 時間。
圖4. 使能和不使能快速恢復模式下的AD8232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。它 可用于醫療保健以及運動和活動應用。很多醫療保健系統 要求采用低引腳數ECG測量，比如便攜式ECG監護儀、醫 用心率監護儀、低端除顫器和自動外部除顫器(AED)。這 些應用要求ECG監護儀測量心臟活動，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集成商自主選擇ADC和微控制 器。ADI提供內置ADC的ARM Cortex™-M3處理器，分辨率 范圍從12位至24位。其中一款推薦的產品是ADuCRF101。 但如果需要使用獨立的ADC，那么ADI還有其他產品可供 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，可支持醫療保健、家庭 護理和運動市場。
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