24位Σ-Δ ADC简化ECG/EKG模拟前端设计

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作者：Maxim公司应用经理Sohail Mirza

摘要：本应用笔记介绍了心电图(ECG)的基本工作原理，讨论了干扰ECG信号的因素，以及提高可靠性、实现高精度电气特性的难点。业内标准的ECG架构是采用模拟前端和ADC组合而成的解决方案。本文介绍的MAX11040K同步采样Σ-ΔADC提供了一个引人注目的亮点，即其高度集成的解决方案省去了AFE，节省空间的同时，也降低了系统成本。

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-Δ ADC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。

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∑-Δ ADC架构也消除了抗混叠滤波器的需求。

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。

MAX11046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。

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(XIN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。



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。