CN0308
概览
设计资源
评估硬件
产品型号带"Z"表示符合RoHS标准。评估此电路需要下列选中的电路板
- EVAL-ADAS1000SDZ ($234.22) Powering an ECG Front End in Battery Powered Patient Monitoring Applications
- EVAL-SDP-CB1Z ($116.52) Eval Control Board
器件驱动器
软件（如C代码和/或FPGA代码等）用于与元件的数字接口通信。
ADAS1000: Low Power, 5-Electrode Electrocardiogram (ECG) Analog Front End (AFE) Linux Driver
优势和特点
- 完整集成ECG前端
- 低功耗
- 低噪声
参考资料
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MT-101：去耦技术2013/11/5PDF954 kB
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MT-031: Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND"2009/3/20PDF144 kB
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MT-021：ADC架构II：逐次逼近型ADC2009/3/20PDF3799 kB
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CN-0308：电池供电病人监护应用中ECG前端的供电2012/11/6PDF358 kB
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起搏检测 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。
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。
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应用的主要考量因素。
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。
| 供电轨 |
电压范围 |
功能 |
| AVDD | 3.3V ± 5% | 模拟供电轨 |
| IOVDD | 1.65V 至 3.6V |
数字接口供电轨 |
| ADCVDD (可选) | 1.8V ± 5% |
ADC供电轨；可通过内部LDO 从AVDD获取 |
| DVDD (可选) |
1.8V ± 5% |
数字供电轨；可通过内部LDO 从IOVDD获取 |
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，带起搏与呼吸检 测功能；ADAS1000-3 提供3路ECG通道但不带起搏或呼吸 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。
| 产品型号 |
ECG | 操作 | 右腿驱动 |
呼吸 | 起搏检测 |
屏蔽 驱动器 |
主接口1 |
封装选项 |
| ADAS1000 | 5路ECG通道 |
主/从 | 是 | 是 | 是 | 是 | 是 | LFCFP, LQFP |
| ADAS1000-1 | 5路ECG通道 | 主/从 | 是 |
是 | 是 | LFCFP | ||
| ADAS1000-2 | 5路ECG通道 | 从 | LFCFP, LQFP | |||||
| ADAS1000-3 | 3路ECG通道 | 主/从 | 是 | 是 | 是 | LFCFP, LQFP | ||
| ADAS1000-4 | 3路ECG通道 | 主/从 | 是 | 是 | 是 | 是 | 是 | LFCFP, LQFP |
| 1 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。
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
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±7 μV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整体噪声的显著增加。
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。
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