基于AD620芯片的心跳速率檢測系統設計|壹芯微

心跳速率是反映身體健康狀況的關鍵指標值，簡單來說心跳速率就是指1分鐘內心血管搏動的頻次。心跳速率的檢驗能夠為疾病診斷、患者的醫護、選手訓煉等工作中出示科學論證。近些年，世界各國研發生產制造的很多醫療器械及健身器械都采用心跳速率檢驗電源電路，產品研發成本低、高性能的心跳速率檢驗電源電路具有重要的應用價值。文中詳細介紹了這種基于AD620集成IC的心跳速率檢測系統。運用AD620集成IC優良的低噪音特點，再加有效的過濾及放大電路，融合微處理器解決，就獲得一個高精的心跳速率監測系統。

1.AD620芯片

AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1至10000。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立電路設計，并且功耗更低，因而非常適合電池供電及便攜式應用。其特點如下：

圖1AD620芯片

(1)易于使用

增益裝置，具有一個外部電阻

(增益范圍1至10,000)

寬電源范圍(±2.3V至±18V)，

性能優于三種

運算放大器IA設計，

提供8引腳DIP和SOIC封裝

低功耗，1.3mAmaxSupply

(2)低噪聲

9nV/√Hz，@1kHz，輸入電壓噪聲

0.28μVpp噪聲(0.1Hz至10Hz)

(3)優異的直流性能(B級)

最大50μV，輸入失調電壓最大

0.6μV/°C，輸入失調漂移

最大1.0nA，輸入偏置電流

100dB最小共模

抑制比(G=10)

(4)出色的交流規格

120kHz帶寬(G=100)

15μs穩定時間至0.01%

2.電路設計

2.1原理框圖

人體皮膚表面含有人的心電信號、肌電以及工頻信號等，一般情況下包含心跳速率信息的心電信號要遠小于工頻信號等噪聲。為了提取微弱的心電信號，必須采用低噪聲的運放并設計合理的濾波放大電路。

圖2是心跳速率檢測系統的原理框圖。整個心跳速率檢測系統包括四個部分：與人體皮膚表面接觸的傳感頭，信號提取電路，濾波放大電路及微處理器電路。傳感頭一般為容易導電的金屬，與人體皮膚表面接觸后具有人的心電信號、肌電信號以及工頻信號等復雜的電信號。我們采用低噪聲的AD620運放作為心跳速率提取電路的核心芯片。在濾波放大電路部分，采用了簡單的低通濾波電路，實驗結果表明這種濾波電路足夠提取心跳速率信號。濾波放大后的信號，用可調的比較器結合三極管電路整形成5伏特的TTL電平信號，最后接到微處理器上，由微機處理心跳信號，計算出心跳速率并顯示出來。

圖2心跳速率檢測原理框圖

2.2基于AD620的信號提取電路

AD620運放，通常用于高精度的測試儀器中，40ppm的最大非線性誤差，最大50uV電壓偏移，最大溫漂0.6uV/℃，因其低噪聲、低偏流、低功耗的特性在心電圖(ECG)、血壓監視等醫學領域得到廣泛應用。

圖3是基于AD620的信號提取電路，其中LEFT_ARM、RIGHT_ARM、LEG三引線接鋁片(即傳感頭)分別接到人體的左右手和右腳，我們的實驗研究結果表明，LEFT_ARM、的增益，在我們的實驗中R4為1K，相應的AD620運放增益為50。增益太大會削弱最后的信噪比，在實驗中要合理的設置R4阻值。LEFT_ARM、RIGHT_ARM引線間接0.1uF的電容是為有效的削弱工頻噪聲。LEG引線通過TL082A接到AD620，是為LEFT_ARM、RIGHT_ARM的差動信號提供人體的參考電位。

圖3基于AD620的信號提取電路

2.3濾波放大電路

圖4是濾波放大電路。三個運放構成三級放大，各放大100倍，由于電路損耗特別是隔離電容的損耗，實際信號放大倍數小于100萬倍。電路中的R6及R5、R9及R8、R11及R10的阻值之比決定放大倍數，在實際應用中要合理的調節這些阻值。在放大信號的同時要采用低通濾波電路，達到濾除工頻噪聲的效果。由于工頻噪聲的頻率為50Hz，設計的濾波電路的通頻帶寬要小于50Hz，即其中電容電阻的RC時間常數要和工頻信號周期同一量級，電路中R7、C10組成低通濾波。在各級放大間我們采用1uF的電容隔離，這些電容同時會衰減信號，而三個運放是選擇信號放大，因此信噪比得到提高。需要指出的是，隔離電容太大的話，容易引起輸出電信號漂移。

圖4濾波放大電路

圖5是整形電路。2ND_OUT引線的心跳速率信號及信噪比足夠大(心跳速率的脈沖1～5V)，經過D1的半波整形，然后經過可調比較器，最后經三極管Q1轉化為單片機電平。

圖5整形電路

2.4微處理器電路

最后信號由AT89C51來處理，并用LED數碼管顯示心跳速率，以AT89C51為核心的微處理器電路非常成熟，這里不再贅述。

3.實驗結果及討論

圖6給出了應用上述系統對人的心跳速率進行實際測量的結果。其中圖6(a)是信號2ND_OUT經過D1整形后的電壓信號，從圖中可以看出，這實際上是一個完整的心電信號。在一個周期的信號中，有兩個比較明顯的脈沖信號，這個脈沖特性因人而異，通過實測不同人的心電信號發現其中至少有一個脈沖信號。圖6(b)給出了HEART_PULSE的電信號，它是由圖6(a)信號經過比較器及三極管開關后得到的。該信號可以直接輸入微處理器的端口，由微處理器計算并輸出心跳速率。

圖6心跳速率信號圖

在開發上述心跳速率檢測系統的時候，有幾個關鍵的地方要特別注意：

(1)LEFT_ARM、RIGHT_ARM接電容可以大大提高信噪比;在LEFT_ARM、RIGHT_ARM上的心跳速率信號主要能量在1Hz左右的頻率上，而電容是低通濾波器，能夠起到濾波和抑制噪聲的作用;選擇大電容消除掉高頻噪聲，在實驗中采用了10uF的無極性電容，效果很好;

(2)低通濾波電路有效削弱工頻信號，提高信噪比;采用有源濾波和無源濾波相結合的方法，邊放大邊濾波，相比于放大后濾波有更好的效果;

(3)電容隔離衰減和多級放大有利于提高信噪比;主要噪聲是50Hz的工頻信號，多級放大和濾波盡管增加了熱噪聲，但是對工頻噪聲抑制很大，當然放大級數不能無限多，最佳的級數是工頻噪聲和熱噪聲之和最小。

(4)抑制直流信號漂移應該選用小電容隔離，這是實驗結果表明的，其原因有待進一步研究。

結論

本文論述了一種基于AD620芯片心跳速率檢測的方案，介紹了組成系統的傳感頭、信號提取、濾波放大及微處理器等各個部分的電路設計。給出了提高系統性能的方法。實驗表明該系統獲得較好的心電信號和準確的心跳速率。本文的心跳速率檢測系統抗干擾能力強，結構簡單，成本低廉。

壹芯微科技專業生產“二極管、三極管、場效應管、橋堆”,20年豐富生產經驗,專業生產管理團隊對品質流程嚴格管控,超過4800家電路電氣生產企業選用合作,價格低于同行(20%),更具性價比,提供技術支持,售后FEA,如需了解更多產品詳情,最新報價與樣品申請等,歡迎咨詢官網在線客服!

手機號/微信：13534146615

QQ：2881579535