誰(shuí)不知道歐姆定律？
對于直流電壓來(lái)說(shuō)，它表述為通過(guò)導體兩點(diǎn)之間的電流與這兩點(diǎn)之間的電壓成正比。換言之，導體的電阻是恒定的，與電流無(wú)關(guān)。對于交流電壓來(lái)說(shuō)，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(shí)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。
在醫療行業(yè)中有許多應用阻抗測量的用例。該技術(shù)可用于廣泛的應用，例如獲取某些特定人體參數、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(jìn)行阻抗測量，但每個(gè)應用又都有各自的一系列關(guān)鍵要求。
ADI 開(kāi)發(fā)了一個(gè)稱(chēng)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(shí)現按需測量或連續測量。在本文中，您將了解該芯片的特性及其主要應用。
用芯片做阻抗測量的技術(shù)相對較新。大約 15 年前，ADI 公司推出了AD5933/AD5934，這是首個(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)系列目前仍在大量銷(xiāo)售，但對于目前更新的應用來(lái)說(shuō)，它們并不總是最佳解決方案。隨著(zhù)可穿戴設備和電池供電系統成為發(fā)展趨勢，主要挑戰是在盡可能小的外形尺寸內滿(mǎn)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(chǎng)，并滿(mǎn)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(zhuān)為醫療和工業(yè)類(lèi)應用量身定制。該模擬前端完全可配置，可以進(jìn)行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 (GSR)、身體阻抗分析、水分測量和生化測量。本文重點(diǎn)介紹與醫療相關(guān)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(zhì)測量。
圖1. AD594x的高級功能框圖
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(xiàn)測量法來(lái)測量。一個(gè)目標應用是通過(guò)皮膚電活動(dòng)或皮膚電反應監測壓力或心理健康。精神狀態(tài)或壓力監測非常重要，因為隨著(zhù)時(shí)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(shí)，人體的交感神經(jīng)系統激活皮膚中的汗腺。這種效應會(huì )增加皮膚導電性， 從而使阻抗下降。
皮膚阻抗監測采用伏安法測量。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(guò)未知 阻抗的電流。對 ADC 結果執行 DFT 計算以得到阻抗的變化變化 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(jìn)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 200 Hz，因為較高的頻率可穿透進(jìn)入人體，而不會(huì ) 僅測量皮膚表面。將電極在人體上的某些位置，電導率會(huì )隨著(zhù)人的情緒或精神狀態(tài)變化而變化。
圖2. EDA或GSR的測量原理
阻抗變化與精神壓力之間的關(guān)系并沒(méi)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(jìn)行。需要開(kāi)發(fā)一種算法來(lái)將各種測量結果轉化為心理壓力水平。將 EDA/GSR 技術(shù)用于壓力監測需要連續的全天候測量，AD594x 就是為此而專(zhuān)門(mén)設計的。輸出數據速率為 4 Hz時(shí)，功耗 <80 μA。EDA/GSR 測量也可以用于睡眠分析等應用。
用于人體阻抗分析的 4 線(xiàn)測量法
在醫療應用中，經(jīng)常將阻抗測量用于生物阻抗分析(BIA)。BIA 是一種4線(xiàn)阻抗測量，可用于需要絕對精度的應用。AD594x接收帶寬高達50 kHz且信噪比(SNR)為100 dB。最常見(jiàn)的4線(xiàn)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測人體內的含水量或通過(guò)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(guò)改變交流激勵頻率和電極在人體的位置來(lái)實(shí)現不同的應用。
圖 3 顯示了 4 線(xiàn)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(guò)下式計算：Z = VM/I。
圖3. 用于人體阻抗分析的4線(xiàn)測量
在圖3的功能框圖中，可以看到阻抗通過(guò)電阻和電容與測量前端隔離。電阻限制了可流過(guò)人體的最大電流。CISO確保在電極與地或其他電極之間不會(huì )產(chǎn)生直流信號。這是滿(mǎn)足醫療安全標準（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(huì )深入人體內部。對于一個(gè)健康人來(lái)說(shuō)，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（細胞間液）。鑒于細胞結構的電模型，高 達50 kHz的交流電流可進(jìn)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(gè)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；對于人體脫水監測，通常需要連續測量。對于連續測量而言，功耗非常關(guān)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)胸阻抗監測逐搏心排血量或用于估算膀胱容量的阻抗測量。
AD594x用于生化測量
AD594x的另一個(gè)應用是生化分析。該技術(shù)將電流/恒電位儀類(lèi)型的測量應用于傳感器上，此傳感器可作為一個(gè)典型電化學(xué)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(lái)做電流測量。在醫療應用中，可以對各種人體液體樣品（如血液、尿液或唾液）進(jìn)行分析。該系統需要一個(gè)（可編程）電流源和恒電位儀放大器。電流測量最簡(jiǎn)單的方式是通過(guò)在傳感器上施加一個(gè)階躍響應電壓來(lái)引起化學(xué)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(xiàn)技術(shù)，AD594x還能支持3線(xiàn)和4線(xiàn)電流測量技術(shù)。
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血糖監測 (CGM)。測量?jì)x持續測量血糖濃度并將數據發(fā)送到胰島素泵。然后泵將所需劑量的胰島素注射到體內。這種人工胰腺技術(shù)改善了糖尿病患者的生活。不再需要專(zhuān)人整日觀(guān)察血糖水平，該系統可以完全獨立運行，無(wú)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，并且可以執行所有必需的安全檢查。圖4中的系統具有三個(gè)主要功能：生化AFE、微控制器和專(zhuān)用電源管理芯片。
圖4. 3線(xiàn)生化分析儀的功能框圖
除糖尿病外，該技術(shù)還可用來(lái)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(shù)主要用于氣體檢測和流體分析。
AD594x的特性和主要規格
AD594x是一款高精度模擬前端(AFE)，專(zhuān)為基于電化學(xué)的測量技術(shù)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。與此同時(shí)，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(shí)驗室環(huán)境中。
AD594x圍繞三個(gè)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(shí)序控制器。根據不同應用，激勵回路及其接收通道可以進(jìn)行不同配置。對于要求傳感器激勵信號頻率從直流變化到200 Hz的應用，可以使用低功耗DAC和低噪聲恒電位儀放大器。對于需要更高激勵頻率（高達200 kHz）的應用，可使用集成的高速DAC。DAC可以生成正弦曲線(xiàn)和梯形激勵波形。所有模 式（低功耗或高速）均已集成了專(zhuān)用跨阻放大器。每種模式均具有一個(gè)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(shí)，還可以測量輔助通道，例如外部電壓和電流或內部診斷信號（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(guò)緩沖器、可編程增益放大器和抗混疊濾波器連接到一個(gè)16位、800 kSPS逐次逼近寄存器(SAR) ADC。
結論
可穿戴電子產(chǎn)品、基于云的即時(shí)監測以及RE、物聯(lián)網(wǎng)是我們幾乎每天都會(huì )見(jiàn)到的術(shù)語(yǔ)。檢測是這些系統非常重要的功能之一，阻抗測量則是更為重要的檢測類(lèi)型之一。AD594x的開(kāi)發(fā)旨在滿(mǎn)足當前的需求目標。它是一款高性能且靈活的模擬前端，專(zhuān)為阻抗分析、生物化學(xué)和電化學(xué)應用而設計。高精度、超低功耗和小尺寸的組合開(kāi)辟了各種新市場(chǎng)和應用，而這些應用和市場(chǎng)在過(guò)去則難以實(shí)現。特別是對于便攜式和電池供電的系統而言，該微型器件系列帶來(lái)了巨大的優(yōu)勢。AD594x 系列可與單導聯(lián) ECG 前端 AD8233 無(wú)縫配合使用。兩個(gè)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(lái)進(jìn)行阻抗和 ECG 測量。至于處理器，建議將超低功耗ADuCM3029 Cortex®-M3 與 ADP5350 電源管理和鋰離子充電器器件配合使用。
