3、信号采集前端设计：传感器选型、仪表放大器、滤波电路、驱动右腿电路（ECG）
做医疗电子，尤其是 ECG（心电图）采集，前端设计是真正的硬骨头。信号弱、噪声大、人体安全要求高——这三座大山压下来，很多新手第一版打样回来，示波器上全是 50Hz 工频干扰，连 P 波都找不到。
这一章，我把 ECG 前端拆成四个核心模块来讲：传感器怎么选、仪表放大器怎么配、滤波电路怎么搭、驱动右腿电路怎么用。每个部分我都会结合自己踩过的坑来说。
3.1 传感器选型：电极不是随便贴的
ECG 电极，说白了就是把人体表面的生物电位引出来。常见的分三类：
| 类型 | 材料 | 典型应用 | 注意事项 |
|---|---|---|---|
| 湿电极 | Ag/AgCl + 导电凝胶 | 临床 12 导联 ECG | 凝胶会干，长时间监测信号会漂 |
| 干电极 | 不锈钢、导电织物 | 可穿戴设备 | 接触阻抗高，需要高输入阻抗放大器 |
| 电容式电极 | 绝缘层 + 金属板 | 非接触式监测 | 信号极弱，对运动伪迹敏感 |
我个人习惯，做临床级设备首选 Ag/AgCl 湿电极。它的半电池电位稳定，极化噪声低。但如果你做的是消费级手环，那就得用干电极，配合主动屏蔽驱动。
3.2 仪表放大器：第一级放大的命门
ECG 信号只有 0.5~4mV，而共模干扰（主要是 50Hz 工频）可能高达几伏。第一级放大器必须做到两件事：高增益、高 CMRR。
仪表放大器（INA）是标准答案。常用的型号有 AD620、INA128、ADS1298（集成方案）。
选型时重点看三个参数：
- CMRR（共模抑制比）： 至少 80dB，最好 100dB 以上。我建议选 110dB 以上的型号，留足余量。
- 输入偏置电流： 越低越好。湿电极还好，干电极如果偏置电流大，电极极化电压会饱和放大器。
- 噪声密度： 低于 10 nV/√Hz。ECG 带宽只有 0.05~100Hz，低频 1/f 噪声是关键。
- 工频 50Hz（或 60Hz）——最强干扰
- 肌电噪声——10~500Hz
- 基线漂移——0.05Hz 以下
- 运动伪迹——低频大信号
- 一阶无源高通： 放在 INA 输入端，截止频率 0.05Hz，用于滤除电极极化电压。RC 时间常数很大，电容要用低漏电的聚丙烯或钽电容。
- 二阶有源低通： 放在 INA 输出端，截止频率 100Hz，用 Sallen-Key 拓扑。运放选低噪声的，比如 OPA2277。
- 双 T 陷波器： 专门对付 50Hz。Q 值不要太高，否则会吃掉 ECG 的 ST 段信息。我一般把 Q 设在 5~10。
嗯，这里要注意。仪表放大器的增益不是越大越好。增益太高，电极极化电压（最大 ±300mV）会把输出推到电源轨。我一般把第一级增益设在 10~100 倍，后面再加二级放大。
3.3 滤波电路：把噪声滤干净
ECG 的频带很窄：0.05Hz ~ 100Hz。但干扰源很多：
滤波策略我总结为三步：
3.4 驱动右腿电路：共模抑制的杀手锏
驱动右腿电路（DRL）是 ECG 前端的秘密武器。它的原理很简单：把共模电压反相放大后，反馈到右腿电极，抵消人体上的共模干扰。
标准电路是这样的：
// 驱动右腿电路核心参数
// 参考电路：INA128 + OPA2277
// 共模电压提取：从 INA 的 REF 引脚取出
// 反相放大：增益设为 10~50 倍
// 反馈到右腿电极：通过 1MΩ 限流电阻
// 关键元件值
R_feedback = 1MΩ; // 限流电阻，保护人体
C_comp = 100pF; // 补偿电容，防止振荡
R_gain = 10kΩ; // 反相放大器增益电阻
设计 DRL 时，有几点要特别注意：
- 限流电阻必须加： 万一放大器故障，1MΩ 电阻能把电流限制在微安级，符合 IEC 60601 安全标准。
- 补偿电容不能省： 人体和电极构成 RC 网络，不加补偿容易自激振荡。我遇到过好几次，示波器上看到 100kHz 的正弦波，就是 DRL 振荡了。
- 增益要适中： 太高会振荡，太低没效果。我一般取 20~30 倍。
3.5 完整前端架构图
下面这张 SVG 图，把 ECG 前端的信号流和关键节点画清楚了。你可以把它当作设计时的检查清单。
从图里可以看到，信号从电极进来，经过仪表放大器、高通滤波、低通滤波、陷波器、二级放大，最后进 ADC。而 DRL 从共模信号中提取反馈，送回人体，形成一个闭环抑制系统。