心脏holter

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I

目录

第1章绪论......................................................................................................................................1

研究背景....................................................................................................................................1

设计任务....................................................................................................................................1

论文内容安排............................................................................................................................2

本章小结....................................................................................................................................2

第2章ECGHolter的原理........................................................关于文明的手抄报 ......................................................3

ECG的介绍..............................葡萄酒的种类 .................................................................................................3

2.1.1ECG的产生机理及意义..........................................................................................3

2.1.2ECG信号的特点......................................................................................................3

导联系统....................................................................................................................................4

2.2.1导联的定义...................................................................................................奋斗短句 ...........4

2.2.2十二导联系统的推导方法......................................................................................4

ECGHolter系统的构造............................................................................................................5

本章小结....................................................................................................................................7

第3章系统的总体设计..................................................................................................................9

系统结构总揽............................................................................................................................9

模块功能简述............................................................................................................................9

本章小结..................................................................................................................................10

第4章模拟电路的设计.................................................................................................................11

模拟电路框图...........................................................................................................................11

放大器的选取...........................................................................................................................11

电路分析与计算机仿真..........................................................................................................16

4.3.1高频滤波网络........................................................................................................16

4.3.2前置放大电路........................................................................................................17

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II

4.3.3右腿驱动电路........................................................................................................18

4.3.4高通滤波电路........................................................................................................19

4.3.5低通滤波电路........................................................................................................21

4.3.6陷波电路................................................................................................................22

4.3.7主放大器................................................................................................................25

4.3.8滤波放大电路的总体仿真....................................................................................25

4.3.9QRS检测电路........................................................................................................28

实物电路调试..........................................................................................................................30

本章小结..................................................................................................................................33

第5章数字电路的设计................................................................................................................34

数字电路框图..........................................................................................................................34

器件的介绍及应用..................................................................................................................34

5.34

5.2.2SD卡.......................................................................................................................35

5.2.3LCD模块................................................................................................................37

5..37

5.2.5实时时钟................................................................................................................38

5.2.6A/D转换器.............................................................................................................38

5.2.7按钮模块................................................................................................................39

5.2.8数字系统原理图....................................................................................................39

本章小结..................................................................................................................................40

第6章电源管理电路的设计........................................................................................................41

电源管理芯片的介绍及应用..................................................................................................41

电源芯片的测试......................................................................................................................41

系统功耗的计算......................................................................................................................42

本章小结..................................................................................................................................42

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III

第7章系统软件的设计................................................................................................................43

软件流程图的简介..................................................................................................................43

本章小结..................................................................................................................................44

第8章结论....................................................................................................................................45

系统性能评价..........................................................................................................................45

工作展望..................................................................................................................................45

本章小结..................................................................................................................................46

致谢..............................................................................................................................................47

参考文献..........................................................................................................................................48

（美）CharlesKitchin,LewCounts著，冯新强等译.仪表放大器应用工程师指南（第二版）[M].

AnalogDevices,Inc.2005，TechnicalReferenceManualVersion,2005,Devices产品数据手

册，产品数据手册，Semiconductor产品数据手册，产品数据手册，产品数据手册，附录一模

拟电路原理图..................................................................................................................................48

附录二数字电路原理图................................................................................................................49

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IV

摘要

要在不影响病人日常活动的情况下，检测心律失常病人偶发性的病变ECG波形，必须依

靠能储存大容量数据的便携式动态心电监护仪（ECGHolter）。本文介绍了一种基于SD卡储

存和USB数据传输的便携式低功耗ECGHolter的系统设计。该系统利用模拟电路对心电信

号进行滤波和放大处理，通过USB专用微控制器CY7C68013A把模数转换后的数据存储在

SD卡中。仪器能进行长时间的数据记录。用户通过液晶显示屏和按钮进行人机交互。储存在

SD卡中的心电数据最终通过USB传输到个人电脑进行后期处理。本文给出了详细的电路分

析和实物调试数据，并简述了系统的软件流程。

关键词：ECG；Holter；USB；心电图；滤波；低功耗

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V

Abstract

InordertodetecttheoccasionalarrhythmiaECGwaveformofthepatientswhilenot

influencingtheirdailywork,

prentadesignofaportable,low-powerECGHoltersystembadonSDcardstorageandUSB

econtrol

bythemicrocontrollerCY7C68013A,theECGsignalsareconvertedintodigitaldata,andstored

inaSDcard,nteractwiththesystemthroughLCDand

y,thedatastoredintheSDcardaretransmittedtoaPCviatheUSBforfurther

analysis..Weprovidethecircuitanalysisandthedataduringsystemtestsindetail,aswellasthe

briefflowchartofthesystemsoftware.

Keywords：ECG;Holter;USB;Filter;Low-power

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1

第1章绪论

研究背景

心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病之一，一些异常的心电信号只有在某些特殊的情

况下才出现，因此有必要对ECG（Electrocardiograph，心电图）信号进行长时间记录与分析[1]，

传统的心电图机只能进行短时间的心电信号采集和显示，不能满足此要求。1961年，N.J.

Holter设计出第一款动态ECG记录仪，记录仪利用磁带来储存信号，令长时间记录ECG信

号成为可能。随着电子技术和信号处理技术的进步，现代ECGHolter已向微型化、便携化和

数字化发展，性能不断提高。在医疗家庭化意识逐渐增强的趋势下，有着广阔的市场前景。

在Holter的技术发展方面，发达国家主要重视于基于DSP的Holter的开发。从上世纪

90年代以来，各种基于DSP的Holter随DSP的升级而更新换代。他们更注重实时的心电监

护，而不是芯片的成本问题，如文献[2]中的基于数模混合处理和蓝牙传输技术的Holter设计，

虽然其处理速度快，采用蓝牙无线传输，把数据传送到用户的掌上电脑中，再通过GPRS

（GeneralPacketRadioService，通用分组无线业务）把数据传送到医生的分析系统中，但这

种系统的费用对我国一般民众来说实在太高了。文献[3]中的设计采用了低成本器件设计出一

个便携式ECGHolter系统，储存设备采用SmartMedia卡，并用专门的软驱读卡器读取心电

数据，这种设计从记忆卡容量和数据传输速度来说，已经赶不上现在的需求了。目前国内便

携式数码产品的特点是拥有海量储存空间，集成USB（UniversalSerialBus，通用串行总线），

以及功能多元化，ECGHolter也不例外。文献[错误!未定义书签。]、[4]和[5]中的设计均是基

于TI公司的DSP，采用USB与计算机通信，并采用大容量固态存储设备作为储存媒介，处

理功能强大，然而由于DSP芯片价格较高，所以这些产品成本较高。

设计任务

基于上述情况，我们设计出一款基于USB传输协议的便携式低功耗ECGHolter，它通

过模拟电路先将从电极感应到的微弱ECG信号进行放大和滤波处理，通过A/D转换把模拟

心电信号转化为数字信号，并利用现在数字产品上使用最广泛的SD（SecureDigital）记忆卡

作为大容量储存设备，按照MIT-BIH心率失常数据库文件格式[6]，根据FAT（FileAllocation

Table）文件系统管理规范，把心电数据以*.dat文件格式存储在SD卡中。事后，Holter通过

USB与计算机连接，把SD卡中的数据文件传送到PC中，进行进一步分析以及处理。本文

的任务是对ECGHolter系统进行整体的设计，主要着重在器件的选取、电路的设计以及模拟

电路的调试。设计方法主要是使用EDA软件Protel2004SP2进行原理电路的构建与计算机仿

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2

真，然后制作出PCB进行实物调试。

论文内容安排

本文共分八章，第1章即绪论，介绍本设计的背景、任务以及文章的内容安排；第2章

介绍ECGHolter的原理；第3章为我们的ECGHolter系统的总体设计构想，并对系统的模块

进行初步的介绍；第4章详细分析了模拟电路的原理图，利用计算机仿真验证其可行性，然

后对实物电路进行测试；第5章以不同的芯片为功能单位，具体说明了数字系统的应用电路；

第6章介绍了电源管理模块的设计方案，对系统的功耗进行计算；第7章简述了系统软件流

程图；第8章为结论，总结我们所取得的成果，提出不足之处，展望今后要努力的方向。

本章小结

本章介绍了ECGHolter的应用前景和国内外研究状况，指出了参考文献中设计的不足，

提出了我们的解决方案和任务，最后介绍了本文的内容安排。

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3

第2章ECGHolter的原理

ECG的介绍

2.1.1ECG的产生机理及意义

心肌是由无数的心肌细胞组成，由窦房结发出的电兴奋，按照一定途径和时程，依次向

心房和心室扩布，引起整个心脏的循序兴奋。心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化方向、

途径、次序和时间等有一定规律。由于人体为一个容积导体，这种变化也必然扩布到身体表

面。鉴于心脏在同一时间内产生大量电信号，因此，可以通过安放在体表的电极或四肢电极，

将心脏产生的电位变化以时间函数记录下来，这种记录曲线成为心电图，即ECG。ECG波形

是由不同的英文字母统一命名的。正常心电图由一个P波、一个QRS波群和一个T波等组成，

图2-1给出一个典型ECG的图形。P波起因于心房收缩前的心房除极时的电位变化；QRS波

群起因于心室收缩之前的心室除极时的电位变化；T波为心室复极时的电位变化。因此，ECG

是反映心脏活动的重要信号，是用于诊断心脏病的重要依据之一，心电图仪通过测量心电在

体表的电位来推测心脏的缺陷。

2.1.2ECG信号的特点

人体心电图信号有如下几个特点：

1.基波频率低，正常人的心率约为75次/分钟；

2.谐波丰富，QRS波群虽然频率主要集中在17Hz附近，但波形上升非常陡峭；

3.心电信号极其微弱，电压峰值大约在1～2mV之间，最小电压可在20uV左右；

4.夹杂众多噪声，如空间电磁场干扰，以及人体内部其它生理信号的干扰。

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4

图2-1典型ECG波形

导联系统

2.2.1导联的定义

心脏电兴奋传导系统所产生的电压是幅值以及空间方向随时间变化的向量，放在体表电

极所测出的ECG信号将随着不同的位置而异。为了完整描述心脏的活动状况，常用在水平和

垂直方向的十二种不同导联作记录，以看清各重要细节。心电信号通过导线和电极加到心电

图仪放大器的输入端，一般总把导线和电极合在一起称为导联。已知在临床心电图中，必须

有更多的导联才能完整描述心脏的电兴奋活动，所以就需要选择两个电极或者一个电极与互

接电极组接到放大器的输入端。这种特殊电极连接方法也可以看成导联，但这样就会使命名

产生混乱。为了避免这个问题，把特殊电极组和其连接到放大器的方法称为导联；而把单电

极导线称为电极。

2.2.2十二导联系统的推导方法

心电图仪中常用的十二导联可分为三类，分别为：

（1）肢体导联：导联I，导联II，导联III

我们定义右手的电位为VR，左手电位为VL，左腿电位为VF，则肢体导联的定义为：

VRVLI（2-1）

VRVFII（2-2）

VLVFIII（围棋胜负规则 2-3）

（2）加压导联：aVR，aVL，aVF

我们定义一个中心电压：

3/)(VFVLVRVwt（2-4）

再定义：

VwtVRRV（2-5）

VwtVLLV（2-6）

VwtVFFV（2-7）

那么有：

RVaVR

2

3

（2-8）

LVaVL

2

3

（2-9）

FVaVF

2

3

（2-10）

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5

（3）胸部导联：V1，V2，V3，V4，V5，V6

我们在胸部预先制定六个位置，并测量每个位置的电位：

V1：右面胸骨边缘第四肋间空间

V2：左面胸骨边缘第四肋间空间

V3：V2和V4中间

V4：锁骨中线第五肋间空间

V5：腋下线前与V4同一高度

V6：腋下线上与V4同一高度

那么有：

VwtV11V（2-11）

VwtV22V（2-12）

VwtV33V（2-13）

VwtV44V（2-14）

VwtV55V（2-15）

VwtV66V（2-16）

对于便携式Holter，由于其作用主要用于长时间户外监护，并且从用户行动的方便角度

考虑，一般采用1至2个导联。

ECGHolter系统的构造

无论是心电图机还是ECGHolter，它们都可以归类为生理信号采集系统，因此在系统结

构上十分相似，只是在局部特殊功能上有所区别，对于ECGHolter，它更强调具备大容量的

数据储存空间，令仪器能长时间进行心电图监护以及数据储存。图2-2是现代数字化便携式

ECGHolter的典型结构框图：

图2-2现代便携ECGHolter的结构框图

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6

（1）导联电极

金属电极已经成了现代主要的体表电连接器。一个由盐溶液和凝胶组成的电极层成为金

属电极与皮肤的电接触面。身体内部的电流是由离子运动产生的，而导线中的电流是由电子

的运动产生的，导联电极可完成离子电流到电子电流的转换，目前最常用的电极是Ag-AgCl

电极，因为这种电极漂移电位非常小。市场上供应的心电电极种类繁多，电极数从两个到十

多个不等，以适应不同导联数检测的要求，而Holter用的电极普遍为钮扣式监护电极，主要

由电极头、导线和接口端子组成，要组成完整的导联电极系统，一般还需要配上一次性电极

贴片，用于固定在人体体表，贴片上的导电凝胶把人体皮肤和电极头导通起来。图2-3为一

个三电极钮扣式Holter电极以及一次性电极芯片。

图2-3导联电极（左）以及一次性电极贴片（右）

（2）导联选择

对于多导联记录的ECGHolter，需要配备一个导联选择网络，通过控制系统的控制，把

不同通道的ECG信号传输到模拟电路的输入端。

（3）模拟电路

在前面我们介绍了ECG信号的特点，可以浓缩为：微弱，低频，噪声大。因此，在使用

ADC把信号数字化之前，必须对信号进行滤波处理，抑制信号中的噪声。在应用中，一般有

四种心电图带宽，用于记录标准临床12导联的ECG带宽为～100Hz；用于监护的，例如用

于重症病人或急诊病人时，其带宽限制在～50Hz内，在这种情况下，对于心率失常的波形，

只要求大致地了解，而不需要了解波形的细节。用于测试心率的带宽为14～20Hz，在这个通

带里面QRS复波的信噪比最大，这样的通带能让QRS复波通过而压抑P、T波的噪声，但会

使ECG失真；最后一种通带高达500Hz，可用于测量晚电位，这是ECG中接在QRS复波之

后的一些小的高频波。另一方面，要使用放大器把毫伏级的ECG信号放大为伏特级，使波形

易于观察，并达到ADC的转换电压范围，若ECG信号的峰值为1mV，要把它放大到1V的

水平，系统放大倍数必须达到1000倍。

（4）控制系统

控制系统是ECGHolter的核心，它主要由微处理器以及它的外围设备组成，主要功能是

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7

负责系统工作方式的控制，数据处理和传输。在现代数字化系统中，主要采用三种控制器，

一种是经典的51系列以及具有其兼容内核的单片机，如Intel的MCS51系列，它们使用简单，

功能实用，可以满足一般控制要求，缺点是处理速度相对较慢；另一种是DSP，以TI（Texas

Instrument）公司的TMS320C54X系列最有代表性，它的特点是信号处理能力非常强大，速

度惊人。以往一些信号处理，如高阶滤波，因为十分耗费运算量而不能实现实时处理，所以

改用模拟电路实现，而DSP的出现使大运算量的数字信号实时处理成为可能，因而大大简化

了硬件电路规模，不过DSP的芯片价格相对51单片机来说要高许多，而且控制能力弱，通

常需要配合一个51系列单片机执行控制工作，DSP本身执行高级的数据运算处理，因此主要

面向高端产品。还有一种是近年新兴的控制器，如Atmel公司的8位RISC（ReducedInstruction

SetComputing，精简指令运算集）AVR，和ARM公司的ARM（AdvancedRISC男生亲吻女生 Machine）等，

它们的速度和功能介于前面两者之间，操作灵活，价格适中，因此越来越受到嵌入式系统开

发人员的青睐。

（5）存储设备

在现代移动设备的数据存储应用中，以FlashMemory（闪存）的使用最为广泛。闪存也

称快擦型存储器，在断电情况下仍能保持所存储的数据信息，但是数据删除不是以单个的字

节为单位而是以固定的区块为单位。Flash这个词最初由东芝公司因为该芯片的瞬间清除能力

而提出，它具有非易失性、可重复擦写、低功耗、容量大、价格低廉等优点，主要以闪存芯

片和闪存记忆卡等形式应用，如文献[错误!未定义书签。]和[7]中的Holter设计使用了三星公

司的K9系列Flash芯片，文献[错误!未定义书签。]、[错误!未定义书签。]和[错误!未定义书

签。]中的Holter则分别使用了MMC（MultiMediaCard）卡、SD卡和SmartMedia卡作为存

储设备。对于现代的便携式数码产品，特别是需要进行海量数据存储的产品，如数码摄像机，

智能电话等，可以随时进行插拔更换的闪存记忆卡比需要固定在电路上的闪存芯片具有无可

比拟的灵活性，因此作为对数据长时间记录的ECGHolter来说，采用闪存卡作为存储设备是

首选。

（6）控制界面

设计一款人性化的仪器，进行人机交互控制是必要的，因此需要有一个简洁的控制界面。

我们最常用的操作界面就是显示屏和按钮键盘。控制系统把系统当前状态以简明扼要的形式

显示在显示屏上，用户通过按钮操作，命令控制系统改变工作方式、进行参数更改以及显示

新信息等。便携数码产品中使用最多的显示屏是LCD，它具有价格便宜，功耗低等特点。

本章小结

本章中介绍了ECG产生的机理和信号特点，检测方法，导联系统的定义，以及ECGHolter

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的系统构造，这些知识为接下来进行自己的Holter系统的设计打下了基础。

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第3章系统的总体设计

系统结构总揽

图3-1系统原理框图

图3-1是我们设计的ECGHolter的原理框图，它包含5大模块：模拟电路、单片机系统、

显示模块、储存模块和电源管理模块。

模块功能简述

（1）模拟电路模块

该模块负责对ECG信号进行预处理，采用三电极单导联系统，其中两个电极为差分信号

输入，第三个电极为中性电极，负责把模拟电路的右腿驱动电路输出与人体的参考点相连。

导联电极把感应到的体表差分信号输入仪表放大器进行前置放大，抑制共模电压。通过一系

列滤波电路，去除信号中的高频噪声、基线漂移以及50Hz工频干扰，提高信噪比。滤波后

的电路再经过主放大器进行二级放大，达到A/D转换的电压范围。经过预处理后的ECG信

号，一方面送入单片机系统的ADC进行数字化，一方面输入QRS检测电路，检测到QRS波

时以方波脉冲形式作为微控制器的外部中断信号，调用系统的中断服务子程序，对心率进行

计数。

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（2）单片机系统

以USB协议专用芯片CY7C68013A为微控制器的单片机系统，在数据采集模式下，它

负责接收来自ADC的ECG数据，把它储存到SD卡里面，并计算出ECG的主要参数，通过

LCD显示模块把参数显示出来，在数据上传模式下，单片机则起到USB协议引擎的作用，

把数据传送到PC的Windows系统中，供心电分析软件进行后期处理，用户可通过系统里面

的按钮进行人机交互控制。

（3）显示模块

由一个LCM（LCDModule，液晶模块）组成，由单片机控制其显示内容。

（4）储存模块

我们选用SD卡作为系统的储存设备，ECG数据按照美国麻省理工大学MIT-BIH心率失

常数据库文件格式标准储存为*.dat文件，并以FAT规范进行文件管理，ECGHolter以USB

上传数据时，计算机把Holter识别为一个大容量存储设备，Windows2000或以上版本的系统

能够直接对*.dat文件进行读取、删除等访问操作，而不必安装专用的驱动程序或数据读取文

件。

（5）电源管理模块

一个低功耗系统需要有一个高效率的电源管理模块，把未经过稳压的电源，如电池电源，

稳定在系统工作的电压范围内，电源可以选择电池电压和USB总线供电，采用直流升压电源

芯片把外来电源进行直流转换，输出整流电压，为系统其它四个模块提供稳定的电源。

本章小结

本章从总体的角度介绍了我们设计的ECGHolter的原理框图，并简述了每一个模块的主

要功能，我们将在下面的几个章节中详细分析各模块的原理和应用电路，根据信号的特点，

我们把单片机系统、显示模块和储存模块合并为数字电路。

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11

第4章模拟电路的设计

模拟电路框图

在节中已经介绍过，模拟电路的主要功能是对ECG信号进行预处理，图4-1是模拟电路

的结构框图。

图4-1模拟电路的结构框图

放大器的选取

导联电极已经在前面介绍过，在这里不再重复。其它功能模块的电路，除了高频滤波电

路为无源网络外，其余各模块的核心元件均为放大器，前置放大电路中使用的是高精度仪表

放大器，其它放大器为运算放大器，因此，放大器的选取对模拟电路的性能有着十分重要的

影响，在分析电路之前，我们必须对放大器的性能参数进行了解。

在理想情况下，运算放大器可以看作一个输入阻抗无穷大，输出阻抗为零，开环放大倍

数无穷大的有源元件，而仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端的单端输出的闭环增

益单元，一般来说仪表放大器比运算放大器具有更高的精度。在实际应用中，不同型号的放

大器有着不同的技术指标，主要参数及其定义如下：

A．供电范围（SupplyVoltage）：这是我们选用器件是首要考虑的参数，对于低功耗系统

的设计，电源供电电压不会很高，一般在3～5V左右，因此，选取运放时其供电范围必须覆

盖设计系统所提供的电压，例如AnalogDevices公司（简称AD公司）生产的一种运算放大

器AD797，它的供电电压范围为5V～18V（双电源）或+10V～+36V（单电源），这对于

我们的系统显然就不适用了。另外，还要考虑到放大器的供电模式，一般分为单电源供电和

双电源供电，单电源供电是指该放大器只需要在VCC端接正电源，VEE端接地即可工作；

双电源供电，除了VCC接正电源外，VEE还必须和一个小于模拟地的电源电压连接，例如

仪表放大器AD620，它只支持～18V的电源供电，所以在设计时，必须增加一个小于的

负电源，或者用一个大于的电源进行分压，用VCC/2作为模拟地，VCC为正电压，系统地为

VEE。一些放大器，例如前面提及的AD797，则支持单、双电源供电，令设计相对灵活。

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12

B．静态电源电流（QuiescentCurrent）：指放大器在规定的工作电压范围内消耗的静态的

或无信号的电源电流。随着电池供电应用数量的增长，器件功耗问题成为一项关键的设计因

素。如AD公司的仪表放大器AD627，静态电源电流消耗仅60A，在5V电源时，仅需功耗。

我们将这种功耗水平与双电源供电的同类老产品，例如AD526相比，AD526的静态电流为

14mA，电源电压为15V（总电压为30V）功耗高达420mW，是AD627功耗的1,400倍，

这表示电池的寿命会锐减。

C．输入和输出电压摆幅（InputandOutputSwing）：单电源放大器需要能够处理非常接

近电源电压和地电位的输入电压。在一个典型的双电源仪表放大器中，输入和输出电压范围

是从低于电源电压2V到高于地电位2V的范围内，当器件使用5V电源供电时，还保留1V

的余量。当使用新的＋V标准电源供电时，余量实际上就不够了。Rail-to-Rail（轨对轨）技

术解决了这个问题，如AD627，其输入电压在高于地电位100mV和低于电源1V的范围内

摆动90于电源电压或高于地电位100mV范围内摆动，使信号有足够的输出摆幅，满足信号

放大要求，一些运算放大器，如AD公司的OPX91，MAXIM公司的MAX416X，以及TI公

司的OPAX379等，更具备了输入输出满摆幅的性能。

D．失调电压（OfftVoltage）：失调电压特性通常被看作放大器的品质因数。虽然通过

使用硬件或软件的方法可以将任何初始失调电压调整到零，但是由于温度的变化引起的失调

电压的漂移却很难修正，因此，拥有越低的失调电压，放大器的性能越好。

E．输入偏置电流和失调电流：输入偏置电流（IB，InputBiasCurrent）是流入或流出放

大器输入端的电流。输入偏置电流被认为是失调电压的误差源（即流过源阻抗的输入电流产

生失调电压）。偏置电流的任何变化值通常比偏置电流本身的数值更加重要。输入失调电流

（InputOfftCurrent）是两个输入偏置电流之差。当两个输入端的源阻抗不相等时，它导致

放大器的失调误差。

F．共模抑制（CommonModeRejection）：是指当两个输入施加相等的电压时，对输出电

压变化的一种度量。CMR通常用来规定输入特性。共模抑制比（CMRR，CommonMode

RejectionRatio）是一个比率表达式，而CMR是这个比率的对数形式。这两项技术指标通常

都折合到输出端，在一些资料中，也把CMRR用比例对数形式来表示，它们的计算方法见公

式（4-1）和（4-2）。

输入电压共模电压变化

输出电压变化



CMRR（4-1）

）（CMRRgCMRl20（4-2）

G．建立时间（SlewTime）：建立时间定义为输出电压达到并保持在其终值某一允许误差

范围内所需时间。通常在一个快速满度输入阶跃条件下来规定建立时间，包括输出转换时间。

由于有几个因素都对整个建立时间起作用，所以达到%的建立时间并不意味着与达到%建立

时间成比例。此外，建立时间并非是增益的函数，对建立时间起作用的因素包括转换速率的

限制、欠阻尼（振荡）和温度梯度（长尾）。

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13

H．增益（Gain）：对于仪表放大器来说，它的增益是可调节的，但它并不像闭环运算放

大电路那样，利用其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻决定电路增益。以AD公司的

仪表放大器AD620为例，它依靠连接在1和8引脚之间的一个外部电阻R

G

来控制增益，其

计算公式为：

/RG)K(49.41G

,又如AD626，它通过把7号引脚悬空或接地，实现10倍

或100倍的增益选择。

I．带宽（Bandwidth）：放大器的工作带宽必须覆盖要采集信号的频率范围，对于ECG

信号，它属于低频生理信号，因此大部分放大器的带宽都满足ECG信号的带宽要求。

J．输入阻抗（InputImpedance）：理想放大器的输入阻抗为无穷大，但在现实中是不可能

的，放大器输入阻抗越高，信号源的带载能力越好，仪表放大器输入阻抗的典型值为109

至1012，运算放大器的输入阻抗相差较大，有些型号的运放在说明书中没有表明阻抗值，

例如部分AD公司的运算放大器的说明书。

经过对放大器性能参数的学习，我们在选择器件型号时有了对比参照，表4-1是我在设

计过程中把几大半导体器件公司生产的放大器进行了参数比较，以确定自己系统要选用的芯

片型号。

从表中可以看出，仪表放大器中AD627的性能较优，INA331其次，但在某些参数上，

如CMRR，失调电压，转换时间上比AD627好。价格上，AD627最高，INA331最低，可以

说，从性价比来看，选用INA331是首选，从性能来看，选用AD627较佳。

运算放大器的各型号的功能千差万别，没有哪个占绝对优势，不过，MAX416X，

OPAX336，OPA2379,LMC6464，以及OPX81和OPX91的性能更适合我们Holter系统的应

用。

当然，器件型号的最后选取，还受到国内货源供应、价格，样片申请情况和实验条件等

因素决定，但器件的选取并不对电路板的制作有很大的影响，因为这些运放的同级产品，例

如均是在一个IC（IntegratedCircuit，集成电路）中集成四个运放的型号，它们的封装引脚功

能都是可以兼容的，图4-2中给出的是OP491和LMC6464的SOIC-14封装管脚分布图。因

此可以在同一个PCB板焊盘上应用不同类型，相同封装的运放，这增强了我们设计时的灵活

性。

图4-2相同封装的OP491和LMC6464的管脚功能图

LMC6464

百度文库-让每个人平等地提升自我

14

表

4

-

1

放

大

器

性

能

参

数

对

比

运

算

放

大

器

M

a

x

i

m

M

A

X

4

1

6

X

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双

2

5

V

C

C

+

V

E

E

+

>

1

0

T

1

1

0

5

0

0

1-

2

0

0

K

（V

C

C

代

表

系

统

的

正

电

源

，V

E

E

代

表

系

统

的

负

电

源

或

地

，

元

件

的

价

格

为

订

购

量

在

1

0

0

0

个

以

上

的

美

国

离

岸

价

，

“

-

”

表

示

该

参

数

在

说

明

书

中

没

有

表

明

，

参

数

的

测

试

条

件

在

2

5

℃

，

参

数

在

没

有

标

明

单

位

的

情

况

下

默

认

使

用

表

头

的

单

位

，

否

则

以

参

数

旁

边

括

号

内

的

单

位

为

准

。

公

司

缩

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D

,

A

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;

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,

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c

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n

d

u

c

t

o

r

.

）

T

I

-

B

B

T

L

V

2

4

0

X

单/

双

V

C

C

+

5

3

0

0

M

6

3

-

1

2

0

3

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0

-

1

2

0

0

3

5

0

-

9

0

0

(

p

A

)

2

5

0

-

4

0

0

(

p

A

)

单2

0

V

C

C

-

1

V

E

E

+

V

E

E

+

1

0

G

8

0

-

9

0

6

0

-

1

5

0

1

-

1

0

(

p

A

)

1

-

1

0

(

p

A

)

1

0

0

K

单

V

C

C

+

V

E

E

+

1

0

G

1

0

0

1

5

0

0

5

-

5

0

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p

A

)

5

-

5

0

(

p

A

)

9

0

K

N

S

L

M

6

1

3

4

单/

双

3

6

0

V

C

C

+

V

E

E

+

1

0

4

M

7

5

-

1

0

0

2

0

0

0

-

4

0

0

0

1

4

0

-

3

0

0

3

0

-

5

0

1

2

1

0

M

L

M

C

6

4

8

4

单/

双

2

0

0

0

V

C

C

+

V

E

E

+

>

1

0

T

6

0

-

7

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9

0

0

(

p

A

)

(

p

A

)

1

.

5

M

L

M

C

6

4

6

4

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0

V

C

C

+

>

1

0

T

8

5

2

5

0

1

0

(

p

A

)

5

(

p

A

)

5

0

M

类

型

公

司

型

号

供

电

范

围

（V

）

供

电

模

式

静

态

电

流

（u

A

/

通

道

）

最

大

最

小

最

大

最

小

输

入

阻

抗

（

）

共

模

抑

制

比

（d

B

）

输

入

失

调

电

压

（u

V

）

偏

置

电

流

（n

A

）

失

调

电

流

（n

A

）

转

换

时

间

（V

/

u

s

）

带

宽

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z

）

价

格

（$

/

个

）

输

入

范

围

（V

）

输

出

范

围

（V

）

百度文库-让每个人平等地提升自我

15

续

表

4

-

1

运

算

放

大

器

A

D

A

D

8

5

9

X

单

7

5

0

V

C

C

V

E

E

-

3

8

-

4

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2

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0

0

5

-

5

0

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A

)

1

-

3

0

(

p

A

)

5

3

M

单/

双

4

V

C

C

-

1

V

E

E

V

E

E

+

-

6

5

-

9

0

1

0

0

-

1

5

0

0

3

-

1

0

9

5

K

单6

0

V

C

C

-

6

0

(

M

I

N

)

3

5

-

3

0

0

1

0

-

5

0

1

-

8

3

5

0

K

单/

双

3

0

0

V

C

C

V

E

E

V

E

E

+

-

7

0

-

9

0

8

0

-

5

0

0

3

0

-

6

5

3

M

仪

表

放

大

器

T

I

－B

B

I

N

A

3

3

1

单

4

9

0

V

C

C

+

1

0

G

9

4

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0

-

5

0

0

(

p

A

)

(

p

A

)

5

2

M

单/

双

8

5

V

C

C

-

1

V

E

E

+

2

0

G

9

0

5

0

-

2

5

0

3

-

1

0

8

0

K

A

D

6

2

3

单/

双

5

7

5

V

E

E

+

2

G

1

0

0

2

5

-

2

0

0

1

7

-

2

5

1

0

0

K

类

型

公

司

型

号

供

电

范

围

（V

）

供

电

模

式

静

态

电

流

（u

A

/

通

道

）

最

大

最

小

最

大

最

小

输

入

阻

抗

（

）

共

模

抑

制

比

（d

B

）

输

入

失

调

电

压

（u

V

）

偏

置

电

流

（n

A

）

失

调

电

流

（n

A

）

转

换

时

间

（V

/

u

s

）

带

宽

（H

z

）

价

格

（$

/

个

）

输

入

范

围

（V

）

输

出

范

围

（V

）

百度文库-让每个人平等地提升自我

16

电路分析与计算机仿真

了解到模拟电路的总体框图后，我将会按照信号在电路中通过的顺序对每一个功能模块

进行电路分析，并使用EDA软件Protel2004进行计算机电路仿真，以便在原理设计中能验

证方案的正确性。

4.3.1高频滤波网络

空间中存在着许多高频信号，例如各种各样的电磁波。人体作为一个容积导体，会感应

到空间的电磁干扰，这些高频干扰会混杂在人体的生理信号中成为噪声，所以，在信号输入

ECGHolter放大电路之前，要经过一个低通网络，滤去信号中的高频成分。

图4-3高频滤波网络，前置放大以及右腿驱动电路

图4-3中R1，R2和C1，C2，C3组成了一个无源低通滤波网络。其中，R1和C1，R2

和C2分别组成第一级低通滤波网络，该网络的-3dB截止频率f

C1为（设R1=R2，C1=C2）：

212

1

1

CR

C

f



（4-3）

电容C3用于维持低频带的共模抑制能力。R1/R2和C1/C2形成了一个桥路，它的输出接

到仪表放大器的输入端。C1和C2间出现任何不匹配将会导致桥路的不平衡，以致降低共模

抑制能力。C3保证任何高频信号都是共模的（即在仪表放大器的两个输入端是相同的，不出

现差分情况）。（R1+R2）和C3形成第二级低通滤波网络，它的-3dB截止频率为f

C2：

百度文库-让每个人平等地提升自我

17

3)21(2

1

2

CRR

C

f







（4-4）

4.3.2前置放大电路

图4-3中的仪表放大器AD627和电阻R

G

组成了一个前置放大电路，AD627是一个微功

耗精密仪表放大器，具有很高的共模抑制能力（90dB），高输入阻抗（20G），它的增益：

G

R

K

G





200

5（4-5）

输出计算公式为：

REFININOUT

VVVGV



)(*（4-6）

前置放大电路的主要作用是提高仪器的输入阻抗，抑制信号的共模干扰，以及把两电极

感应到的微弱的体表电位进行差分运算后，进行第一级放大，并把差分信号驼载在一个参考

电压V

REF

上，防止差分信号过大，而漂移到VCC或VEE端造成放大器饱和。

图4-4高频滤波与前置放大电路的AC小信号分析图

图4-4为高频滤波网络和前置放大电路计算机仿真的AC（AlternatingCurrent，交流）小

信号分析图，测试条件为正电源VCC=，参考地（图标为）V

REF

＝，电源地（图标为）

GND=0V，今后没有另外说明的话，系统仿真测试均使用上述数值。参考TI-BB公司提供的

元件数值[8，以及市场上常用的电阻电容值，我选取R1=R2=390K，C1=C2=30pF，C3=220pF，

R

G

开路，即G=5。OUT0为仪表放大器输出，由于仪表放大器的最小增益为5（R

G

开路），

因此放大器输出为输入差分信号的5倍，所以在分析图中我把OUT0的值除以5，再求它的

对数值，以方便求出-3dB的截止频率。从图中可知，高频滤波网络的截止频率为约860Hz。

图4-5为高频滤波电路与前置放大电路的瞬态分析图，Electrode1端接幅值为100mV的

2KHz正弦波，Electrode2端接地，图中in1和in2分别是仪表放大器的输入端+IN和-IN。可

见，经过高频网络时，幅值为100mV的正弦信号能量被分散到两个差分输入端，通过仪表放

大器进行差分运算放大后，把OUT0的值减去后再除以5，得出折算到输出端的差分信号波

百度文库-让每个人平等地提升自我

18

形，其幅值已经被削减到40mV了，可见，高频滤波网络起到了抑制高频噪声的效果。

图4-5高频滤波与前置放大电路的瞬态仿真分析图

4.3.3右腿驱动电路

图4-3中运放U2A以及其外围的阻容元件构成了右腿驱动电路。提高放大器输入阻抗可

以提高抗干扰能力，特别是对于电极接触阻抗差异而仪器的“串模”干扰有效。但是，以上

技术都是以提高放大器的性能或线路技术来提高CMRR，还不是从根本上解决降低干扰电压

的问题，而右腿驱动电路可以实现这个目的。右腿驱动电路，是右腿（或参考点）不接地而

接到某一负反馈放大器的输出端，以减小共模电压的方法。R3和R4检出两输入端的共模电

压，通过U2A进行反相运算，并驼载在的参考电压上，通过电极3（Electrode3）输出到人体

的右腿（或参考点），以抵消人体的共模干扰。设R3=R4，简笔画 则右腿驱动电路输出为：

)(

3

5

21ININOUT

VV

R

R

V（4-7）

由于共模电压在两输入端是相等的，即

21ININ

VV，因此只要R3=2R5，就可以得到：

1INOUT

VV（4-8）

图4-6为右腿驱动电路的瞬态仿真分析图。两电极输入端均与一个驼载在直流电压上的

交流峰值为1V的10Hz正弦信号V

IN

，形成共模信号，R3=R4=2R5＝2M。out为右腿驱动

（

V

）

百度文库-让每个人平等地提升自我

19

电路的输出，从图中可见，in和out刚好相互反相，把in和out信号相叠加后，共模电压被

大幅度抵消，其幅值已降低到的水平，起到很好的共模抑制能力。

图4-6右腿驱动电路的瞬态仿真分析

4.3.4高通滤波电路

在采集心电信号的途中，信号会因为病人的活动或器件温度变化等原因而产生低频基线

漂移，使心电信号不处于一个相同的基线水平上，如果漂移过大，可能会令信号摆到VCC或

VEE端，令放大器饱和，失去放大的意义。图4-7中的心电波形就出现了明显的基线漂移。

高通滤波电路针对这个现象，把输入信号中的极低频成分，包括直流信号抑制下来，减小基

线漂移的影响。

图4-7MIT-BIH心率失常数据库数据文件的心电波形

图4-8是一个一阶有源高通滤波电路，C5和R7形成一个高通网络，运放U2C起到提高

（

V

）

百度文库-让每个人平等地提升自我

20

输入阻抗和降低输出阻抗的作用，该电路的截止频率为：

572

1

CR

f

HP

（4-9）

图4-8高通滤波电路

图4-9高通滤波电路的AC小信号分析图

图4-9为该电路的AC小信号分析，C5=，R7=1M，从图中可测量出截止频率约为，而

使用公式计算的理论值为，仿真值和理论值相符。

图4-10，图4-11分别为该电路输入低频正弦波和方波的瞬态分析图。输入正弦波的幅值

为1V，频率为，方波的峰值为1V，周期为16s，波宽为8s，均以为参考地。正弦信号的输

出幅值被抑制至150mV，还使信号产生/2的相移，方波的直流信号被削减，直到被削弱至

参考地为止。

（d

B

）

百度文库-让每个人平等地提升自我

21

图4-10高通滤波电路正弦信号瞬态分析图

图4-11高通滤波电路方波信号瞬态分析图

4.3.5低通滤波电路

为了满足数字信号采样定理，即：

MAXS

ff2（4-10）

公式（4-10）中f

S表示系统的采样频率，fMAX

表示被采样信号中所包含最高的分量信号

频率。我们的系统记录的ECG信号带宽采用标准临床用～100Hz的通带，因此ADC的采样

频率必须达到200Hz以上，我们使用一个低通滤波电路，使系统的带宽限制在100Hz以下，

与前面的高通滤波结合，就成为一个～100Hz的带通滤波电路。低通滤波电路的原理图见图

4-12。

（

V

）

（

V

）

百度文库-让每个人平等地提升自我

22

图4-12低通滤波电路

该电路是一个二阶有源低通网络，其低通截止频率为：

76982

1

CCRR

f

LP

（4-11）

图4-13为R8=R9=22K，C6=，C7=时该电路的AC小信号分析，其-3dB截止频率约为

104Hz，理论公式计算为，误差值为％，属于工程允许的误差范围（5％），而偏离应用带

宽上限4%，这对实际应用影响不大。该电路的瞬态分析将会在模拟电路的总体仿真分析中给

出。

图4-13低通滤波AC小信号分析图

4.3.6陷波电路

市电交流干扰是电子应用中最大的干扰之一，我国使用的市电频率为50Hz，美国采用的

是60Hz，在该频率处产生的信号干扰会把微弱的ECG信号淹没。图4-14是文献[9]中展示的

被市电干扰的ECG信号a)，通过模拟陷波电路滤波后的ECG信号b)，以及经过数字信号陷

波处理后的ECG信号c)，可见，经过两次滤波处理后，ECG信号变得清晰，各个波段的特

征明显。

（d

B

）

百度文库-让每个人平等地提升自我

23

图4-14受市电干扰的ECG信号以及滤波后的ECG信号

文献[10]采用了LT（LinearTechnology）公司的通用集成开关电容滤波器LTC1068-50，

虽然取得了较好的滤波效果，但该芯片价格较高，功耗大（Iq>3mA），而且需要大量的外围

阻容元件以及控制时钟脉冲，这对于在功耗和体积要求方面较高的便携式系统来说是很不适

合的。我们参考文献[11]中的设计，设计出一个可同时调整中心频率和品质因数的非对称有

源陷波器（见图4-15），它仅使用两个运放和少量的阻容元件，它的功耗视运放的功耗而定，

如果使用图中所示的OP481，则该电路总的静态电流消耗仅为8uA。

电位器RP1和RP2分别用于调节陷波电路的陷波中心频率和品质因素，我们定义当电位

器的滑动点3移动到1端时所处的位置为K=0，移动到2端时所处的位置为K=1，在1和2

端之间滑动时K的值与3端所处1、2间的长度位置成线性关系，例如，3端处于电位器中点

时，位置为K=。我们接下来将对RP1或RP2在不同的K值时电路的滤波能力进行分析。

图4-15陷波电路

百度文库-让每个人平等地提升自我

24

图4-16陷波电路RP2参数扫描AC小信号分伊山寺 析图

我们选取R10=1M，R11=150K，R12=，C8=C9=C10=，RP1=RP2=10K，这些是

市场上常用的阻容值，先对RP2进行参数扫描，以研究它对品质因素Q的影响。如图4-16

所示，当RP1的K=时，陷波中心频率f

0

=50Hz，RP2扫描的初始位置K=，结束位置为，扫

描间隔为。K=时，Q值很高，外观表现为图形“缺口”很窄，

86.17

498.51

50











LH

O

ff

f

Q

。

随着K的增大，“缺口”逐渐加宽，K＝时，Q值减小到，这种Q值的陷波电路已经把大片有

用带宽中的信号抑制下去了。对于陷波电路来说，越高的Q值一方面能取得越精确的陷波效

果，减少抑制周围有用频带的信号，但另一方面会导致陷波深度减小，如K=时中心频率的陷

波深度为-30dB，而K=时陷波深度达到-53dB，所以适当调节Q才能达到最佳的陷波效果。

（d

B

）

百度文库-让每个人平等地提升自我

25

图4-17陷波电路RP1参数扫描AC小信号分析图

图4-17是在RP2＝时的RP1参数扫描AC小信号分析图，RP1初始位置K=，结束位置

为（仿真软件中位置参数不能为0或1等的极端值），扫描间隔为。可见，该电路的陷波中心

频率可以通过调节RP1从41Hz连续覆盖至，覆盖了我国和美国市电的频率，因此，采用此

陷波电路，可以使ECGHolter在不同市电频率的国家中应用，同时通过微调RP1，可以补偿

因为元件阻值的工艺误差所产生的陷波中心点偏移，具有很高的灵活性。该电路的瞬态仿真

将在整体电路仿真中给出。

4.3.7主放大器

图4-18主放大器

主放大器负责把滤波后的毫伏级的ECG信号放大到伏特级水平，如图4-18所示，以U3C

为核心的电路是一个典型的正相运算放大电路，它的放大倍数：

14/151RRA（4-12）

调节电位器NULLING，可以手工补偿电路产生的零点漂移。由于它不是滤波电路，因

此我们不对它进行AC小信号分析，瞬态分析也放在整体仿真中进行。

4.3.8滤波放大电路的总体仿真

下面我们先对上述模块进行总体测试，而先不分析QRS检波电路，原因有：检波电路具

（

V

）

百度文库-让每个人平等地提升自我

26

有相对独立性，它本身带有针对其应用带通的滤波器；2.在Protel2004中，调试电路过多，

运算量极大，更会令运算迭代次数超过软件设定的上限而令仿真中止，在我们实验的过程中，

滤波放大电路和QRS滤波电路串联起来调试的话，便会超出迭代上限。主放大器中R14=1K

，R15=200K，其它参数和上文介绍中的一致，电路的AC小信号分析图见图4-19：

图4-19滤波放大电路整体AC小信号分析图

OUT是主放大器的输出，信号通过仪表放大器AD627进行一级放大5倍后，经过高通、

低通、50Hz陷波，再被主放大器放大201倍，系统总增益为1005倍。

为了进行更加接近实际的仿真，我利用不同频率和幅值的正弦波、脉冲波模拟了一个心

电波形作为瞬态分析的输入信号，并在信号中2KHz和50Hz的噪声，以验证该系统的效果。

由于模拟心电信号的幅值相对大，峰值为5mV，因此我把主放大器的R15减小到50K，系

统总增益调整到255倍。

如图4-20，两个电极分别输入不同的信号，其中正电极的信号IN1为模拟心电信号，基

线为1V，负电极的信号IN2为两个频率分别为50Hz和2KHz，幅值均为1mV的正弦波叠加

的干扰信号，这个信号将会在仪表放大器前的高频滤波网络中混杂到心电信号中。OUT0为

仪表放大器的输出，心电信号受到严重的干扰，只能勉强辨认出QRS波群的波形。图4-21

中，OUT1为低通滤波的输出，其波形与OUT0基本相同，但明显把OUT0出低于的基线偏

移抑制了，OUT1的信号基本在的基线上。OUT2为低通滤波输出，在大比例图中与OUT1

波形的分别不明显，然而将图放大后，可以看到在OUT1中的2KHz噪声在OUT2中已经被

大大抑制了，看不出它的波形，而只剩下50Hz的噪声干扰。OUT3为陷波电路输出，到这里，

50Hz的噪声也被大幅度削减了，心电波形呈现出原来的特征，但是在部分地方出现了一些毛

刺信号，仔细对比的话，将会发现出现毛刺的地方正好是OUT2中信号幅值低于的区域，这

个现象稍后讨论。图4-22中OUT4为主放大器输出，可看出，第一个心跳的Q波和R波的

差值约，而在IN1出的差值约为，放大倍数为＝，十分接近理论值255。

（

V

）

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27

图4-20两电极的输入信号以及仪表放大器输出

图4-21高通、低通和陷波电路的输出

（

V

）

（

V

）

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28

图4-22主放大器输出

图4-23没有高频干扰时，RP1的K=（上）和（下）时陷波电路的输出

但是，如果输入信号不加入2KHz的干扰信号，在其它参数相同的条件下，OUT3的输

出如图4-23所示，50Hz的干扰反而不能被很好地抑制，只有当RP1的K=时，才能把50Hz

信号削减下来，而且效果比较理想，虽然在个别区域还有小幅度的干扰残留，但没有出现前

面例子中的毛刺。这个现象我们一直不能在理论上找到合理的解释，有待实测时验证。

4.3.9QRS检测电路

该电路可以检测出QRS波群所在的位置，以方波的形式输出，作为数字系统的心率计数

信号。见图4-24，检测电路主要由四个功能模块组成：

A．QRS滤波器：由R1、R2、R4，C2、C3和U1A组成，它是一个中心频率为17Hz，

带宽为6Hz的通带滤波器，ECG信号的功率谱在这个频带处的信噪比最高。通带中心频率为

f0

以及该频率处的增益A为：

32422

1

0CCRR

f



（4-13）

12/4RRA（4-14）

（

V

）

（

V

）

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29

图4-24QRS检测电路

B．全波整流器：由R5、R6，D1和U1B组成，把滤波后的QRS复波进行全波修正，使

信号始终处于参考地的正上方。

C．门限电压电路：由W1，C4，D2和U1C组成。滤波和整流过的峰值电压储存在一个

电容中。这个电压的一部分（门限电压）用于与经滤波校正后的E事与愿违 CG输出进行比较。

D．比较器：即U1D，当超过门限电压时比较器可以输出一个QRS脉冲。每来一次脉冲，

电容就将重新充电到一个新的门限电压，一次每次脉冲后都会产生一个根据过去值而产生的

新的门限电压。

根据文献[12]的设计，还有一个单稳态电路，用于把一个QRS波中引发的多个输出脉冲

合并成一个200ms的方波脉冲，起到去抖动的功能。我们从节省硬件电路的角度考虑，采用

软件延时去抖动的方法代替硬件去抖动功能，故不采用单稳态电路的设计。

设C2=C3=，R1=1M，R2=18K，R4=510K，QRS滤波电路的AC分析如图4-25，

通带中心频率为，与理论公式计算值相符，通带为～，Q＝，符合我们应用的要求。

图4-25QRS滤波电路的AC小信号分析

图4-26为R5=R6=100K，C4=10uF，W1=50K，K=时，以模拟心电信号输入所进行

的QRS检测瞬态仿真。Q-R幅值为的ECG信号通过QRS滤波电路后，在OUT1处输出的幅

（d

B

）

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30

值削减为75mV，QRS波群被突出，其它的如高大缓慢的T波则被抑制；OUT2为全波整流

器输出，它把OUT1中幅值低于参考电压的信号翻折至参考电压的正上方，使所有输出的电

压都处于参考线之上；门限电压电路把OUT2的峰值电压保持在C4中，从其输出OUT3中

可以看出，波峰之间的沟壑被填平。通过电位器W1进行分压的门限电压OUT4输入到比较

器的正相输入端，与整流后的ECG信号OUT2进行比较，得出OUT5的脉冲波形，我们可以

通过调整W1的K值，改变检测输出脉冲的宽度。

图4-26QRS检测电路的瞬态仿真分析

到这里，我们已经把所有模拟电路分析完毕了，我们在原理分析和计算机仿真上实现了

预期的信号处理功能，具体的应用电路图见附录一。下一步，我们将制作出实物电路，实测

这些设计的功能和性能。

实物电路调试

通过原理图仿真验证模拟电路的可行性后，我制作出PCB进行实物调试，图4-27是模

拟电路实物的照片。为了方便调试，我们在每一个功能模块的输入和输出端都使用排针和跳

线帽进行连接，并在各自的输出处引出测试点。仪表放大器仍然采用AD627。由于条件限制，

运算放大器与原理仿真时使用的型号有差别，其中1号样机全部使用OP491（3个）；2号样

机，即图4-27电路中选用了MAX4164（1个）和LMC6464（2个）。实测证明，以上型号对

（

V

）

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31

模拟电路的功能没有明显的影响。

图4-27模拟电路实物图

（1）高频滤波与前置放大电路

测试信号是交流幅值为的正弦波，信号的地端接IN-，正端接IN+。当信号的频率在系统

的通带中时（0～100Hz），仪表放大器输出的交流幅值为1V，基线为（电源AVCC＝，模拟

电路参考地AGND＝AVCC/2＝），放大倍数为5。当信号频率到750Hz时，输出交流幅值下

降到左右，达到了截止频率的响应幅度，但是与理论值860Hz的误差达％，这可能是元件的

工艺误差、线路电阻以及示波器测量精度不足引起的。不过，由于我们系统所采集的心电信

号的带宽最高只有100Hz，因此高频滤波电路的截止频率误差对目标信号采集没有影响。

（2）高通滤波电路

向高通滤波输入端加上一个5V直流电压，高通电路输出马上输出饱和电压，但在随后

的几秒内，输出慢慢下降到的水平，由于实验用的函数发生器不能产生1Hz一下的信号，故

无法测试高通滤波电路的截止频率。

（3）低通滤波电路

信号交流幅值为1V，电路的截止频率为，与理论值的误差为％。

（4）陷波电路

设电位器NOTCH_Q的滑动点的位置值K为Kq，用于调节陷波电路的Q值；电位器

NOTCH_F0的K为Kf，用于调节陷波电路的中心频率，测试信号的交流幅值为，频率为50

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32

，当Kf＝时，电路对50Hz信号的抑制最大。当Kq＝1，输出交流幅值为，截止频率f

L

＝，

fH

＝，Q＝；当Kq＝时，输出交流幅值为25mV，f

L

＝，f

H

＝，Q＝；当Kq＝时，输出交流

幅值为5mV，f

L

＝，f

H

＝，Q＝；图4-28为电路在不同Q值时在陷波深度最大处的输出波形。

图4-28陷波电路测试波形，Kq=（左），Kq=（右）

（5）放大电路

放大电路输入一个交流幅值为23mV的50Hz正弦波，输出信号交流幅值为，放大倍数

为，与理论值51倍的误差为％。

（6）QRS检测电路

图4-29为QRS检测电路的测试波形图，输入信号是交流幅值为1V的17Hz正弦波，从

输出波形可看出，在输入信号的每一个波峰处，相应的输出都产生一个方波脉冲。

图4-29QRS检测电路测试

（7）ECG信号实测

我们采用胸导V5的导联连接方法：正极接左腋前线第五肋间，负极接胸骨柄，中性电

极（右腿驱动电路输出）接右腋前线第五肋间。示波器中能显示清晰的ECG波形，图4-30

为主放大器以及QRS检测输出的ECG波形，由于示波器所用的扫描速度较慢，故图中第一

个ECG波形为实验录像中前后两帧截图叠加起来的合成图像，以增强信号的轨迹。从实验结

果中可以看到，ECG信号中没有明显的工频干扰等噪声信号，预处理效果比较理想。

输出

div

输入

div

输出

2V/div

输入

1V/div

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33

图4-30放大后的ECG（上）以及相应的QRS检测（下）

本章小结

本章首先给出了模拟电路的原理框图，再对模拟电路的主要元件——放大器的参数进行

了分析，比较了几大模拟器件公司的部分放大器的性能，然后分别分析了各功能电路原理图、

并使用计算机进行仿真，验证其可行性，最后对实物电路的性能进行了测试。

1V/div

1V/div

2V/div

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34

第5章数字电路的设计

数字电路框图

在分模块介绍前，我们对数字电路的总体结构进行了解，图5-1中虚线内的部分为我们

设计的数字电路系统，它通过两个信号线与模拟电路系统相连，分别接收经过滤波和放大处

理后的ECG信号，以及QRS检测电路产生的计数脉冲。数字电路可以通过USB接口，与计

算机进行通信，用于上传心电数据以及下载固件（Firmware）代码。下面我将对各模块的芯

片的功能以及电路连接进行介绍。

图5-1数字电路原理框图

器件的介绍及应用

5.2.1CY7C68013A

Cypress公司生产的微控制器CY7C68013A（下面简称FX2）是该公司推出的USB高速

外围控制设备EZ-USBFX2LP系列中的一员，该系列产品具有一下主要特点：

A．支持USB协议中定义的两种数据传输速度：全速（12Mbps）和高速（480Mbps）。

集成了SIE（SmartSerialInterfaceEngine，智能串行接口引擎），自动执行USB传输所需要的

大部分工作，大大节省了开发人员编写协议代码的烦琐工作，缩短开发周期和难度；

B．片内集成了增强型8051控制器，每个机械周期由四个时钟周期组成，处理速度为相

同频率的标准8051控制器的3倍；

C．增强8051指令系统和专用寄存器；

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35

D．8051所运行的固件代码位于内置的16KBRAM（RandomAccessMemory，随机访问

储存器）中，代码既可以通过USB下载到RAM中，也可以从E2PROM（ElectricErasableand

ProgrammableReadOnlyMemory，电可擦写只读储存器）中载入；

E．集成GPIF（GeneralProgrammableInterface，通用可编程接口），实现多种形式的外围

控制；

F．集成四个FIFO（FirstInFirstOut，先进先出队列）；

G．集成I2C（Inter-Integrated-Circuit）总线控制器；

H．供电，低功耗，在8051工作，在USB高速传输的状态下，最大电流消耗为85mA，

典型值为50mA。

FX2的原理框图见图5-2，我们使用它作为ECGHolter的控制核心，它的应用电路见后

面的数字系统原理电路图。

图5-2EZ-USBFX2LP原理框图

5.2.2SD卡

SD记忆卡是现代数码产品中使用最广泛的储存设备，它具有体积小，存储容量大（现在

的容量已经达到GB级），功耗低，价格便宜等特点。按照我们设计的系统以采样率为200Hz，

每个采样点分辨率为12位，在不压缩的情况下1个采样点占2个字节的空间，那么进行一天

连续记录所需要的空间为：

MBBhhssB96.32)(345600)(24*)/(3600*)/(200*2

这样我们只需要一个64MB的SD卡就可以满足1天多的记录要求，更何况，现在大部

分的数码市场上，SD卡容量的最小规格只能为128MB了，所以SD卡是一个理想的记忆设

备，它能兼容系统在将来更高采样率设计要求。

根据SD卡技术规范[13]，它的结构如图5-3，SD卡与主机的通信分为两个模式：SD模式

和SPI（SerialPeripheralInterface，串行外围接口）模式，前者速度快（4位并行数据总线），

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36

使用到所有的信号线；后者速度较慢（数据以单线传输），但所用的信号线较少，节省电路空

间，同时也和MMC卡传输兼容。各管脚在不同模式下的定义见表5-1，由于SPI模式的传输

速度已经可以满足我们应用的要求，因此设计采用SPI模式的连接方式，4根信号线中除了

SCLK线外，都要外加一个10K~100K的上拉电阻，图5-4为它的应用电路，图中的COM，

WP，GND和CD脚是把记忆卡固定在PCB上的卡槽的引脚，除了GND接地外，其它管脚

不使用。

图5-3SD卡的内部结构

表5-1SD卡各模式的管脚定义

管脚号

SD模式SPI模式

名字功能描述名字功能描述

1CD/DAT3卡检测/数据线（第3位）CS片选（低电平有效）

2CMD命令/回复DI数据输入

3VSS1电源地VSS电源地

4VDD正电源VDD正电源

5CLK时钟信号SCLK时钟信号

6VSS2电源地VSS2电源地

7DAT0数据线（第0位）DO数据输出

8DAT1数据线（第1位）保留-

9DAT1数据线（第2位）保留-

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图5-4SD卡应用电路

5.2.3LCD模块

LCD模块是一个集成了LCD、显示控制电路，有的还附带中文字库功能模块，用户只需

要根据说明书上的命令向模块的显示RAM中写数据，即可实现图形、文字的显示，以及光

标的移动、反白等功能。我们选用了LCD在线公司[14生产的KM12864-12，它是一款采用

ST2790作控制器，内置汉字字库，分辨率为128*64点的低功耗图形字符液晶显示模块，支

持供电，适用三线SPI或8位并行两种数据通信模式。我们的设计采用SPI通信方式，和SD

卡共用一个SPI总线，如图5-5，PSB接地令模块采用SPI通信模式。

图5-5LCD模块应用电路

5.2.4E2PROM

FX2虽然可以从USB总线上下载固件代码，这个在实验阶段是没有问题的，然而，在实

际应用中，用户会携带Holter到户外活动，因此必须有一个代码储存的设备，使Holter在脱

机的情况下仍然能够把代码加载到内置的RAM中工作。FX2具备启动时自动下载代码的功

能，它启动后先在I2C总线上检测有没有适合的E2PROM，如果存在的话，FX2马上从E2PROM

下载VID（VendorID，生产商识别号），PID（ProductID，产品识别号）和固件代码，并开

始执行固件程序。我们选用Microchip公司的E2PROM24LC128，该芯片是采用I2C总线通信，

容量为128Kbit，即16KB，与FX2内置RAM的大小一致。其管脚分配如图5-6所示，VCC

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38

和VSS分别为电源和地；WP为写保护控制位，连接到VSS则可以对芯片进行写操作，连接

到VCC则禁止写芯片；A2，A1，A0分别为I2C总线地址的低3位，接到VCC为1，接到

VSS为0，高4位已经固定为1010，因此可以在一个总线上配置8个24LC128，地址分别从

二进制（1010000）

2

到（1010111）

2

；SCL和SDA为I2C总线的两根信号线，其中SCL为时

钟信号线，SDA为数据信号线。

图5-624LC128的管脚图

5.2.5实时时钟

我们采用Maxim公司的RTC（RealTimeClock，实时时钟）芯片DS1338为系统提供时

间信息，以加入用户的心电信息头文件中，它的应用电路如图5-7所示，X1，X2外接一个的

时钟晶振，VBAT接的钮扣电池为芯片提供后备电源，SQW是可编程方波输出，在我们的设

计中不会用到该功能，因此不连接，SCL和SDA为I2C总线，DS1338的I2C总线地址为

（1101000）

2

。

图5-7实时时钟芯片应用电路

5.2.6A/D转换器

要把模拟电压形式的ECG信号转换为数字系统可以识别的数据，必须经过A/D转换，

我们采用AD公司的模数转换器AD7992，它是一个双通道12位ADC，兼容I2C总线通信。

如图5-8，FX2的一个通用IO口接ADC的

CONVST

端，该信号变为低电平时，AD7992便

进行A/D转换，并把转换后的数据暂存在片内的寄存器中，等待主机把数据读取，在不转换

的时候，ADC处于睡眠状态，电流消耗仅1uA；VIN1为通道1输入，接收ECG信号；只使

用单通道转换时，管脚4作为参考电压输入，即转换数字信号的最高输出3FFH对应的是该

管脚的输入电压VREF，我们用VCC作为转换的参考电压；ALERT脚为输入电压超出预设

范围警报，我们不使用它的功能；AS为I2C总线设备地址设定位，当AS＝GND时，通道1

的地址为（0100001）

2

，通道2的地址为（0100011）

2

。

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图5-8ADC应用电路

图5-9按钮模块电路

5.2.7按钮模块

图5-9为按钮模块电路，它由三个按钮组成，按钮断开时，输出高电平，按下后接地，

输出低电平。按钮与FX2的外部中断输入口连接，外部中断为低电平触发，当中断口检测到

某按钮出现低电平后，调用相关的中断服务子程序，控制Holter停止或开始采集数据，在系

统设定时控制LCD中的光标移动以及数字变化。

5.2.8数字系统原理图

数字系统的应用电路原理图见附录二，，我们使用通用IO口的PA0～PA2作为按钮输入，

PB0～PB3作为SPI总线，PC0为ADC转换控制位，系统使用24MHz晶振工作，电阻R9-4

和电容C9-10组成一个上电复位电路，R9-2和R9-3为I2C总线必须具备的上拉电阻。按照说

明书上的要求，把不使用的输入口接VCC或GND，防止意外的信号干扰。附录二中的

MAX3232是RS-232接口芯片，用于进行计算机串口与Holter串口间的信号电平转换，为将

来的扩展功能做准备。为了减少数字电路的高频噪声混入抗干扰能力较弱的模拟电路，一般

把数字地和模拟地分开连接，最后在一点上或通过电感、磁珠等连接在一起。在设计过程中，

我们把模拟地标识为GND，把数字地标识为DGND，两个地最后通过一个10uH的电感连接

起来。图5-10是数字电路的实物照片。

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图5-10数字电路实物图

本章小结

本章首先给出了数字电路图的原理框图，然后以芯片为单位，介绍各模块的功能和应用

电路，完成了单片机系统、显示模块和储存模块的设计，最后给出了数字系统的应用电路图。

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41

第6章电源管理电路的设计

电源管理芯片的介绍及应用

我们选取了Maxim公司的MAX1797，作为我们系统的电源管理芯片。MAX1797是一款

高效率，低电流供应的直流升汉朝官职 压转换器，它支持～的电压输入，静态电流消耗为25uA，根据

连接方式的不同，输出电压可选择为预置的或5V，或者是用户可调电压，电流输出可达

350mV，转换效率达95％，满足便携式低功耗系统的要求。它的应用电路如图6-1，自锁按

钮开关选择电池或者USB总线供电，当LBI脚的电压低于，即电池电压低于时，LBO从低

电平变为高阻抗，通过上拉电阻R8-3输出一个高电平，接到FX2的外部中断INT4，调用相

应的中断服务子程序，提醒用户更换电池。

电源芯片的测试

我们使用2节一次性电池作电源，输入电压为，MAX1797输出电压为；使用2节充电电

池，输入电压为时，输出电压为，与说明书中的理论值相近（输入为2V时，输出为～）。但

是当采用USB总线的5V供电时，输出电压却上升到，这与说明书中的工作输入电压范围（～）

不符，这意味着系统的总线供电不能与MAX1797相连接，而需要连接到另外的低压差整流

芯片，在实际调试中，我们使用一个LM1117-33把USB总线的5V电源电压转换为的整流电

压，它的应用电路见图6-2。但是，我们仍然希望通过对电源芯片的进一步研究，使电池供电

和总线供电能统一使用一个MAX1797。

图6-1MAX1797应用电路

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42

系统功耗的计算

本系统功耗最大的三个器件分别是FX2，SD卡和LCD模块，它们的最大电流消耗分别

是80mA，10mA和3mA，然而在实际应用中，FX2在USB传输时可以使用总线供电，在脱

机采集信号状态下可以关闭USB总线，因此我们取它的典型消耗值50mA。AD7992在采集

时的消耗为，系统采用12个运放，以MAX4164的消耗计算（每运放25uA），运放消耗电流，

AD627为60uA，由于E2PROM和DS1338只在开机的时候和记录开始的时候才进行短时间

工作，而且它们在工作时电流消耗约为1mA，所以，在与其它在采集过程中长期工作的器件

相比，它们的电流消耗可以忽略不计。这样系统在采集过程中的电流消耗约为64mA，因为

系统采用的是统一的供电，因此系统工作是的总功率为，用2节，1800mAh的充电电池串联

成3V，利用MAX1797转换为，转换效率为95％，则系统可以连续工作小时。

图6-2LM1117的应用电路

本章小结

本章着重介绍了以MAX1797为核心的电源管理电路的应用，对它的性能进行了测试，

并提出了使用LM1117-33实现的辅助电源电压转换电路，最后计算了系统的功耗。

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43

第7章系统软件的设计

软件流程图的简介

由于固件程序的设计属于另一个子课题的内容，因此本文只给出它的总体流程图，以及

定时器0溢出中断子程序，分别见图7-1和图7-2。

图7-1系统软件流程图

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44

图7-2定时器0溢出中断子程序

本章小结

本章简述了FX2运行时所需要的固件程序。

关中断

开中断

返回主程序

调用写

记忆卡子程序

调用AD转换子程

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45

第8章结论

系统性能评价

我们设计了一款基于USB专用微控制器CY7C68013A的便携式低功耗ECGHolter系统，

其实物见图8-1，它的物理尺寸为140mm*95mm*20mm。该系统通过模拟电路对心电信号进

行滤波和放大处理，把模数转换后的数据存储在SD卡中，可进行长时间记录，利用液晶显

示和按钮实现人机交互操作，储存在SD卡的数据最终通过USB传输到个人电脑里面，供专

门的心电分析软件进行后期处理，表8-1是我们的设计与北京美高仪公司[15]的MGY-H8动态

心电记录仪的性能参数的比较。因为我们的设计Holter的采样频率以及分辨率都高于

MGY-H8，所以我们的Holter每通道每天进行连续记录所需的记忆空间较多，不过以现在SD

卡的容量已经可以满足长期储存的要求；在数据回放方面，我们的Holter以大容量储存设备

向计算机枚举，在Window2000或以上的版本系统中不必安装专用驱动程序，大大提高了数

据回放的灵活性；但是我们的Holter的连续工作时间比较短，这可以通过优化系统电源管理

来进一步提升Holter的续航能力；从总体性能上看，我们的设计优与MGY-H8，有一定的市

场竞争力。

工作展望

由于知识水平和时间的限制，电路的功能还不完善，在今后的改进中，需要加入数控增

益调节、导联脱落检测、数据压缩、紧急情况报警等功能；固件程序还在没有调试完毕，系

统功能不能完全实现；电源管理还需要进一步优化。此外，由于我们制作的样机是基于方便

实验调试的角度考虑，因此其体积与实际应用的要求相比，仍需要进行大幅度削减，以上这

些都是我们今后努力的方向。

表8-1MGY-H8与我们的设计的参数比较

参数名称MGY-H8我们设计的Holter

电极数43

记录通道31

采样频率128Hz200Hz

采样分辨率8位12位

响应频率～40Hz～108Hz

记忆设备CF闪存卡SD闪存卡

容量需求通道天通道天

通信接口专用回放器USB

电源2节5号碱性电池2节5号充电电池/USB供电

工作时间72小时24小时

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46

本章小结

本章对我们设计的ECGHolter的功能进行了总结，并与MGY-H8心电记录仪的性能进行

了比较，最后提出我们的系统存在的不足，以及今后需要努力的方向。

图8-1ECGHolter样机的照片，正面（上），背面（下）

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47

致谢

经过多个月的努力，通过阅读资料、软件设计仿真、电路板制作和实物调试，终于完成

了便携式ECGHolter的设计开发及毕业论文。在毕业设计的几个月里，我深深的感谢我的指

导老师——陈真诚老师给我耐心的帮助及热情的支持与鼓励。在整个系统设计及论文写作过

程中，陈老师从系统的大体框架到电路的细小功能、从论文的提纲到文章的格式等方方面面

都给予了我最悉心的指导。

同时，感谢同一个研究项目的组员宋含、张一帆和郑博同学，他（她）们为系统固件代

码的编写、USB联机调试和上位机程序的编写等部分做出了很大的努力和贡献；感谢物理院

应用物理系的刘向宇同学，他在我们的PCB制作，以及电子电路的设计上给予了很大的帮助；

感谢生物医学工程系武伯歌老师在电路设计上进行了细心的指导。

再次感谢给予我帮助的老师、同学和朋友们!

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手册，附录一模拟电路原理图

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附录二数字电路原理图

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数据手册，产品数据手册，产品数据手册，