我們開始討論與生物電勢測量相關(guān)的許多干擾因素。由于這些干擾源的幅度可能比目標信號高得多，并且與信號頻率范圍重疊，因此信號鏈設(shè)計應考慮到這一點。交流和直流耦合解決方案是兩種需要考慮的性能權(quán)衡方法，可能取決于設(shè)計要求和應用用例。例如，連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（如身體佩戴貼片）的功率要求可能與使用腕戴設(shè)備進行的抽查測量完全不同。

澄清一下，當我們在本系列中提到交流或直流耦合信號鏈時：

交流耦合： 高通濾波器/傳遞函數(shù)位于ADC采樣之前的信號鏈中的某個位置。

直流耦合： 在ADC采樣之前，模擬域中不存在高通濾波器/傳遞函數(shù)，但是可以在ADC之后實現(xiàn)數(shù)字高通濾波器。

有時，術(shù)語“交流耦合”與圖1所示電路有關(guān)，其中隔直電容位于信號鏈的最前端。雖然這當然是一種選擇，但它有一些弱點需要考慮。選擇的電阻將限制輸入阻抗，在高阻抗傳感器或干電極的情況下，這可能導致輸入信號衰減。每個輸入端都需要一個濾波器來保持電路的差分平衡，因此這些元件的容差會影響濾波器的匹配程度，并降低共模抑制與頻率的關(guān)系，這是由于共模到差分轉(zhuǎn)換。圖1中的曲線顯示，在最壞情況下，所有無源元件的容差失配為5%，50/60Hz時的CMRR已經(jīng)小于60dB，這是在考慮任何其他電極失配或儀表放大器（儀表放大器）性能之前。

圖 1 – 前端高通濾波器示例以及濾波器輸出端最壞情況下組件容差的相應 CMRR 與頻率的關(guān)系圖

現(xiàn)在，讓我們?yōu)g覽兩個示例信號鏈。在這兩種情況下，前端都將包括一個儀表放大器，利用高輸入阻抗、高CMRR和差分到單端轉(zhuǎn)換等特性。

交流耦合信號鏈

圖2顯示了一個交流耦合信號鏈示例，用于在存在大得多的直流偏移的情況下測量小的生物電勢信號。該直流失調(diào)和電源電壓的大小限制了儀表放大器的增益。然后，可以應用單端高通濾波器來抑制增益失調(diào)，從而為目標信號提供額外的增益級。還可以應用其他特定應用的低通濾波來消除高頻干擾源，例如EMG或50/60Hz。從噪聲角度來看，前端的增益越多，信號鏈中后續(xù)級的噪聲要求就越低。第二增益級的參考輸入（RTI）噪聲除以儀表放大器的增益，ADC的RTI噪聲除以兩個增益級。這允許使用較低分辨率和更低功耗的ADC。ADC采樣的最終信號主要是增益的生物電位信號，因為不需要的干擾源已被濾除。有關(guān)詳細設(shè)計示例，請參閱KWIK電路放大具有大直流偏移的低功率設(shè)計的交流信號。

圖 2 – 不同階段的交流耦合信號鏈和頻域信息示例

直流耦合信號鏈

圖3所示為直流耦合信號鏈的示例。直流失調(diào)限制了可應用的總系統(tǒng)增益，這意味著需要更高分辨率的ADC來實現(xiàn)所需的噪聲性能。圖中未顯示的是ADC之前的抗混疊低通濾波器，其截止頻率高于前面的交流耦合示例。在這種情況下，目標生物電勢信號占ADC采樣總信號的百分比要小得多，可以在數(shù)字域中進行進一步的后處理和濾波。

圖 3 – 不同階段的直流耦合信號鏈和頻域信息示例

圖4中的表格總結(jié)了設(shè)計交流或直流耦合信號鏈時需要考慮的權(quán)衡。另外，請注意，此信號鏈討論適用于目標信號頻率高于干擾源的任何應用。例如，電磁流量計解決方案可以類似于具有類似性能要求的生物電勢測量。

圖4 –交流和直流耦合信號鏈匯總表

審核編輯：郭婷