利用MAX11040K同步采样Σ-ΔAD简化心电图仪的应用设计
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。
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。
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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。
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结论
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