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 30 μV 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（9 μV 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。 
NOTES
1. IN THIS CIRCUIT, THE AGND, DGND AND REFGND ARE ALL TIED INTO ONE GROUND PLANE. THE DIGITAL GROUND
AND DIGITAL CIRCUITRY CAN BE SPLIT INTO A SEPERATE GROUND, WITH CONNECTION MADE TO AGND AT THE ADAS1000 DEVICE.
THE CONFIGURATION SHOWN HERE USES RA, LA, LL, V1 AND RLD, LEAVING 1 SPARE ADC PATH THAT CAN BE USED FOR OTHER
MEASUREMENTS. ALTERNATIVELY, THIS CAN BE GANGED WITH A SLAVE ADAS1000 DEVICE TO ACHIEVE A NINE ECG + ONE RLD OR 12-LEAD MEASUREMENT
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 2ms、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。 
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
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。 
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±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。
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。
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