实验室电路之用于病人监护的心电图前端

    连接/参考器件

    ADAS1000集成呼吸与脉搏检测的心电图(ECG)前端

    ADP151超低噪声、200 mA CMOS线性稳压器

    评估和设计支持

    电路评估板

    评估板(EVAL-ADAS1000SDZ)

    系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)

    设计和集成文件

    原理图、布局文件、物料清单

    电路功能与优势

    本电路是高度集成的心电图(ECG)前端，用于电池供电式病人监护应用。图1显示典型5导联(4个肢体导联和1个心前胸导联)ECG测量系统物理连接的顶层框图，该系统集成了呼吸与脉搏检测功能。这种配置通常用于便携式遥测ECG测量或线路供电式床边仪器的最小导联设置。

    在皮肤表面测量时，ECG信号幅度较小，通常为1 mV.有关病人的健康及其它参数的重要信息都蕴藏在那个小信号之中，因此要求器件具有μV级的测量灵敏度。就系统而言，许多医疗标准都要求最大噪声不超过30μV p-p;然而，设计人员通常把这一数值定的更低。因此，设计满足系统层面需求的解决方案时，必须考虑所有的噪声源。

    ADAS1000的额定噪声性能针对多种不同的工作环境。电源须经过设计，确保不会降低整体性能。选择ADP151线性稳压器是由于它的超低噪声性能(9μV rms典型值，10 Hz至100 kHz)，配合ADAS1000的电源抑制性能，可确保ADP151产生的噪声不影响整体噪声性能。

图1.用于典型4电极+ RLD或5导联配置的ADAS1000简化功能框图(未显示所有连接和去耦)

    电路描述

    ADAS1000五电极ECG模拟前端(AFE)解决新一代低功耗、低噪声、高性能系留式和便携式ECG系统带来的挑战。

    ADAS1000是一款高度集成的芯片，由五个电极输入和一个专用右腿驱动(RLD)输出参考电极组成，专为监控与诊断级ECG测量而设计。

    除了支持监控ECG信号的基本元件，ADAS1000还配备了呼吸测量(胸阻抗测量)、起搏伪像检测、导联/电极连接状态以及内部校准等功能。

    单个ADAS1000支持5个电极输入，轻松进行传统的6导联ECG测量。并联第二个ADAS1000从机设备便可将系统调节到真正的12导联测量(由9个电极和1个RLD组成)，若加入多个从机设备(3个或更多)，便可将系统调节到15导联测量甚至更多。

    呼吸 ADAS1000集成用于在46 kHz至64 kHz的可编程频率下进行呼吸驱动的数模转换器(DAC)，以及用于简化这一复杂测量过程的模数转换器(ADC)。测量信号经解调，转换为幅度和相位信息，可据此确定相应的呼吸信息，从而得到具体的线缆参数。本电路使用内部电容时分辨率为200 mΩ，使用外部电容时具有较高的分辨率(<200 mΩ)。电路具有灵活的开关方案，允许测量三个导联中的一个(I、II或III)。

    起搏检测算法起搏检测算法在四根可能的导联线(I、II、III或aVF)中的三根上运行三个数字算法实例。它与内部抽取和滤波并行针对高频心电图数据运行。该算法设计用于检测并测量宽度范围从100 μs到2 ms、幅度从400 μV到1000 mV的起搏伪像。ADAS1000返回一个标志，用以表示是在一根还是多根导联线上检测到起搏信号，同时返回检测到信号的高度和宽度。当用户希望运行自己的数字起搏算法时，ADAS1000提供了一个高速起搏接口，以极快的数据速率(128 kHz)提供ECG数据，与此同时，标准接口上经过滤波和抽取的ECG数据保持不变。

    低功耗 ADAS1000针对低功耗设计，仅需21 mW便可进行5个ECG电极的测量。若需进一步降低电池供电式动态心电和遥测仪等应用的整体功耗，所有未用到的通道和特性都可轻松禁用，以便进一步将单个ECG导联的功耗降低至11 mW.

    低噪声

    若需在不同条件下进行正确诊断，则低噪声性能至关重要。终端设备需要借助于ADAS1000的噪声性能，以符合监管标准。ADAS1000允许在噪声性能、功耗以及数据速率之间进行权衡取舍，适合用于多种产品之中。在功耗并非主要问题的线路供电式ECG系统中，ADAS1000的性能同样非常出色。

    使用器件的高性能模式可优化其噪声性能，该模式下片上SAR ADC的采样速率上升至2 MSPS，因此具有更高的信噪比(SNR)。

   灵活的数据速率

    标准串行接口可输出所有ECG相关信息，包括导联脱落状态、起搏、呼吸和其它辅助功能。统称“包”或“帧”的大量32位或16位数据字通过数据总线的串行SDO引脚输出。提供不同的数据帧速率(2 kHz、16 kHz或128 kHz)，确保最终简化数据采集任务。最低的数据速率(2 kHz)可实现更多抽取功能，并且针对低噪声性能优化了帧数据速率。还可在跳跃模式下读取数据，该模式每次都在第二或第三个字时从设备读取包或帧。数据速率最低为500 Hz.

    ADAS1000评估板连接SDP板的照片见图2.

    评估板设计为提供1导联至12导联ECG测量。

图2. ADAS1000评估板/SDP板(EVAL-SDP-CB1Z)

    用于便携式ECG应用中的电池

    用于便携式ECG设备中的电池种类各异，在某些情况下可能会用AA或AAA电池，方便更换或充电。

    电池增加了仪器仪表的整体重量。由于病人的舒适度非常重要，因此减少整体解决方案的尺寸和重量并保持电池寿命就成了便携式ECG应用的首要考量因素。

    最新产品倾向于使用化学电池，如锂离子电池，并且电池供电时间可从几小时到几天，具体时间视产品而定。

    电池电压范围取决于系统中元器件的电源范围。ADAS1000需要3.3 V的AVDD.因此，若使用了ADP151稳压器，则电池必须供应至少3.7 V的电源，所需裕量为400 mV.锂离子或锂聚合物电池的标称电压为3.7 V;然而，放电电压大约为3.2 V.因此，需要两个堆栈确保ADP151达到3.7 V的最小电压。

    选择合适的电源解决方案ADAS1000至少需要两条供电轨——AVDD和IOVDD.如表1所示，ADCVDD和DVDD供电轨是可选的;使用ADAS1000集成的片上LDO，可分别从AVDD或IOVDD供电轨获取电源。

表1. ADAS1000所需的电源

    AVDD和IOVDD在评估板上由3.3 V电源供电。为IOVDD供电轨选择3.3 V，以保持与EVAL-SDP-CB1Z上的SPORT接口兼容。若需要与工作在较低电源电压下的微控制器接口，则IOVDD电源电压可低至1.65 V.

    或者，如果需要电源效率更高的解决方案，可通过ADAS1000上的硬件引脚(VREG_EN)禁用ADCVDD和DVDD内部供电轨，以便通过外部电源驱动ADCVDD和DVDD供电轨。由于ADCVDD供电轨在片上为ADC供电，必须尽量保持其干净，并且一定不能与含有噪声的数字电源一同使用。

    根据具体的工作模式，为单个ADAS1000供电的AVDD供电轨电源电流通常在8 mA和15 mA之间，并使能所有5路通道;可禁用不工作的通道以降低功耗。

    专用的ADP151同时作用于评估板上的AVDD和IOVDD电源。注意每个ADP151都可驱动200 mA电流，因此可为系统内的其它元器件供电。ADP151稳压器的输入来自电路板上供其它用途的5 V供电轨。

    加入适当的滤波后，单个ADP151即可同时提供AVDD和IOVDD供电轨的电源，确保AVDD供电轨不受IOVDD供电轨上的任何数字噪声影响。

    EVAL-ADAS1000SDZ评估板设计成能够以大约250 mA为EVAL-SDP-CB1Z板提供所需的5 V电源。ADP2503降压/升压DC-DC转换器可由连接板卡的4.5 V至5.5 V输入电源产生5 V供电轨。

    若该硬件连接SDP板并由电池供电，则总功耗将很快耗尽电池的电量。

    常见变化

    ADAS1000系列中的其它引脚兼容型ECG前端提供的功能较少。例如，ADAS1000-4是3通道版本，带脉搏与呼吸检测功能;ADAS1000-3提供3路ECG通道但不带脉搏或呼吸检测功能。ADAS1000-2是配套器件，具有5路ECG通道，适用于组合配置模式，支持12导联ECG测量(9个ECG电极和1个RLD)。表2列出了该系列各产品间的差异。这些产品系列确保了灵活的配置，可从较少的导联数一路扩展至15导联测量，甚至更多。

    可将DC-DC转换器用于电源以获得更高的效率，但需谨慎布局布线并避免纹波噪声。

表2. ADAS1000系列不同产品的功能概览

    主接口针对希望使用自有数字起搏算法的用户而提供，参见ADAS1000数据手册中的“第二串行接口”部分。

    电路评估与测试

    设备列表

    需要以下设备：

    EVAL-ADAS1000SDZ套件，包括EVALADAS1000SDZ评估板、5 V壁式电源、含有ADAS1000评估软件的CD

    EVAL-SDP-CB1Z系统演示板

    集成USB端口的PC，且已安装ADAS1000评估软件

    可用于信号捕捉的病人仿真器或函数发生器

    有关如何使用ADAS1000评估板的详细说明，请参考ADAS1000SDZ用户指南。图3显示使用评估板软件的典型屏幕截图，评估板连接病人仿真器。

图3.连接病人仿真器的ADAS1000屏幕截图，心率= 70 BPM

    噪声测量评估板软件用于捕获采用ADAS1000评估板时ECG导联路径的峰峰值噪声性能。结果如图4所示。器件配置条件如下：

    增益设置为1.4

    ADC采样速率为2 MSPS(高性能模式)

    数据速率为2 kHz

    在数字导联模式下配置(数字计算型导联)

    ECG通道连接1.3 V内部测试音

图4.使用ADAS1000评估板和评估软件时导联模式下ADAS1000噪声测量的屏幕截图

    x轴表示时间，显示几秒内的信号捕获;y轴的单位为μV，表示这些条件下，信号在±7μV范围内变化的噪声性能。这与期望的ADAS1000性能一致，并且与使用低噪声线性台式电源时相同硬件上的性能相当。它证明了评估板上的ADP151电源电路并未导致ADAS1000整体噪声的显着增加。

    使用本评估板和电路笔记的条件

    有关完整的免责声明，请参考ADAS1000SDZ用户指南。

    本评估板设计基于“原状”提供，无任何形式的明示或暗示性担保，ADI公司及其附属机构、员工、董事、管理层、委托人和代理人不承担使用本板卡或设计造成的任何法律责任。除此之外，双方了解并同意：若可以预料ADI公司产品发生故障或失效可能会导致人身伤害或死亡，则评估板或设计不允许用于安全至关重要的医疗应用中(如生命支持等)。不允许使用本板卡作为诊断目的，不允许将其连接到人类或动物身上。不可在除颤器或其它设备中使用本评估板，因为它们产生的高压将超过板卡上的供电轨电压。

    本评估板仅限评估和开发使用，不可用作最终产品，或作为最终产品的一部分使用。在这些应用中以任何方式使用本评估板或设计，则由使用者自行承担相关风险;由于未经授权使用而给ADI公司、其附属机构、员工、董事、管理层、委托人和代理人带来的全部责任和费用，应由使用方赔偿全部损失。使用方全权负责遵守与此类使用相关的所有法律和法规要求。