24位Σ-Δ型ADC降低了ECG/EKG應(yīng)用對模擬前端的要求

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）記錄心臟隨時間推移的電活動。ECG顯示記錄心肌活動的電極對之間的電壓差。該顯示器指示心臟的整體節(jié)律，可供醫(yī)療專業(yè)人員用于檢測心肌不同部位的弱點。

實際ECG信號在幾mV范圍內(nèi)，頻率成分不超過幾百赫茲。ECG測量是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因為偽影包括：來自ECG電源的50Hz至60Hz的電容耦合，這會壓倒感興趣的信號;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的方法使用模擬前端（AFE）進(jìn)行信號放大和濾波，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，無需AFE。

基本AFE元素

模擬前端由三個或四個主要組件組成（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。ECG應(yīng)用要求共模抑制比（CMRR）為90dB或更高，以便在增益級之前充分消除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導(dǎo)致偏移漂移，還會導(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，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，音頻市場的典型音頻放大器和Σ-Δ型ADC不太適合此應(yīng)用，因為這些器件在目標(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，因為ECG正在測量微弱的低電平信號。通常建議使用具有較高阻抗的IA，因為較低的輸入阻抗將導(dǎo)致較高的信號衰減。

高通濾波器

雖然初始目標(biāo)信號以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，并且沒有足夠的分辨率來區(qū)分信號和采樣噪聲。因此，在信號再次放大之前，必須消除不需要的直流漂移信號。常見的AFE策略使用高通濾波器將不需要的（低頻）信號作為負(fù)偏移反饋到IA。

第二放大器級

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

低通/抗混疊濾波器

包括一個低通濾波器，主要用于抑制高頻信號。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，ECG設(shè)計通常有一個“右腿驅(qū)動器”，它將與共模信號相反的信號驅(qū)動回身體。為了確?；颊叩陌踩?，這項任務(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源會進(jìn)入患者體內(nèi)。有時還會添加屏蔽驅(qū)動器，以減少外部噪聲耦合到攜帶信號的ECG探頭中。

總而言之，ECG應(yīng)用的目標(biāo)信號小于100mV，但由于失調(diào)和共模信號，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AFE的需求

選擇AFE后，許多ADC現(xiàn)在可以滿足應(yīng)用對分辨率、速度和輸入范圍的要求。但是，請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原因。通過更換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，更小的封裝和更簡單的設(shè)計。

MAX11040K的幾種規(guī)格對于本應(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位無噪聲范圍

有效分辨率 = 2/219= 3.8μV

±6V輸入過壓保護(hù)

《》個差分通道、同步采樣ADC

可級聯(lián)多達(dá) 32 個通道同時采樣

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）

過壓/故障檢測

圖2給出了如何使用MAX11040K簡化應(yīng)用。MAX110K具有差分輸入和50dB的CMRR，可抑制來自ECG電源的60HZ/11040Hz耦合，實現(xiàn)IA的第一個功能。MAX24K具有19位分辨率和~11040位無噪聲范圍，在整個ADC輸入范圍內(nèi)具有足夠的分辨率，可以捕獲低至幾μV的信號變化。這有效地消除了對第一級放大（IA的第二個功能）、第二級放大器和高通濾波器的需求。另一個好處是，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。對于小信號，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，它還消除了對抗混疊濾波器的要求。

MAX11040K的另外兩個特性也非常適合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，首選12傳感器ECG，并且保持相位完整性非常重要。每個MAX11040K提供11040個差分通道，相當(dāng)于64個探頭。事實上，MAX0K器件最多可級聯(lián)333個，提供1個同步采樣探頭。通道不僅可以同時采樣，而且每相還可以以比單個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)信號超過輸入范圍的88%時，就會發(fā)出過壓（FAULT檢測）警報。串行外設(shè)接口（SPI）降低了對多個光隔離器的需求，并且由于它在同一電源下運(yùn)行數(shù)字和模擬電源，因此無需額外的電源穩(wěn)壓器。

MAX11046方案的測試結(jié)果

圖3.ECG應(yīng)用在MAX11040K評估板上進(jìn)行了測試。

圖3是用于測試應(yīng)用設(shè)計的MAX11040K評估（EV）板的框圖。該評估板包含兩個MAX11040K器件，設(shè)置為單個8通道同步采集系統(tǒng)。評估板通過USB插入PC，還包含存儲器和DSP，用于高級項目開發(fā)。

該實驗是通過添加銅板來傳導(dǎo)ECG信號，并在ADC輸入和用戶手之間使用22kΩ串聯(lián)電阻來進(jìn)行的。輸入阻抗為 130kΩ（基于 X在時鐘頻率為 24.567MHz），信號應(yīng)衰減 75%（圖 4）。測試結(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，MAX11040K ADC是市場上唯一滿足ECG測量要求的器件，無需額外費(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)計時間、電路板面積和設(shè)計元件數(shù)量。它還將提高解決方案的性能和可靠性。

審核編輯：郭婷