心电图必须不仅能够检测 0.5 mV 到 5.0 mV 的极弱信号，而且检测出高达 ±300 mV 的直流分量（由电极-皮肤接触引起），以及高达 1.5 V 的共模分量，这是电位产生的电极和接地之间。ECG 信号的有用带宽取决于应用，范围为 0.5-100 Hz，有时可达 1 kHz。在外部高频噪声、50 或 60 Hz 干扰和直流电极偏移电位较大的情况下，一般在 1 mV 峰峰值附近。其他噪声源包括影响皮肤电极界面的运动、肌肉收缩或肌电图尖峰、呼吸（可能是有节奏或零星的）、电磁干扰 （EMI） 以及其他电子设备的噪音夫妇进入输入。

首先，将生产一个生物电位放大器来处理心电图。然后，电极将放置在患者身上，以测量两只手臂之间的电位差。生物电位放大器的主要功能是接收生物源的弱电信号，增加其振幅，以便进一步处理、记录或显示。

图 3.ECG放大器。

为了在生物学上有用，所有生物电位放大器必须满足某些基本要求：

• 它们必须具有高输入阻抗，以便它们提供被测信号的最小负载。生物电位电极可能受其负载影响，从而导致信号失真。
• 生物电位放大器的输入电路还必须为所研究的受试者提供保护。放大器应具有隔离和保护电路，以便通过电极电路的电流保持在安全水平。
• 输出电路驱动负载，通常是指示或记录设备。为了在读出中获得最大的保真度和范围，放大器必须具有低输出阻抗，并能够提供负载所需的功率。
• 生物电位放大器必须在其放大的生物电位存在的频谱中工作。由于此类信号的水平低，因此限制放大器的带宽以获得最佳信号到噪声比非常重要。 这可以使用筛选器来完成。

图 3 是 ECG 放大器的示例，图 4 是在此演示期间构建的 ECG 放大器电路。它有三个主要阶段：保护电路、仪表放大器和高通滤波器。

图 4.生物电位放大器。

第一阶段是患者保护电路。二极管是一种半导体器件，它向一个方向传导电流。当二极管向前偏置时，二极管充当短路并导电。当二极管反向偏置时，它充当开路不导电，i_r = 0。

当二极管处于正向偏置配置中时，必须超过一种称为阈值电压（VT = 约 0.7 V）的电压，以便二极管传导电流。一旦超过 VT，无论_V in 是什么，二极管上的压降都将在 VT 处保持不变。

当二极管反向偏置时，二极管将充当开路，并且二极管上的电压降将等于_{V in。}

图 5 是一个基于此演示中使用的二极管的简单保护电路的示例。电阻器用于限制流经患者的电流。如果仪表放大器或二极管中的故障使患者与其中一个电源轨的连接短路，则电流将小于 0.11 mA。FDH333 低漏二极管用于保护仪表放大器的输入。当电路中的电压超过0.8 V的幅度时，二极管将改变其活动区域或"ON"状态;电流流经它们，保护患者和电子元件。

图 5.保护电路。

第二阶段是仪表放大器 IA，它使用三个运算放大器（运算放大器）。每个输入都附带一个运算放大器，以增加输入电阻。第三个运算放大器是差分放大器。此配置能够抑制接地参考的干扰，并且仅放大输入信号之间的差异。

图 6.仪表放大器。

第三阶段是高通滤波器，用于放大在大直流电压之上的小交流电压。心电图受来自患者运动和呼吸的低频信号的影响。高通滤波器可降低此噪声。

高通滤波器可以通过一阶RC电路实现。图 7 显示了一阶高通滤波器及其传输函数的示例。截止频率由以下公式给出：

,
  

图 7.高通滤波器。

在本演示中，三个电极连接到单个电极，输出通过生物电位放大器。数字滤波前心电图示例如下（图8）。

图8.无数字滤波的 ECG 信号。

在设计过滤器并将数据馈送到开发的算法后，检测到图形上的峰值并用于计算心跳率 （BPM）。图 9在时间和频率域中显示原始数据（在任何滤波之前）的 ECG 信号。图 10显示了过滤该信号的结果。

图 9.滤波前的ECG信号。

图10.过滤心电图信号。

原始心电图图具有略微可见的 P、QRS 和 T 复合体，这些复合物从噪声中呈现了许多波动。ECG信号的频谱还显示了65赫兹的明显尖峰，这被认为是噪声。当使用低通滤波器处理信号以去除无关高频部分，然后使用带停止滤波器移除 65 Hz 信号分量时，输出看起来明显更清洁。ECG 在消除所有噪声后，清楚地显示信号的每个分量。

此外，测得的心率约为每分钟61.8609次。

心脏周期内心肌收缩在胸部内产生电流。电阻组织之间的电压下降由放置在皮肤上的电极检测，并由心电图记录。由于电压较弱，在0.5 mV范围内，与噪声量小，因此需要处理和过滤信号。本实验设计了一个由两部分模拟和数字信号处理电路组成的心电图装置，用于分析生成的ECG信号，并计算心跳速率。

本演示介绍了电子电路和ECG信号滤波的基本原理。在这里，实用的信号处理技术用于从噪声背景中提取弱信号。这些技术可用于需要信号放大和降噪的其他类似应用。

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