作者：Jan-Hein Broeders

誰不熟悉歐姆定律？對(duì)于直流電壓，它指出通過兩點(diǎn)之間導(dǎo)體的電流與這兩點(diǎn)兩點(diǎn)上的電壓成正比。換句話說，導(dǎo)體的電阻是恒定的，與電流無關(guān)。對(duì)于交流電壓，情況完全改變并變得更加復(fù)雜。電阻成為阻抗，定義為頻域中的電壓和電流比。幅度或?qū)嵅勘硎倦妷汉碗娏髦g的比率，其中相位或虛部是電壓和電流之間相移的量度。

在醫(yī)療行業(yè)中有許多應(yīng)用阻抗測(cè)量的用例。該技術(shù)可用于廣泛的應(yīng)用，例如檢索某些人體參數(shù)、檢測(cè)疾病或分析血液或唾液等液體。盡管這些用例具有共同的阻抗測(cè)量，但它們中的每一個(gè)都有自己的一套關(guān)鍵要求。

ADI公司開發(fā)了一款名為AD594x的新型阻抗測(cè)量系列。它非常精確，并具有多種功率模式，以支持抽查或連續(xù)測(cè)量。在本文中，您將了解該芯片的功能及其主要應(yīng)用。

簡介和重點(diǎn)

用于阻抗分析的芯片相對(duì)較新。大約15年前，ADI公司推出了AD5933/AD5934，這是第一個(gè)阻抗分析芯片系列。第二代產(chǎn)品ADuCM350于2015年推出。這兩個(gè)系列都在大批量銷售，但它們并不總是支持當(dāng)今新應(yīng)用的最佳解決方案。隨著可穿戴設(shè)備和電池供電系統(tǒng)的趨勢(shì)，主要挑戰(zhàn)是以盡可能小的外形尺寸和極低的功耗滿足所需的性能水平。AD594x專為支持當(dāng)今的可穿戴市場(chǎng)而開發(fā)，可滿足所有關(guān)鍵要求，包括高精度、小尺寸和低功耗。

AD594x（圖1）是一款多功能阻抗分析儀，專為醫(yī)療和工業(yè)類應(yīng)用量身定制。模擬前端是完全可配置的，可以修改以支持各種不同的用例，包括皮膚電活動(dòng) （EDA） 或皮膚電反應(yīng) （GSR）、身體阻抗分析、水合測(cè)量和生化測(cè)量。本文重點(diǎn)介紹醫(yī)療相關(guān)應(yīng)用，但AD594x也可用于有毒氣體分析、PH測(cè)量、電導(dǎo)率或水質(zhì)測(cè)量等工業(yè)應(yīng)用。

圖1.AD594x的高級(jí)框圖

EDA/GSR 的相對(duì)測(cè)量

可以執(zhí)行2線測(cè)量原理來測(cè)量相對(duì)阻抗或阻抗變化。這方面的一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用是通過皮膚電活動(dòng)或皮膚電反應(yīng)來監(jiān)測(cè)壓力或心理健康。監(jiān)測(cè)精神狀態(tài)或壓力很重要，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，壓力情況可能會(huì)導(dǎo)致糖尿病、心臟病或癌癥等慢性疾病。在精神變化或人們感到壓力時(shí)，人體的交感神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)激活皮膚中的汗腺。這種效應(yīng)增加了皮膚的導(dǎo)電性，從而導(dǎo)致阻抗下降。

皮膚阻抗監(jiān)測(cè)是一種伏安法測(cè)量。在未知阻抗（在本例中為皮膚）上施加激勵(lì)信號(hào)，并測(cè)量阻抗兩端的電壓。交替測(cè)量通過阻抗的電流，并對(duì)ADC結(jié)果執(zhí)行DFT以計(jì)算阻抗變化。圖2顯示了EDA或GSR測(cè)量的高級(jí)測(cè)量原理。該測(cè)量以接近直流的激勵(lì)頻率進(jìn)行。建議使用低頻激勵(lì)而不是用直流電壓測(cè)量，以防止電極極化并消除對(duì)人體組織的傷害。通常，應(yīng)用最大200 Hz的激勵(lì)頻率，因?yàn)楦叩念l率會(huì)滲透到體內(nèi)，并且不會(huì)僅在皮膚表面進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)電極在人體上的位置，電導(dǎo)率的變化會(huì)隨著某人的情緒或精神狀態(tài)而變化。

圖2.EDA或GSR測(cè)量原理。

阻抗變化與精神壓力沒有直接方程，因此通常此測(cè)量與其他測(cè)量（如心率和/或心率變異性）并行進(jìn)行。需要一種算法來獲取各種測(cè)量的結(jié)果，以將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)力水平的測(cè)量值。針對(duì)應(yīng)力的EDA/GSR技術(shù)需要24/7連續(xù)測(cè)量，AD59xx就是為此而設(shè)計(jì)的。輸出數(shù)據(jù)速率為 4 Hz 時(shí)，功耗為 <80 μA。 EDA/GSR 測(cè)量也用于睡眠分析等應(yīng)用。

用于人體阻抗分析的 4 線測(cè)量

在醫(yī)療應(yīng)用中，一種流行的阻抗測(cè)量類型是生物阻抗分析（BIA）。BIA是一種4線測(cè)量原理，這種配置支持需要絕對(duì)精度的應(yīng)用。AD59xx能夠支持接收帶寬高達(dá)50 kHz、信噪比（SNR）為100 dB的應(yīng)用。最常見的 4 線 BIA 應(yīng)用之一是身體成分測(cè)量，其中測(cè)量無脂肪質(zhì)量的量。然而，這種設(shè)置也可用于監(jiān)測(cè)人體中的水量或通過生物阻抗譜測(cè)量心臟行為。測(cè)量原理都是一樣的，但是我們可以通過改變交流激勵(lì)頻率和電極在人體上的位置來改變用例。圖3顯示了4線測(cè)量原理的設(shè)置。此設(shè)置中的未知 Z 代表人體。將電壓推至被測(cè)阻抗，使其達(dá)到一定的共模電位，同時(shí)施加交流激勵(lì)電壓，并使用高速跨阻放大器測(cè)量響應(yīng)電流。阻抗最終可以計(jì)算為 Z = V常見/我。

圖3.用于人體阻抗分析的 4 線測(cè)量。

在圖3的框圖中，您可以看到阻抗通過電阻和電容與測(cè)量前端隔離。電阻器限制了可以流過身體的最大電流。C.ISO確保電極與地之間或其他電極之間不會(huì)產(chǎn)生直流信號(hào)。這是達(dá)到醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 60601）的要求之一。

如前所述，電極在人體上的位置以及激勵(lì)頻率將代表所執(zhí)行的測(cè)量。高達(dá)幾百赫茲的低頻停留在皮膚表面，而高頻則深入體內(nèi)。對(duì)于一個(gè)健康的人來說，大約60%的體重由水組成。體內(nèi)總水分的三分之一是細(xì)胞外液（ECF），其余的則存在于細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)（細(xì)胞間液）。由于細(xì)胞結(jié)構(gòu)的電模型，高達(dá)50 kHz的交流將通過細(xì)胞外液進(jìn)行測(cè)量。更高的頻率超越細(xì)胞，可以測(cè)量細(xì)胞內(nèi)液。根據(jù)電極位置、激勵(lì)頻率和用于解釋阻抗測(cè)量的算法，可以確定身體成分，例如全身脂肪的百分比或身體水分（用于測(cè)量脫水）。AD59xx能夠支持上述每種應(yīng)用。在某些用例中，使用單頻激勵(lì)，而在其他應(yīng)用中使用多個(gè)頻率或頻率掃描。此外，測(cè)量次數(shù)的頻率可能不同。如果每天或每周測(cè)量一次身體成分，通常會(huì)連續(xù)測(cè)量脫水。對(duì)于連續(xù)測(cè)量，功耗非常關(guān)鍵，這就是AD59xx的靈活性具有巨大優(yōu)勢(shì)的原因。

AD59xx的其他應(yīng)用包括基于胸阻抗測(cè)量呼吸速率、通過經(jīng)胸阻抗測(cè)量進(jìn)行心輸出量監(jiān)測(cè)，或通過阻抗測(cè)量來估計(jì)膀胱容積。

AD59xx用于生化測(cè)量

生化分析是AD59xx的另一個(gè)應(yīng)用。該技術(shù)在傳感器上使用電化學(xué)/恒電位儀類型的測(cè)量，該傳感器模擬典型的電化學(xué)電池。傳感器通常是帶有試劑的試紙，您可以在其中應(yīng)用被測(cè)材料的樣品。任何可被氧化或還原的分析物都是安培測(cè)量的候選者。對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用，可以分析各種人體液體樣本，例如血液、尿液或唾液。該系統(tǒng)需要一個(gè)（可編程）電流源和一個(gè)恒電位儀放大器。最簡單的安培測(cè)量形式是通過在傳感器上施加階躍響應(yīng)電壓來完成的，這會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)。使用跨阻放大器時(shí)，測(cè)量電流作為反應(yīng)的參考。除了前面提到的2線技術(shù)外，AD59xx還能夠支持3線和4線電化學(xué)測(cè)量技術(shù)。

由于測(cè)量技術(shù)始終相同，因此試紙確定被測(cè)樣品。血糖測(cè)量是最受歡迎的一種，它通常用于糖尿病患者的生化測(cè)量。在 3 線配置中，電化學(xué)電池由發(fā)生反應(yīng)的工作電極 （WE）、保持恒定電位的參比電極 （RE） 和提供反應(yīng)電流的對(duì)電極 （CE） 組成。圖 4 顯示了此配置的框圖。

圖4.3線生化分析儀框圖。

恒電位儀提供所需的電池電位V細(xì)胞在WE和RE之間，并測(cè)量WE和CE之間的反應(yīng)電流。一種趨勢(shì)是放棄葡萄糖抽查測(cè)量，并使用連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)（CGM）。該儀表持續(xù)測(cè)量血糖水平并將數(shù)據(jù)發(fā)送到胰島素泵。然后泵將所需劑量的胰島素分配到身體。這種人工胰腺技術(shù)改善了糖尿病患者的生活。該系統(tǒng)不是一個(gè)人在白天觀察血糖水平，而是完全獨(dú)立運(yùn)行，沒有任何人為參與。AD59xx非常適合此應(yīng)用，因?yàn)樗哂袠O高的精度和超低功耗，并可執(zhí)行所有必需的安全檢查。圖4中的系統(tǒng)具有三個(gè)主要功能：生化AFE、微控制器和專用電源管理芯片。在不久的將來，AFE將被集成到MCU中，以減少整體電路板空間。

除了糖尿病，許多其他疾病，以及藥物和激素，都可以用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。在工業(yè)應(yīng)用中，該技術(shù)主要用于氣體傳感和流體分析。

AD59xx特性和主要規(guī)格

AD59xx是一款高精度模擬前端（AFE），專為基于電化學(xué)的測(cè)量技術(shù)而設(shè)計(jì)，如安培、伏特和阻抗測(cè)量。前端具有超低功耗模式，支持便攜式和電池供電系統(tǒng)。與此同時(shí)，該芯片還能夠支持高性能和基于診斷的應(yīng)用，這些應(yīng)用主要存在于臨床和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。

AD59xx圍繞三個(gè)主要構(gòu)建模塊設(shè)計(jì)：輸入接收信號(hào)鏈、波形發(fā)生器和發(fā)射通道，以及帶有分立式傅里葉變換（DFT）引擎的時(shí)序控制器，用于測(cè)量復(fù)阻抗。根據(jù)用例的不同，可以對(duì)帶有接收器通道的激勵(lì)環(huán)路進(jìn)行不同的配置。對(duì)于需要直流至200 Hz傳感器激勵(lì)的應(yīng)用，可以使用低功耗DAC和低噪聲恒電位儀放大器。對(duì)于需要更高激勵(lì)頻率（高達(dá)200 kHz）的應(yīng)用，使用集成高速DAC。DAC可以產(chǎn)生正弦波和梯形激勵(lì)波形。對(duì)于每種模式，低功耗或高速，都集成了一個(gè)專用的跨阻放大器。每個(gè)都有一個(gè)可編程跨阻放大器，以支持各種傳感器，這些傳感器可以連接到AFE。TIA的輸出可以多路復(fù)用到輸入接收通道的第二級(jí)。此時(shí)，還可以測(cè)量輔助通道，例如外部電壓和電流或內(nèi)部診斷信號(hào)，例如電源電壓、芯片溫度或基準(zhǔn)電壓。該多路復(fù)用器的輸出用作通道選擇器，通過緩沖器、可編程增益放大器和抗混疊濾波器連接到16位、800 kSPS逐次逼近寄存器（SAR）ADC。

結(jié)論

可穿戴電子產(chǎn)品、護(hù)理點(diǎn)云連接系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)是我們幾乎每天都會(huì)遇到的術(shù)語。傳感是所有這些系統(tǒng)中非常重要的方面，阻抗測(cè)量是更值得注意的傳感類型之一。AD59xx專為滿足當(dāng)今需求而開發(fā)。它是一款高性能、靈活的模擬前端，專為阻抗分析、生化和電化學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。高精度、超低功耗和小尺寸的結(jié)合開辟了過去難以解決的廣泛新市場(chǎng)和應(yīng)用。特別是對(duì)于便攜式和電池供電系統(tǒng)，該系列微型設(shè)備帶來了巨大的優(yōu)勢(shì)。AD59xx系列可與單導(dǎo)聯(lián)ECG前端AD8233無縫配合使用。兩個(gè)芯片都可以在主/從配置下工作，其中阻抗和ECG測(cè)量可以通過使用同一組電極對(duì)人體進(jìn)行。作為處理器，建議將超低功耗ADuCM3029 Cortex-M3與ADP5350電源管理和鋰離子電池充電器器件結(jié)合使用。

審核編輯：郭婷