阻抗測量中的萬能法寶

Jan-Hein Broeders

摘要：對于交流電，電阻變?yōu)樽杩?。在醫(yī)療行業(yè)中有許多應用阻抗測量的用例。ADI公司了開發(fā)了AD594x系列的新型阻抗測量芯片，精確且有多種功率模式，可實現(xiàn)按需測量或連續(xù)測量。

關鍵詞：阻抗;測量;分析儀

誰不知道歐姆定律？對于直流電壓來說，它表述為通過導體兩點之間的電流與這兩點之間的電壓成正比。換言之，導體的電阻是恒定的，與電流無關。對于交流電壓來說，情況則完全改變了，而且變得更加復雜。電阻變?yōu)樽杩?，其定義為電壓與電流在頻域中的比率。幅度（或實部）代表電壓和電流之間的比率，而相位（或虛部）則是電壓與電流之間的相移值。

在醫(yī)療行業(yè)中有許多應用阻抗測量的用例。該技術可用于廣泛的應用，例如獲取某些特定人體參數(shù)、檢測疾病或分析血液或唾液等人體液體。雖然這些應用的共同之處是進行阻抗測量，但每個應用又都有各自的一系列關鍵要求。

ADI公司了開發(fā)了一個稱為AD594x系列的新型阻抗測量芯片。該芯片非常精確，并具有多種功率模式，可實現(xiàn)按需測量或連續(xù)測量。在本文中，您將了解該芯片的特性及其主要應用。

1 簡介和重點

用芯片做阻抗測量的技術相對較新。大約15年前，ADI公司推出了AD5933/AD5934，這是首個阻抗分析芯片系列。第二代產(chǎn)品ADuCM350于2015年推出。這兩個系列目前仍在大量銷售，但對于目前更新的應用來說，它們并不總是最佳解決方案。隨著可穿戴設備和電池供電系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢，主要挑戰(zhàn)是在盡可能小的外形尺寸內(nèi)滿足所需的性能水平，并且功耗極低。AD594x旨在支持當今的可穿戴市場，并滿足所有關鍵要求，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)類應用量身定制。該模擬前端完全可配置，可以進行修改以支持各種不同的用例，包括皮膚電活動（EDA）或皮膚電反應（GSR）、身體阻抗分析、水分測量和生化測量。本文重點介紹與醫(yī)療相關的應用，但AD594x也可用于工業(yè)應用，如有毒氣體分析、PH值測量、電導率或水質測量。

2 EDA/GSR的相對測量

相對阻抗（或阻抗的變化值）可以直接采用2線測量法來測量。一個目標應用是通過皮膚電活動或皮膚電反應監(jiān)測壓力或心理健康。精神狀態(tài)或壓力監(jiān)測非常重要，因為隨著時間的推移，壓力可能導致慢性疾病，如糖尿病、心臟病或癌癥。在精神狀態(tài)改變期間或當人們變得緊張時，人體的交感神經(jīng)系統(tǒng)激活皮膚中的汗腺。這種效應會增加皮膚導電性，從而使阻抗下降。

皮膚阻抗監(jiān)測采用伏安法測量。在未知阻抗（本例中為皮膚）上施加激勵信號，并測量阻抗兩端的電壓。然后測量通過未知阻抗的電流。對ADC結果執(zhí)行DFT計算以得到阻抗的變化值。

圖2顯示了EDA或GSR的整體測量原理。該測量的激勵信號頻率接近直流。建議使用低頻激勵（而非直流電壓）進行測量，以防止電極極化并消除對人體組織的傷害。通常，最大激勵信號頻率可達200Hz，因為較高的頻率可穿透進入人體，而不會僅測量皮膚表面。將電極在人體上的某些位置，電導率會隨著人的情緒或精神狀態(tài)變化而變化。

阻抗變化與精神壓力之間的關系并沒有直接公式，因此該測量通常與心率和/或心率變異性等其他測量并行進行。需要開發(fā)一種算法來將各種測量結果轉化為心理壓力水平。將EDA/GSR技術用于壓力監(jiān)測需要連續(xù)的全天候測量，AD594x就是為此而專門設計的。輸出數(shù)據(jù)速率為4Hz時，功耗<80μA。EDA/GSR測量也可以用于睡眠分析等應用。

3 用于人體阻抗分析的4線測量法

在醫(yī)療應用中，經(jīng)常將阻抗測量用于生物阻抗分析（BIA）。BIA是一種4線阻抗測量，可用于需要絕對精度的應用。AD594x接收帶寬高達50kHz且信噪比（SNR）為100dB。最常見的4線BIA應用之一是人體成分測量，以測量去脂體重。此外，這種設置也可用于監(jiān)測人體內(nèi)的含水量或通過生物阻抗譜測量心臟行為。其測量原理都是一樣的，但是我們可以通過改變交流激勵頻率和電極在人體的位置來實現(xiàn)不同的應用。圖3顯示了4線測量法的原理。此設置中的未知量Z代表人體。對人體施加交流激勵電壓，在此之上疊加一合適的共模電壓并用電壓表測量，利用高速跨阻放大器測量響應電流。最終阻抗可通過下式計算：Z=VM/1。

在圖3的功能框圖中，可以看到阻抗通過電阻和電容與測量前端隔離。電阻限制了可流過人體的最大電流。Ciso確保在電極與地或其他電極之間不會產(chǎn)生直流信號。這是滿足醫(yī)療安全標準（如IEC 60601）的要求之一。

如前所述，人體上的電極位置和激勵頻率將代表所執(zhí)行的測量。低至幾百赫茲的低頻電流只停留在皮膚表面，而較高頻率的電流則會深入人體內(nèi)部。對于一個健康人來說，水約占其總體重的60%。人體水分的三分之一是細胞外液（ECF），而其余部分位于細胞結構內(nèi)（細胞間液）。鑒于細胞結構的電模型，高達50kHz的交流電流可進行細胞外液測量。更高頻率的電流則穿透細胞，從而可以測量細胞間液。根據(jù)電極位置、激勵頻率和用于解譯阻抗測量的算法，可以確定人體的組成成分，例如總體脂百分比或人體含水量（測量脫水）。AD594x能夠支持所有這些應用。在某些應用中，采用單頻激勵，而在其他應用中則采用多個頻率或頻率掃描。另外，測量的頻次可以不同。對于人體組成成分，通常每天測量一次或每周測量一次;對于人體脫水監(jiān)測，通常需要連續(xù)測量。對于連續(xù)測量而言，功耗非常關鍵，因此AD594x的靈活性在這里具有巨大的優(yōu)勢。

AD594x的其他應用包括基于胸阻抗測量呼吸速率、利用經(jīng)胸阻抗監(jiān)測逐搏心排血量或用于估算膀胱容量的阻抗測量。

4 AD594x用于生化測量

AD594x的另一個應用是生化分析。該技術將電流/恒電位儀類型的測量應用于傳感器上，此傳感器可作為一個典型電化學電池的模型。傳感器通常是帶有試劑的測試條，在傳感器上放置待測材料的樣本。任何可被氧化或被還原的分析物都可能拿來做電流測量。在醫(yī)療應用中，可以對各種人體液體樣品（如血液、尿液或唾液）進行分析。該系統(tǒng)需要一個（可編程）電流源和恒電位儀放大器。電流測量最簡單的方式是通過在傳感器上施加一個階躍響應電壓來引起化學反應。使用跨阻放大器，測量得到的電流可以代表反應的強度。除了前述的2線技術，AD594x還能支持3線和4線電流測量技術。

測量技術都是一樣的，測試條決定了可測量的樣本。血糖測量是最常用的一種，它通常用于糖尿病患者的生化測量。在3線配置中，電化學電池由發(fā)生反應的工作電極（WE）、保持恒定電位的參比電極（RE）和提供反應電流的對電極（CE）組成。圖4顯示了該配置的功能框圖。

恒電位儀在WE和RE之間提供所需的電池電位Vcell，并測量WE和CE之間的反應電流。血糖檢測有一種趨勢是從按需檢測轉向使用連續(xù)血糖監(jiān)測（CGM）。測量儀持續(xù)測量血糖濃度并將數(shù)據(jù)發(fā)送到胰島素泵。然后泵將所需劑量的胰島素注射到體內(nèi)。這種人工胰腺技術改善了糖尿病患者的生活。不再需要專人整日觀察血糖水平，該系統(tǒng)可以完全獨立運行，無需任何人為干預。AD594x非常適合此應用，因為它具有非常高的精度和超低功耗，并且可以執(zhí)行所有必需的安全檢查。圖4中的系統(tǒng)具有三個主要功能：生化AFE、微控制器和專用電源管理芯片。

除糖尿病外，該技術還可用來測試許多其他疾病以及藥物和激素。在工業(yè)應用中，該技術主要用于氣體檢測和流體分析。

5 AD594x的特性和主要規(guī)格

AD594x是一款高精度模擬前端（AFE），專為基于電化學的測量技術而設計，如電流、伏安和阻抗測量。該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，該芯片還能夠支持高性能和基于診斷的應用，這些應用主要用于臨床和實驗室環(huán)境中。

AD594x圍繞三個主要模塊而設計：輸入接收信號鏈、波形發(fā)生器和發(fā)送通道，以及用于測量復阻抗的帶有離散傅里葉變換（DFT）引擎的時序控制器。根據(jù)不同應用，激勵回路及其接收通道可以進行不同配置。對于要求傳感器激勵信號頻率從直流變化到200Hz的應用，可以使用低功耗DAC和低噪聲恒電位儀放大器。對于需要更高敫勵頻率（高達200kHz）的應用，可使用集成的高速DAC。DAC可以生成正弦曲線和梯形激勵波形。所有模式（低功耗或高速）均已集成了專用跨阻放大器。每種模式均具有一個可編程跨阻放大器，支持連接到AFE的各種傳感器。TIA的輸出可多路復用到輸入接收通道的第二級。此時，還可以測量輔助通道，例如外部電壓和電流或內(nèi)部診斷信號（如電源電壓、芯片溫度或基準電壓源）。該多路復用器可用作通道選擇器，其輸出通過緩沖器、可編程增益放大器和抗混疊濾波器連接到一個16位、800kSPS逐次逼近寄存器（SAR）ADC。

6 結論

可穿戴電子產(chǎn)品、基于云的即時監(jiān)測以及RE、物聯(lián)網(wǎng)是我們幾乎每天都會見到的術語。檢測是這些系統(tǒng)非常重要的功能之一，阻抗測量則是更為重要的檢測類型之一。AD594x的開發(fā)旨在滿足當前的需求目標。它是一款高性能且靈活的模擬前端，專為阻抗分析、生物化學和電化學應用而設計。高精度、超低功耗和小尺寸的組合開辟了各種新市場和應用，而這些應用和市場在過去則難以實現(xiàn)。特別是對于便攜式和電池供電的系統(tǒng)而言，該微型器件系列帶來了巨大的優(yōu)勢。AD594x系列可與單導聯(lián)ECG前端AD8233無縫配合使用。兩個芯片都可以在主/從配置下工作，該配置可以共用連接到人體的電極來進行阻抗和ECG測量。至于處理器，建議將超低功耗ADuCM3029Cortex?—M3與ADP5350電源管理和鋰離子充電器器件配合使用。

現(xiàn)已經(jīng)開發(fā)了針對不同用例的評估板，可用于縮短設計周期和產(chǎn)品上市時間。