原標題：單導聯心電采集模塊（原理圖+PCB+庫文件）

1. 引言

單導聯心電圖（ECG）是心電采集的基本形式之一，通常用于個人健康監測、心臟疾病診斷等應用。由于其簡便性、低成本和一定的診斷功能，單導聯ECG被廣泛應用于便攜式健康監測設備中。

本文將介紹單導聯心電采集模塊的設計過程，包括原理圖、PCB設計、元器件選擇和功能分析，最后展示完整的電路框圖和PCB布局。

2. 設計要求與目標

• 采樣精度：模塊需要高精度的信號采集能力，能夠捕捉微弱的心電信號（通常為幾微伏到幾毫伏）。

• 功耗低：由于其可能用于便攜式設備，模塊需要有較低的功耗。

• 抗干擾能力：由于心電圖信號微弱，設計中必須考慮對電源噪聲、運動噪聲等干擾的抑制。

• 尺寸緊湊：適合便攜設備的集成，設計應考慮尺寸緊湊且易于集成。

3. 單導聯心電圖采集模塊的電路框圖

單導聯心電圖模塊的核心部分包括以下幾個子模塊：

• 信號輸入：包括電極和輸入前端放大電路，主要作用是采集人體表面微弱的心電信號。

• 放大電路：通常使用儀表放大器（Instrumentation Amplifier），用于放大信號。

• 濾波電路：心電信號受噪聲干擾較大，特別是50/60 Hz的電源噪聲，需要進行帶通濾波。

• A/D轉換：將模擬信號轉換為數字信號，方便后續處理。

• 數據處理：將處理后的數字信號傳送給主控芯片或者無線模塊進行分析或傳輸。

4. 關鍵元器件選擇

4.1 儀表放大器（Instrumentation Amplifier）

• 推薦元器件：INA333（德州儀器）

• 低功耗：適合便攜設備使用。

• 高共模抑制比（CMRR）：能夠有效抑制外部干擾。

• 低輸入偏置電流：有助于提高信號的準確性。

• 高精度：適合醫學信號采集應用。

• 作用：儀表放大器用于將心電信號放大，并抑制共模干擾。

• 選擇理由：

4.2 濾波電路

• 推薦元器件：TLV2462（運算放大器）

• 低噪聲特性：有助于提高信號的清晰度。

• 適合精密模擬處理：提高電路的穩定性和信號質量。

• 作用：用于設計帶通濾波器（例如：0.5 Hz 至 100 Hz），過濾掉低頻干擾和高頻噪聲。

• 選擇理由：

4.3 A/D轉換器

• 推薦元器件：ADS1115（德州儀器）

• 高分辨率：16位分辨率，適合采集細微的心電信號。

• 低功耗：適合便攜式應用。

• 集成I2C接口：方便與微控制器通信。

• 作用：將模擬信號轉換為數字信號，方便后續處理。

• 選擇理由：

4.4 電源管理

• 推薦元器件：TPS7A02（低壓差穩壓器）

• 低噪聲特性：對心電信號的采集至關重要。

• 高效能和低功耗：適合電池供電設備。

• 作用：提供穩定的電源，抑制電源噪聲。

• 選擇理由：

4.5 電極選擇

• 推薦元器件：銀氯化銀（AgCl）電極

• 低干擾和低噪聲：保證心電信號采集的準確性。

• 長期使用穩定性：銀氯化銀電極在長期使用中表現較好的穩定性。

• 作用：用于采集人體表面微弱的電信號。

• 選擇理由：

5. 信號處理與傳輸

• 微控制器（MCU）：選用 STM32 系列微控制器，如 STM32F103C8T6，用于處理數字信號、控制A/D轉換、通信接口等。

• 無線模塊（可選）：如果需要將采集到的數據傳輸到移動設備或云端，可以使用 Bluetooth Low Energy (BLE) 模塊如 nRF52840。

6. 原理圖設計

設計原理圖時，需要根據上述選擇的元器件進行連接：

1. 輸入部分：心電電極連接到輸入放大電路，通過INA333儀表放大器放大微弱的信號。

2. 信號處理部分：輸出信號通過運算放大器TLV2462進行帶通濾波，去除噪聲后，送入A/D轉換器ADS1115進行模擬到數字轉換。

3. 控制和數據傳輸部分：微控制器STM32F103C8T6負責處理數字信號并通過I2C與A/D轉換器進行通信。如果需要，還可以連接無線模塊進行數據傳輸。

7. PCB設計

• 布局與布線：

• 模塊的關鍵部分應該有明確的信號分層，模擬信號與數字信號分開布局，以減少相互干擾。

• 電源線要盡可能短，并加濾波電容，確保電源的穩定。

• 整個電路的輸入端要有適當的抗干擾設計，如防靜電保護、電源去耦等。

8. 庫文件與PCB布局

• 庫文件：在設計過程中使用的元器件模型可以從供應商網站下載，或者在設計軟件中自己創建。

• PCB布局：使用像KiCad或Altium Designer這樣的工具進行PCB布局設計。需要特別注意的是，模擬信號部分的布局要盡量避免噪聲耦合，電源部分要有足夠的去耦和穩壓設計。

9. 測試與調試

• 信號驗證：可以通過示波器觀察輸入和輸出信號的波形，驗證放大和濾波效果。

• 電源噪聲抑制：測試電源噪聲對心電信號的影響，確保設計符合低噪聲要求。

10. 總結

通過合理選擇元器件、優化設計，單導聯心電采集模塊能夠有效地采集人體的心電信號，提供基礎的健康監測功能。在設計過程中，需要充分考慮功耗、噪聲抑制、信號精度等因素，確保最終產品在使用中的穩定性和準確性。

參考文獻

• 德州儀器（Texas Instruments）官方網站

• 《模擬信號處理技術》

• 《嵌入式系統設計與實踐》

這樣的一篇文章可以詳細地介紹設計的每個環節，同時確保包含了所有重要的元器件選擇和電路設計的細節。如果需要更多具體的電路圖和PCB設計文件，可以使用設計工具進行繪制并導出。