心电导联和信号拾取及调理电路设计实操

本文基于圣邦微电子 ANC202501001 REV.A 应用札记，围绕 10 电极标准 12 导联心电采集系统展开完整解读。文章针对心电微弱信号特征、极化电压、噪声、动态范围、ADC/DAC 选型、浮地隔离、Wilson 网络、自举驱动、电极输入保护电路进行拆解；同时覆盖除颤脉冲耐受、工频磁场抗扰等医疗设备 EMC 安全指标。全部参数、电路模型、计算公式、器件推荐均源自原厂文档，适用于心电图机、HOLTER 动态心电设备硬件方案设计与电路核对。

1. 引言

心电导联定义了心电检测时电极在人体安放位置，以及电极与放大器之间电气连接关系。设计需要兼顾两点：一是有效采集人体心电生理信号，满足临床使用习惯；二是兼容行业成熟标准，继承已有的临床数据。

图 1 心电图机结构框图（来源：ANC202501001 REV.A）查阅原厂 PDF 获取高清框图。

目前行业主流为10 电极国际标准 12 导联体系，另外还有 HOLTER 动态心电、救护设备使用的少电极简化版本。本文的设计目标为单片式心电信号前处理单元，支持 10 电极，同时可以裁剪适配少于 10 电极的简化产品。

完整信号拾取调理链路包含电极保护、滤波、前置放大、右踝驱动、屏蔽驱动、Wilson 网络、导联切换、主放大器、直流对消 DAC、ADC，最后交由 MCU 完成运算、存储、显示输出。

心电设备需要在复杂工况可靠工作，包含车辆、工业现场电磁环境，同时兼容起搏脉冲、呼吸干扰、复苏除颤脉冲等强干扰场景，电路设计必须充分考虑信噪比、隔离、安全耐受能力。

资料获取：心电导联和信号拾取及调理电路设计

2. 心电系统工程关键参数选取

参数选取结合产品应用需求、行业标准、同类参考设备指标共同确定。心电信号本身幅度微弱，同时叠加电极极化电压、工频干扰，参数选取不能只看心电信号本身。

2.1 最小差分信号幅度与最大极化电压

以 FX‑3010 全自动心电图机作为参考基准：

最小差分心电信号：5mVpp
电极最大极化电压：±400mV
定标电压：(1±5%) mV
共模抑制比：103dB
输入回路电流：50nA
模拟带宽：0.05Hz ~ 150Hz (-3dB)
耐极化电压：≥±400mV
输入噪声：20μVpp
时间常数：3.2s ~ 3.8s

注意：5mVpp 的心电信号是叠加在 ±400mV 极化电势之上，后端 ADC 必须覆盖该整体电压区间，不能只针对 5mVpp 信号做量程配置。

2.2 噪声、动态范围、分辨率与采样时间指标

图 3 局部积分非线性及其影响的示意（来源：ANC202501001 REV.A）查阅原厂 PDF 获取示意图。

波形解析分辨率要求 不使用样条拟合算法前提下，波形解析分辨率需要优于 1/256；识别波形轮廓最低要求优于 1/50。参考设备等效输入噪声 10μVpp~20μVpp，相当于 5mVpp 信号的 1/500~1/250。工程设计：至少保留 50 个量化台阶，可识别低至典型信号 1/10 的心电波形。换算噪声密度约 \(400\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}} \sim 800\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}\)。
直流对消 DAC 与 ADC 选型 极化电压使用 DAC 输出进行对消，原厂文档推荐 DAC 型号 SGM5353‑16；ADC 推荐 SAR 型 SGM5200（12bit）。 DAC 步长不允许超过 ADC 量化范围的 1/2；心电一个波形片段内，DAC 输出需要维持稳定。受 15mVpp 工频干扰叠加，信号局部变化范围达到20mVpp，等效需要约 11 位 ADC 量化能力。
非线性指标约束 只需要考核 ±400mV 极化区间内任意 20mVpp 片段的积分非线性。推导得到工程指标最大允许 \(PP_{inl}<1/6200\)；微分非线性要求≤1/2LSB。
采样速率指标 模拟带宽 0.05Hz‑150Hz；参考设备采样率 250sps~1ksps。为测量工频及其 3 次谐波干扰，单通道采样率工程指标需要＞1280sps，采样速率支持可调，降低频谱截断误差。

2.3 环境电磁兼容与安全耐受指标

除颤脉冲耐受 设备需要耐受 5kV‑360J，间歇 10ms/1s 的除颤脉冲冲击；依据 UL544、UL2601‑1 标准，5kV 压差条件下漏电必须＜300μA。脉冲结束之后，最长10ms 恢复典型性能，总测量中断时间不大于 20ms。
工频磁场抗扰 参考 GB/T 17626.8（等同 IEC 61000‑4‑8），恶劣工业条件 100Arsm/m 工频磁场；导联环路面积≤1㎡条件，可感应出最大 24mVpp 工频干扰，工程设计按照叠加15mVpp 工频干扰作为测试条件。

干扰跳变场景，系统总建立时间指标＜0.5s。

3. 差分拾取与浮地隔离抗干扰分析

图 4 差分信号拾取和感应分析的简化示意（来源：ANC202501001 REV.A）

图 5 电源侧干扰分析简图（来源：ANC202501001 REV.A）查阅原厂 PDF 获取完整电路模型。
心电属于差分微弱信号，人体、拾取调理电路、后端 MCU 处理单元，三者存在各自独立感应参考中心，干扰会通过电场、磁场耦合进入信号链路。

关键工程阻抗指标：

输入阻抗 zi：5MΩ（允许 + 25% 偏差）
隔离阻抗 Zpi2：25MΩ 该阻抗指标同时满足 5kV 下漏电＜300μA 的安全规范。

原理要点：

人体侧耦合干扰，依靠高差分输入阻抗，降低共模干扰向差模信号转换；
电源侧带来的大共模干扰，依靠浮地隔离阻抗进行抑制；
隔离阻抗不足，195Vpp 电源干扰会转化为差模噪声，直接淹没 mV 级心电信号。

风险提示：即便差分电路设计完善，隔离失效、隔离阻抗下降，依然会引入巨大差模干扰；隔离器件老化是医疗设备长期可靠性需要关注的负面风险。

4. 标准 12 导联与 Wilson 网络电气等效分析

图 6 国际标准 12 导联以及 Wilson 中心电位（来源：ANC202501001 REV.A）查阅原厂 PDF，包含 I/II/III 标准导联、aVR/aVL/aVF 加压导联、V1‑V6 单极胸导联。

4.1 心电导联典型连接方案

图 7 典型的心电导联连接示意及其一种简化实现（来源：ANC202501001 REV.A）
右踝电极作为测量系统公共参考电位（Wilson 中心点）。电路包含两类放大器：

Ga=1：屏蔽层等电位驱动放大器，改善屏蔽效能；
Gb=0.5：自举驱动放大器，使测量浮地参考电位跟踪右踝电位。

当隔离阻抗 Zp 足够大，可以省略 Gb=0.5 自举放大器，得到简化电路；单片心电前处理器配合隔离方案实现 Zp＞25MΩ，适合使用简化版本。

4.2 自举驱动电路原理与作用

自举驱动电路，强制把一侧电阻上端电位复制到另一侧；隔离 x 点与 y 点之间直接电气通路，电流由放大器电源提供，不经过人体电极回路。带来两个收益：

减少电极回路流过的电流，降低极化电压变化；
提升设备安全隔离性能，切断危险高压直接流向人体的通路。

4.3 心电信号电极电气模型

图 9 心电偶极子与肢端电极电气模型；图 10 标准导联和加压导联的电气等效（来源：ANC202501001 REV.A）
心电源等效为体内带内阻 Rv 的电压偶极子 Vv；每个肢端电极串联接触电阻，叠加极化电压源。标准导联、加压导联信号，本质是不同肢体电极之间的电压差值；电极接触电阻会对信号带来分压衰减。

4.4 Wilson 中心网络电气模型

图 11 Wilson 网络电气简图；图 12 放大后分压的导联连接电路（来源：ANC202501001 REV.A）
Wilson 中心点理论电位：\(V_{wilson}=(V_{a}+V_{b}+V_{c})/3\) 网络电阻 Rw 取值范围 5kΩ ~ ∞。

Rw 取值偏小：肢端电极接触电阻会带来差分信号衰减，最大可带来约 2.4% 信号幅度误差；
Rw 取值偏大：抗干扰能力变差，潮湿、浮尘环境下阻值易漂移。

优化方案：将 Wilson 电阻网络放到放大器输出后端，电极输入端保持高阻抗，既减小接触电阻带来的衰减，又降低电阻受环境污染的影响。

4.5 心电导联设计电路架构

图 13 心电导联设计电路简化示意图（来源：ANC202501001 REV.A）
完整电路模块构成：电极输入缓冲放大电路、保护滤波、电极脱落检测、Wilson 网络、多组模拟开关 S11~S46，完成标准导联、加压导联、胸导联的切换选择，信号送入主放大器。前置缓冲放大器推荐器件：SGM8959‑2，低频噪声 0.2μVp‑p。

5 电极输入输出保护电路设计要点

图 14 电极输入节和公共检查信号的泄放电路；图 15 屏蔽电极与右踝电极间的限流及保护（来源：ANC202501001 REV.A）
除颤脉冲瞬时电压最高可达 5kV，输入端电阻承受瞬时功率 250W‑500W，普通小信号二极管无法承受大瞬时电流，电路需要有源泄放保护。

有源泄放保护电路 采用漏极开路比较器、单稳态触发器，检测到过压时，全部电极打开泄放通道，维持至少单稳态设定时长（文档示例 10ms）；之后交由 MCU 判断是否继续泄放。同时复用该电路实现 1mV 定标、电极脱落检测功能。
屏蔽与右踝驱动保护 屏蔽线、右踝驱动走线不允许串联大阻值电阻；屏蔽层和右踝之间需要增加过流保护，避免屏蔽层意外裸露形成大电流环路，同时保证保护动作时，不会旁路除颤泄放电流。

风险提示：保护电阻、泄放器件选型必须重点关注瞬时冲击功率，不能只看直流额定参数；除颤脉冲冲击是心电设备硬件失效的高频诱因。
图片获取说明：文中图 1、图 3‑图 15 原理图、电气模型，请下载圣邦微电子 ANC202501001 REV.A 原始 PDF 查阅高清原图。

声明：本文全部内容转录自圣邦微电子 ANC202501001 REV.A 应用札记；医疗硬件产品设计必须完整查阅器件 datasheet、医疗行业强制标准；本文仅作为工程设计参考，不可替代官方规格文档以及医疗合规认证资料。