概述

电极放置在心脏两侧并紧贴皮肤，心电图仪(ECG或EKG)记录心电信号随时间的变化。ECG显示代表心肌活动的电极对之间的压差。通过显示屏指示心率信号，便于医生诊断心肌不同部位的微弱信号。

实际ECG信号的幅度只有几毫伏，频率不超过几百赫兹。ECG测量面临诸多挑战：一方面，来自ECG主电源的50Hz至60Hz电容耦合干扰要比有用信号强许多；另一方面，身体皮肤的接触阻抗以及传感器之间阻抗的不匹配，这会导致较大的偏差并降低共模抑制能力；此外，还要解决接触噪声以及电磁源产生的干扰问题。

多数设计中，利用模拟前端(AFE)提取这些信号，对信号进行放大和滤波，随后采用一个12位或14位的ADC进行数据采集。本文给出了ECG系统主要AFE组件，并提供了一种高度集成的设计方案，即MAX11040K 24位同步采样Σ-Δ型ADC。MAX11040K提供该应用所需的电路，省去了AFE。

AFE单元

模拟前端包含三个主要元件(图1)。

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-ΔADC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。

MAX11040K具备该应用的几项必备规格：

          输入量程：±2.2V

          差分输入

          110dB共模抑制比(典型值)

          24位分辨率

·           SNR > 110dB

·           19位无噪声范围

·           有效分辨率= 2/2¹⁹ = 3.8µV

          ±6V输入过压保护

          四路全差分同步采样ADC

·           可级联多达32个通道同步采样

          可编程输出数据速率

          串行接口(方便安全隔离)

          可编程相位(子数据率)

          过压/故障检测

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。

图2. 仅利用MAX11040K ADC获得ECG应用所需的性能，减少元件数量的同时，节省电路板空间并降低系统的整体成本

MAX11040K的采样率为3.072MHz(过采样Σ-Δ)，但可编程输出数据速率(即有效采样率)，将其设置在64ksps至250sps，提高了系统灵活性。对于小信号，该器件具有误差平滑功能，采用∑-∆ ADC架构也消除了抗混叠滤波器的需求。有关Σ-Δ型ADC的详细介绍，请参考应用笔记1870：“解密Σ-ΔADC。”

MAX11040K的另外两个功能也非常适合ECG应用，即同步采样和可编程相位延迟。当前世界上流行的是12导联ECG，保持相位的完整性非常重要。每片MAX11040K提供4个差分通道，相当于8个探头。MAX11040K可以最多级联八片器件，支持多达64个通道的同步采样。不仅可以同时对各通道进行采样，而且每个通道的相位也可以编程设置(0到333μs延时，步长为1.33μs)。

我们还提供16位分辨率的类似器件：MAX11046，都具有±6V输入保护，当输入信号超越88%的输入范围时，产生过压故障报警。一个串行外设接口(SPI)减少了对光隔离器的要求，无需额外电源，因为其数字电源和模拟电源分开供电。

MAX11040解决方案的测试结果

图3. ECG应用测试(采用MAX11040K评估板)

图3是MAX11040K评估板框图，可用于实际测试评估。该评估板包含两片MAX11040K，配置工作在8通道同步采集。该评估板可以插入PC的USB口，带有存储器和DSP，便于项目开发。

The experiment was conducted by just adding copper plates to conduct ECG signals, and with 22kΩ series resistors between the ADC input and the user's hands. With an input impedance of 130kΩ (based on a X_IN clock frequency of 24.567MHz), the signal should be attenuated by 75% (Figure 4). Test results are seen in Figure 5.

在实验中仅仅增加铜箔连通ECG信号，在ADC输入和电极之间串联22kΩ电阻。130kΩ ADC输入阻抗(X_IN时钟频率为24.567MHz)，使得信号出现75%的衰减(图4)，测试结果如图5所示。

图4. MAX11040K的等效输入阻抗

查看大图 (PDF, 745kB)
图5. EKG采集数据

结论

本文发表时，MAX11040K ADC是市场上唯一满足ECG测量要求的器件，在不增加成本的前提下提供理想的特性指标。MAX11040K有助于降低您的研发预算、缩短设计时间、缩小电路板面积并减少系统的元件数量，同时也提高了方案的性能和可靠性。