在所有生物电测量中，最常用的是ECG和心率测量，因为 它们能有效地指示身体状况。它们使您能安全地锻炼，并 提供身体状况改善和锻炼成果的反馈。运动中获取的心率 数据鼓励您尽情地挥洒汗水，而不会过度锻炼或用力过 猛。持续跟踪心率可让您监测心脏输出，以便表明在整个 健身过程中是否处于安全运动状态。此外，在较长的时间 段内监测心率可获得长期进展的反馈。如果可以在不提高 心率的情况下以更高的强度水平进行锻炼，那么这就意味 着您比以前更强壮有效了。

 

图1.

 

AD8232 是一款全新的低功耗集成式信号调理前端，针对 ECG和其他生物电测量开发。可通过接触或非接触测量方式 监测心率。它使用两个或三个电极从人体获取心电信号。

 

该芯片可将来自电极的微弱并带有噪杂的信号转换为经过 滤波的大信号，以便微控制器内置的独立模数转换器 (ADC)能轻松将其数字化。

 

信号链描述

 

图2显示了AD8232的简化电路图，其在原理上可视为四个 独立的子功能。它包含一个仪表放大器、一个支持低通滤 波的放大器级、一个右腿驱动(RLD)放大器和一个片内基 准电压缓冲器。

 

图2. AD8232简化框图

 

信号链上的关键功能是仪表放大器。其平衡输入级可提供 至少80 dB共模抑制比。连接人体的电极直接与该放大器的 高阻抗输入节点相连，该节点输入阻抗为100 m。该级集 成100 V/V固定增益，放大施加于输入端的小信号。由于此 高增益下的直流失调很容易使输入放大器饱和，因此采用 2极点高通滤波器将其耦合；它能抑制电极的半电池电 位，并过滤运动伪像。

 

第二级包含一个运算放大器，可使信号的增益额外增加 11 V/V，将总增益设为1100 V/V，并将最大差分输入信号 限制为2.7 mV p-p。然而，该器件具有过压保护，因此超 过最高电平的输入电压会使输出失真，但不会损坏器件。 运算放大器可配置为2极点低通滤波器，以便消除线路噪 声和其他干扰。输出信号是AD8232输入端的干净、放大版 本ECG信号。根据信号的处理方式，该器件可用作“心率 监护仪”设备或中等性能ECG系统。

 

AD8232针对低功耗、单电源工作设计，因此它的接地必须 抬高至固定基准电平(伪接地)，首选ADC中间电平或共模 电压电平，用于后续信号链。集成式基准放大器缓冲该电 压，以便设置AD8232内部的公共基准点。可以使用两个电 阻将基准电压设为任意首选电平，或者使用ADC基准电压 输出。如果ADC没有内置基准电压，则可以使用AD8232 的REF输出作为ADC基准电压。该比例式测量具有很高的 精度水平，且不会马上需要绝对精度。

 

滤波的重要性

 

由人体获得的信号很弱且很噪杂，从而对运动相关的伪像 很敏感。由于这个原因，滤波对于获取有用的信号很重 要。输入放大器可同时提供增益和高通滤波。它能为微弱 的ECG信号带来100 V/V增益，同时抑制电极失调电压；电 极失调最高可达±300 mV。

 

第一个滤波器的–3 dB截止频率为FHP1 −3 dB = 100/(2πR1C1)。 由于放大器的增益和反馈架构，滤波器截止频率比一般预 计值高100倍。图3显示了实现最优信号传输的放大器和各 种滤波器级电路图。

 

图3. AD8232的滤波部分

 

第一级后跟一个交流耦合网络，表示第二极点。截止频率由 常规的一阶高通滤波器设置，即FHP2 −3 dB = 1/(2πR2C2)。 两个高通滤波器组合总共产生–40 dB/十倍频程滚降

 

下一个滤波器级支持二阶低通滤波器，采用Sallen-Key配 置。此滤波器很重要，可以消除运动伪像，并校正基线。 建议截止频率大约25 Hz。该放大器级的输出在+VS到地的 范围内摆动不超过100 mV，因此可以使用AD8232之后ADC 的几乎整个动态范围，从而在ADC和AD8232由同一个电 源供电时最大程度提升系统分辨率。

 

右腿驱动放大器

 

另一个放大器称为右腿驱动放大器，是一个集成式放大 器，提供第三个电极的连接。RLD可用来调理病人/用户与 AD8232器件之间的共模电压。该RLD有助于优化AD8232 的性能，但并非必须功能。RLD连接使应用更能免受外界 干扰——比如市电50 Hz/60 Hz噪声、开关模式电源，以及 新LED灯、荧光灯和其他照明系统的辐射。

 

导联脱落检测和快速恢复模式

 

AD8232可以监控某电极何时从病人或用户身上断开连接。 用户可以选择采用直流或交流导联脱落检测。在直流导联 脱落检测模式下，系统检测电极的输入电压。当某一个电 极的输入变为高电平时，相应的LO–或LO+引脚便被标 记，以便向操作人员或用户发出警报。此外，如果AD8232 仅使用两个电极工作(无RLD)，那么可以采用交流导联脱 落检测模式。该器件可向电极输入100 kHz小激励电流，检 测电极何时断开连接。由于仅使用两个电极，AD8232无法 检测从人体脱落的是哪一个电极。在交流导联脱落检测期 间，仅标记LO+引脚。

 

AD8232另一项很有用的功能是快速恢复模式。为了支持该 项功能，当其中一个导联在其输入端发生突变时，AD8232 自动调节到较高的滤波器截止频率。例如，AD8232可以放 在全功能训练器或跑步机等健身器械的把手上。当用户握 住把手时，该功能就会帮助器件恢复功能，更快地提供有 效的测量结果。

 

建立信号后，滤波器操作自动改变，改善系统的整体噪声 表现。图4显示使能和不使能快速恢复模式情况下的建立 时间。

 

图4. 使能和不使能快速恢复模式下的AD8232建立时间

 

何处使用AD8232

 

该ECG测量电路或心率前端电路针对各种应用而开发。它 可用于医疗保健以及运动和活动应用。很多医疗保健系统 要求采用低引脚数ECG测量，比如便携式ECG监护仪、医 用心率监护仪、低端除颤器和自动外部除颤器(AED)。这 些应用要求ECG监护仪测量心脏活动，并在提供除颤器脉 冲的前一刻进行同步。

 

一个快速增长且完全不同的市场是运动和锻炼市场。运动 期间测量心率有助于运动员改进锻炼程序，并决定最佳锻 炼水平。AD8232对此提供了解决方案。

 

该器件的模拟输出可让系统集成商自主选择ADC和微控制 器。ADI提供内置ADC的ARM Cortex™-M3处理器，分辨率 范围从12位至24位。其中一款推荐的产品是ADuCRF101。 但如果需要使用独立的ADC，那么ADI还有其他产品可供 选择，比如低功耗12位AD7170或16位AD7171，它们的功 耗分别为125 μA和135 μA。这些器件可以采用和前端相同 的电源电压供电，以便最大程度降低总功耗，延长电池使 用时间。如果应用通过市电供电，则需要一个电流隔离栅 来保持病人或用户的安全。ADIiCoupler®系列提供隔离电 源高达5 kV的电流隔离，有助于满足这些要求。

 

结论

 

总而言之，AD8232是一款非常小巧的全功能构件块，可用 于各种心脏监护应用中。该器件提供4 mm × 4 mm小型封 装，功耗极低且价格具有竞争力，可支持医疗保健、家庭 护理和运动市场。

 

 

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