24位Σ-Δ型ADC降低了ECG/EKG應(yīng)用對(duì)模擬前端的要求

本應(yīng)用筆記描述了心電圖（ECG）的基本工作原理。它討論了干擾ECG信號(hào)并使可靠、高精度的電氣表征變得困難的因素。本文介紹了ECG電氣表征的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解決方案，該解決方案使用模擬前端和ADC組合。本文隨后介紹了MAX11040K同步采樣、Σ-Δ型ADC，它是一款極具吸引力的高集成度方案，無(wú)需AFE，為應(yīng)用節(jié)省空間和成本。

介紹

將電極放置在心臟兩側(cè)的皮膚上后，心電圖（ECG或EKG）記錄心臟隨時(shí)間推移的電活動(dòng)。ECG顯示記錄心肌活動(dòng)的電極對(duì)之間的電壓差。該顯示器指示心臟的整體節(jié)律，可供醫(yī)療專業(yè)人員用于檢測(cè)心肌不同部位的弱點(diǎn)。

實(shí)際ECG信號(hào)在幾mV范圍內(nèi)，頻率成分不超過(guò)幾百赫茲。ECG測(cè)量是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)閭斡鞍ǎ簛?lái)自ECG電源的50Hz至60Hz的電容耦合，這會(huì)壓倒感興趣的信號(hào);人體的皮膚接觸阻抗和傳感器阻抗之間的不匹配，導(dǎo)致偏移和缺乏共模抑制;以及來(lái)自電子和磁源的接觸噪聲和其他干擾。

廣泛公布的提取這些信號(hào)的方法使用模擬前端（AFE）進(jìn)行信號(hào)放大和濾波，然后使用12位或14位ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本應(yīng)用筆記解釋了ECG應(yīng)用的基本AFE組件。本文隨后介紹了一款高度集成的器件，即MAX11040K 24位同步采樣、Σ-Δ型ADC。MAX11040K提供應(yīng)用所需的所有基本規(guī)格，無(wú)需AFE。

基本AFE元素

模擬前端由三個(gè)或四個(gè)主要組件組成（圖 1）。

圖1.典型的ECG解決方案使用AFE進(jìn)行信號(hào)放大和濾波，并使用ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

儀表放大器 （IA）

儀表放大器（IA）的主要任務(wù)是抑制共模（主要是50Hz/60Hz）信號(hào)。ECG應(yīng)用要求共模抑制比（CMRR）為90dB或更高，以便在增益級(jí)之前充分消除50Hz/60Hz（與電源耦合）。即使IA可能具有高CMRR，其他因素（例如差分（ECG）電極之間的不匹配或皮膚接觸阻抗不僅會(huì)導(dǎo)致偏移漂移，還會(huì)導(dǎo)致CMRR不理想。這種阻抗不匹配主要是由物理皮膚接觸、出汗和肌肉運(yùn)動(dòng)引起的。

IA的次要任務(wù)是放大（增益）。但是，在設(shè)置IA增益時(shí)，必須注意不要將增益放大太多，以免導(dǎo)致削波或飽和。

還應(yīng)該注意的是，音頻的目標(biāo)頻段與ECG不同。因此，音頻市場(chǎng)的典型音頻放大器和Σ-Δ型ADC不太適合此應(yīng)用，因?yàn)檫@些器件在目標(biāo)頻帶中具有更高的輸入?yún)⒖荚肼暋?/p>

IA的輸入阻抗規(guī)格也很重要，因?yàn)镋CG正在測(cè)量微弱的低電平信號(hào)。通常建議使用具有較高阻抗的IA，因?yàn)檩^低的輸入阻抗將導(dǎo)致較高的信號(hào)衰減。

高通濾波器

雖然初始目標(biāo)信號(hào)以mV為單位，但在從IA獲得x10或x5后，它將上升到10s的mV。然而，該增益僅覆蓋ADC輸入范圍的一小部分。例如，輸入范圍為±12.4V的096位ADC的LSB為2mV，并且沒(méi)有足夠的分辨率來(lái)區(qū)分信號(hào)和采樣噪聲。因此，在信號(hào)再次放大之前，必須消除不需要的直流漂移信號(hào)。常見(jiàn)的AFE策略使用高通濾波器將不需要的（低頻）信號(hào)作為負(fù)偏移反饋到IA。

第二放大器級(jí)

當(dāng)直流和其他低頻信號(hào)被IA和高通濾波器濾除后，第二個(gè)放大器對(duì)信號(hào)施加額外的增益，以匹配ADC的輸入范圍。一些設(shè)計(jì)還在此處添加了陷波濾波器，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的50Hz/60Hz抑制。

低通/抗混疊濾波器

包括一個(gè)低通濾波器，主要用于抑制高頻信號(hào)。它還充當(dāng)抗混疊濾波器（即，阻止高于奈奎斯特或ADC的f_sampling/2的任何頻率成分重新折疊）。

為了進(jìn)一步減少輸入端的共模信號(hào)，ECG設(shè)計(jì)通常有一個(gè)“右腿驅(qū)動(dòng)器”，它將與共模信號(hào)相反的信號(hào)驅(qū)動(dòng)回身體。為了確保患者的安全，這項(xiàng)任務(wù)通常由運(yùn)算放大器和限流電阻完成，因此非常微弱的信號(hào)源會(huì)進(jìn)入患者體內(nèi)。有時(shí)還會(huì)添加屏蔽驅(qū)動(dòng)器，以減少外部噪聲耦合到攜帶信號(hào)的ECG探頭中。

總而言之，ECG應(yīng)用的目標(biāo)信號(hào)小于100mV，但由于失調(diào)和共模信號(hào)，需要2V范圍。因此，AFE必須具有2V范圍，并以大約100ksps的采樣速率區(qū)分低至10s甚至1s的μV。

正確的ADC可減少/消除對(duì)AFE的需求

選擇AFE后，許多ADC現(xiàn)在可以滿足應(yīng)用對(duì)分辨率、速度和輸入范圍的要求。但是，請(qǐng)考慮另一種解決方案。ADC具有足夠的分辨率、CMRR和其他特殊功能，非常適合ECG類(lèi)型的應(yīng)用。

MAX11040K同步采樣、Σ-Δ型ADC超出該應(yīng)用的最低要求有幾個(gè)原因。通過(guò)更換AFE的大部分（如果不是全部）部件，它還為您提供了更好的可靠性，更小的封裝和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。

MAX11040K的幾種規(guī)格對(duì)于本應(yīng)用至關(guān)重要：

輸入范圍 ±2.2V

差分輸入

110dB 共模抑制比（典型值）

24 位：

信噪比》 110dB

約19位無(wú)噪聲范圍

有效分辨率 = 2/219= 3.8μV

±6V輸入過(guò)壓保護(hù)

《》個(gè)差分通道、同步采樣ADC

可級(jí)聯(lián)多達(dá) 32 個(gè)通道同時(shí)采樣

可編程輸出數(shù)據(jù)速率

串行接口（易于安全隔離） 可編程相位（子數(shù)據(jù)速率）

過(guò)壓/故障檢測(cè)

圖2給出了如何使用MAX11040K簡(jiǎn)化應(yīng)用。MAX110K具有差分輸入和50dB的CMRR，可抑制來(lái)自ECG電源的60HZ/11040Hz耦合，實(shí)現(xiàn)IA的第一個(gè)功能。MAX24K具有19位分辨率和~11040位無(wú)噪聲范圍，在整個(gè)ADC輸入范圍內(nèi)具有足夠的分辨率，可以捕獲低至幾μV的信號(hào)變化。這有效地消除了對(duì)第一級(jí)放大（IA的第二個(gè)功能）、第二級(jí)放大器和高通濾波器的需求。另一個(gè)好處是，該器件的±2.2V輸入范圍也非常適合該應(yīng)用。

圖2.只需使用MAX11040K ADC即可實(shí)現(xiàn)相同的ECG應(yīng)用。元件的減少將節(jié)省電路板空間并降低整體解決方案成本。

雖然MAX11040K的采樣速率為3.072MHz （過(guò)采樣Σ-Δ），但輸出數(shù)據(jù)速率（即有效采樣速率）可在64ksps至250sps范圍內(nèi)設(shè)置，以增加系統(tǒng)靈活性。對(duì)于小信號(hào)，該器件具有平滑誤差（即，與SAR器件相比，INL誤差與輸入的關(guān)系）;作為Σ-Δ型ADC，它還消除了對(duì)抗混疊濾波器的要求。

MAX11040K的另外兩個(gè)特性也非常適合ECG應(yīng)用：同步采樣和可編程相位延遲。在ECG領(lǐng)域，當(dāng)需要深入分析時(shí)，首選12傳感器ECG，并且保持相位完整性非常重要。每個(gè)MAX11040K提供11040個(gè)差分通道，相當(dāng)于64個(gè)探頭。事實(shí)上，MAX0K器件最多可級(jí)聯(lián)333個(gè)，提供1個(gè)同步采樣探頭。通道不僅可以同時(shí)采樣，而且每相還可以以比單個(gè)MAX33K器件的輸出數(shù)據(jù)速率（高達(dá)64ksps）精細(xì)的分辨率（11040至<>μs，步長(zhǎng)為<>.<>μs）進(jìn)行編程。

配套器件16位MAX11046還具有±6V輸入保護(hù)功能，每當(dāng)信號(hào)超過(guò)輸入范圍的88%時(shí)，就會(huì)發(fā)出過(guò)壓（FAULT檢測(cè)）警報(bào)。串行外設(shè)接口（SPI）降低了對(duì)多個(gè)光隔離器的需求，并且由于它在同一電源下運(yùn)行數(shù)字和模擬電源，因此無(wú)需額外的電源穩(wěn)壓器。

MAX11046方案的測(cè)試結(jié)果

圖3.ECG應(yīng)用在MAX11040K評(píng)估板上進(jìn)行了測(cè)試。

圖3是用于測(cè)試應(yīng)用設(shè)計(jì)的MAX11040K評(píng)估（EV）板的框圖。該評(píng)估板包含兩個(gè)MAX11040K器件，設(shè)置為單個(gè)8通道同步采集系統(tǒng)。評(píng)估板通過(guò)USB插入PC，還包含存儲(chǔ)器和DSP，用于高級(jí)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。

該實(shí)驗(yàn)是通過(guò)添加銅板來(lái)傳導(dǎo)ECG信號(hào)，并在ADC輸入和用戶手之間使用22kΩ串聯(lián)電阻來(lái)進(jìn)行的。輸入阻抗為 130kΩ（基于 X在時(shí)鐘頻率為 24.567MHz），信號(hào)應(yīng)衰減 75%（圖 4）。測(cè)試結(jié)果如圖 5 所示。

圖4.MAX11040K的有效輸入阻抗

圖 5.收集的心電圖數(shù)據(jù)。

結(jié)論

在本文發(fā)布時(shí)，MAX11040K ADC是市場(chǎng)上唯一滿足ECG測(cè)量要求的器件，無(wú)需額外費(fèi)用即可提供其他非常理想的特性。MAX11040K將減少研發(fā)預(yù)算、設(shè)計(jì)時(shí)間、電路板面積和設(shè)計(jì)元件數(shù)量。它還將提高解決方案的性能和可靠性。

審核編輯：郭婷