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交流耦合or直流耦合?这是一个问题~

由于与生物电势测量相关的许多干扰源的振幅可能比相关信号高得多,并且与信号频率范围重叠,因此设计信号链时应考虑这一点。  交流和直流耦合解决方案是两种可以考虑的方法,其性能权衡可能取决于设计要求和应用场景。  例如,连续监测系统(如穿戴式贴片)的功率要求可能与通过腕带式设备进行的按需测量有很大不同。

要说明一下,我们提到的交流或直流耦合信号链指的是:

交流耦合:在ADC采样之前,高通滤波器位于信号链的某个位置。

直流耦合:在ADC采样之前,模拟信号链中不存在高通滤波器,但是数字高通滤波器可在ADC之后实现。

有时,“交流耦合”与图1所示的电路相关,其中隔直电容位于信号链的最前端。  虽然这肯定是一种选择,但它也有一些弱点需要考虑。  所选的电阻会限制输入阻抗,在高阻抗传感器或干电极的情况下,这会导致输入信号衰减。每个输入端都需要一个滤波器来保持电路的差动平衡,因此这些元件的容差会影响滤波器的匹配程度,并会降低共模到差分转换导致的共模抑制与频率的关联性能。图1中的曲线图显示,在最坏的情况下,所有无源元件的容差失配率为5%,50/60Hz时的共模抑制比已低于60dB,这还没有考虑任何额外的电极失配或仪表放大器(In-Amp)性能。

图1–前端高通滤波器示例,以及滤波器输出最坏情况下元件容差的相应CMRR与频率图

 

现在,让我们来看两个信号链示例。  在这两种情况下,前端都包括一个仪表放大器,以充分利用高输入阻抗、高CMRR和差分到单端转换等功能特性。

交流耦合信号链

图2给出了一个交流耦合信号链的例子,可在存在较大直流偏移的情况下测量小生物电信号。这个直流偏移量和电源电压限制了仪表放大器的增益。  然后可以应用单端高通滤波器来抑制向上偏移,从而为相关信号提供额外的增益级。  还可以进一步针对具体应用提供低通滤波,以去除更高频率的干扰,例如EMG或50/60Hz。  从噪声的角度来看,前端的增益越大,信号链后续级的噪声要求就越低。  第二增益级折合到输入端(RTI)噪声除以仪表放大器的增益,ADC的RTI噪声除以两个增益级。  这样就可以使用较低分辨率和较低功耗的ADC。最终由ADC采样的信号主要是放大后的生物电信号,因为不需要的干扰源已滤除。有关详细的设计示例,请参阅KWIK电路放大具有大直流偏移量的交流信号,以实现低功耗设计

图2 -交流耦合信号链的频域信息示例

 

直流耦合信号链

图3所示为直流耦合信号链示例。  直流偏移限制了可应用的总系统增益,这意味着需要更高分辨率的ADC来实现所需的噪声性能。  图中未显示ADC之前的抗混叠低通滤波器,其截止频率比前面交流耦合示例中的要高。  在这种情况下,目标生物电信号在ADC采样总信号中的占比要小得多,进一步的后处理和滤波可以在数字域中完成。

图3 -直流耦合信号链和频域信息示例

图4中的表格总结了在设计交流或直流耦合信号链时需要考虑的权衡取舍因素。  此外需要注意的是,这里讨论的信号链适用于目标信号频率高于干扰源的任何应用。  例如,电磁流量计和具有类似性能要求的生物电势测量。

 

图4 - 交流和直流耦合信号链汇总表