为什么要将输入放大器放在心电图信号滤波之前?

电器工程 信号处理 生物电势 心电图
2022-01-13 02:28:49

在 eetimes.com 上的这篇文章中,他们展示了用于测量 ECG 的信号链。

在此处输入图像描述

ECG 的原始信号包含噪声并且偏移量至少比真实信号大。(一些几 mV 的心电图,几十 mV 的电源线噪声和电极偏移,以及由于乳房运动导致的高达几百 mV 的基线漂移。)

这将直观地让我在放大器前面对信号进行滤波,以避免放大不需要的信号分量。然而,在本文中,他们在输入放大器之后进行信号滤波,甚至在第二个放大器之后进行高频噪声去除。

我真的想不出他们会这样做的原因。唯一想到的是信号源的阻抗非常高,但滤波不会影响信号源,因为该频率范围显然在通带内。

我是否遗漏了您按此顺序进行信号调节的一些重要原因?

4个回答

我是否遗漏了您按此顺序进行信号调节的一些重要原因?

是的,你是...

将选择前端差分放大器,使其具有数十 dB 的共模抑制水平,很可能在 80 dB 范围内。

该差分放大器将差分信号转换为单端信号,任何共模干扰都将在很大程度上被忽略。

如果您要在差分放大器的两条腿上放置滤波器,为避免平衡失配,您必须选择匹配至少等效水平为 -80 dB 的组件(例如电容器和电阻器)。

您可以将 1% 的电容器视为可能具有 2% 的值差异,并且以 dB 为单位可以视为 -20 log(50) = -34 dB。换句话说,在差分放大器之前的每条腿上都有滤波器,您永远不会获得良好的差分共模性能。

安迪和尼克提供了很好的答案。让我试着把它们加强一点。

首先,数学表明先放大后滤波等同于先滤波后放大。当然,这适用于理想情况,所以让我们讨论非理想情况。

IMO 这里最大的是饱和度。如果噪音太大以至于使您的放大器饱和,那么所有的赌注都没有了。你失去了信号。这会打扰我们吗?并不真地。我们通常将 InAmp 级的增益保持在足够低的水平,以处理 100mV 左右的 DC 电极偏移,因此增益适中,我们不太可能饱和。

如前所述,涉及非理想的下一个问题是共模噪声和 CMRR。我们希望通带中的 CMRR 非常出色。如果我们损害了通带中的 CMRR,我们会降低 SNR。我并不完全赞同 Nick 在 kHz 范围内的预滤波,但我通常遵循制造商的 RF 滤波指南,甚至可能比他们的建议频率低十年。当我构建这些过滤器时,我经常使用X2Y 上限来尝试保持上限匹配。

最后,让我们考虑一下一直到体内信号的信号路径。电极/皮肤界面的阻抗总是变化,每个设计都需要考虑到这一点。由于当今 InAmps 的巨大输入阻抗,这并不像以前那么重要。事实上,为了满足 NFPA99 医院安全标准(当我知道我必须带一个设备通过临床工程进行检查时)我经常在每个电极引线上放置一个大喇叭电阻器,以保证符合性(<10 微安),因为轨道电压出现故障在放大器输入端。我很好地匹配了这些电阻器,但它可能并没有我想的那么大,特别是考虑到电极的不匹配,所以在某种程度上,我们在自欺欺人地相信只是因为我们不这样做'不要在放大器之前放置一个滤波器,以确保所有电极引线的信号路径都匹配良好——它们. 然而,这里的变化可能会使我们选择放在这里的滤波器的截止频率变得有点不确定。

将 Driven-Leg 加入混音中,您可能会好 20dB 左右。InAmps 与John Webster时代不同。我们有他梦寐以求的具有阻抗的廉价装置。

我处理这些问题的方法是尽可能快地将我的差分信号转换为单端信号,尽可能小心翼翼地处理,直到仪表放大器具有适度的增益,然后,我做任何事情我想要。通过良好的零件选择,您可以真正获得毫伏级信号的微伏级噪声。

最后一点,尼克关于 ESD 保护的观点是一个很好的观点。对于我的东西,我并不特别在意,但你有没有想过临床心电图设备在患者除颤时不会突然弹出?输入端有数千伏的电压,一个设计精良的单元只是笑着去做它的生意。

我将支持@Andy 的回答,我想补充一件事。

电极和 InAmp 之间需要一个无源低通滤波器。我将截止频率放在 kHz 区域的某个位置。

电极和仪表放大器之间带有低通滤波器的框图

InAmps 在低频下具有出色的 CMRR,但在较高频率下 CMRR 会降低(根据芯片,高于 3kHz-10kHz)。高频整流是 InAmps 的另一个问题。高频信号可能会被 InAmp 的输入级整流,然后显示为直流偏移。
(本应用笔记中的更多内容:Analog Devices MT-070。仪表放大器输入 RFI 保护。)

由于 EKG 信号较低,因此即使无源元件有些不匹配,也可以滤除高频。

您在第一个放大器之前所做的唯一过滤是与天线/波导形状有关的过滤。这仅适用于微波和更高频率。

传统的无源滤波器会增加噪声——您希望信号与增加的噪声相比尽可能大。即使这意味着您也在放大干扰信号,但您并没有改变信号与带内干扰信号的比率,因此您可以在放大后像以前一样有效地过滤干扰。但是您无法在过滤后进行有效放大,因为您已经混入了过滤器的噪声中。

然后你会经常在滤波后再次放大,因为现在可以将整个动态范围应用于感兴趣的频率。但这是对前置放大的补充,而不是代替。