Vom Biopotenzial bis zur Herzfrequenz
Wearables: Verbundlösung zur Integration von EKG-Funktionen
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Schritt 2: Entwurf eines Bandpassfilters für Bewegungsartefakte
Bewegungsartefakte lassen sich am besten im Analogbereich, also vor der Umwandlung der Elektrodensignale in den digitalen Bereich, entfernen oder reduzieren. In erster Linie geschieht dies durch die Begrenzung der Bandbreite durch Hoch- und Tiefpassfilter. Beim Beispiel-IC ist es möglich, die Grenzfrequenz des einpoligen Hochpassfilters durch den Anschluss eines externen Kondensators (CHPF) an die CAPP- und CAPN-Pins einzustellen (Bild 4).
Dabei sollte der gewählte Kondensator die Grenzfrequenz des Hochpassfilters auf 5 Hz einstellen, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Bewegungsintensität, wie bei den meisten Sport- und Fitnessanwendungen. Für klinische Anwendungen kann dieser Wert viel niedriger sein, typischerweise kann er bei bis zu 0,5 Hz oder sogar nur bei 0,05 Hz liegen. Wenn es kaum oder keine Bewegung gibt, liefert dieser Wert für die Diagnose eine bessere EKG-Signalqualität.
Ein Wert von 100 nF für den CHPF führt zu einer Grenzfrequenz des Hochpassfilters von mindestens 5 Hz, sie könnte bei stärkeren Bewegungen auch 7 Hz erreichen (dies entspräche einem 68-nF-Kondensator für CHPF). Der Tiefpassfilter wird durch die Komponenten links neben den CAPP- und CAPN-Pins festgelegt: RECGP, RECGN (1 MΩ), CCMEP und CCMEN (4,7 nF). Hiermit wird die Gleichtakt-Grenzfrequenz des Tiefpassfilters auf 34 Hz eingestellt; dieser Wert ist am besten geeignet, um bei Trockenstarts das Signalrauschen aufgrund von Hemd- oder Kleiderbewegungen einzugrenzen.
Zudem ist eine obere Begrenzung der Bandbreite wichtig, um das Rauschen durch statische Aufladung und hochfrequente Signale zu dämpfen. Am besten sollte die Impedanz der Vorwiderstände RECGP und RECGN so gewählt werden, dass der Root-Sum-Square- (RSS-) Wert des thermischen Rauschens des Widerstands und des Eingangsrauschens des EKG-Kanals nicht viel größer ist als das Eingangsrauschen selbst. Zwar wird der Differenzial-Kondensator CDME nicht verwendet, aber es wird empfohlen, einen Test durchzuführen, um die Performance des Gleichtakt-Tiefpassfilters mit der des Gegentakt-Tiefpassfilters zu vergleichen, da jedes Design eigene Rauschquellen haben könnte.
Empfehlungen zum Design der Leiterplatte und für die Auswahl der Komponenten:
- Im Signal-Pfad falls möglich Keramikkondensatoren vom Typ C0G verwenden, um Signalverzerrungen zu verringern; im EKG-Pfad betrifft das die Kondensatoren CHPF, CDME, CCMEP und CCMEN.
- In der Nähe des EKG-IC diskrete Komponenten platzieren; Leiterbahnen so kurz wie möglich halten. Hinsichtlich des Differenzial-Signals (ECGP/ECGN) sind die Leiterbahnen gleich lang und symmetrisch auszuführen, um ein großes CMRR zu erzielen.
- Nur eine Ground-Plane (Masse) für das Gerät verwenden (d.h. AGND und DGND nicht trennen).
Schritt 3: Optionen
für die Energieversorgung
Je nach verwendetem Batterietyp gibt es mehrere Möglichkeiten, um ein Wearable mit Strom zu versorgen. Am einfachsten ist die Verwendung eines Linearreglers (Bild 5), um mit einer Knopfzellenbatterie, deren Spannung typischerweise von 3,4 V bis 2,2 V variiert, eine 1,8-V-Spannungsquelle zu realisieren. Dieser Ansatz ist allerdings nicht besonders energieeffizient.
Obwohl ein Abwärtsregler anstelle eines Low-Drop-Spannungsreglers (LDO, Low Drop-Out) die Effizienz verbessern würde, ist es hier am besten, einen PMIC (Power-Management-IC) zu verwenden. Vorteil dieser Lösung: Ein PMIC kann einzelne Ausgangsleistungen für den Mikrocontroller, das analoge Front-End und die digitale Schnittstelle liefern.
- Wearables: Verbundlösung zur Integration von EKG-Funktionen
- Bewegungsartefakte im Analogbereich
- Schritt 2: Entwurf eines Bandpassfilters für Bewegungsartefakte
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