技術文章: 穿戴式系統的生物阻抗電路設計挑戰

#醫療電子 #穿戴式裝置 #生命體徵監測VSM #生物阻抗 #半電池電位 #轉阻放大器TIA #IEC60601

【將醫療保健進行到底：生命體徵監測】

用於生命體徵監測 (VSM) 的穿戴式設備正在改變醫療保健行業生態，以便隨時隨地監控自己的生命徵象和活動。在眾多關鍵參數中，有些資訊可透過測量身體阻抗取得。為達到良好效果，穿戴式設備必須具備體積小巧、成本低及功耗小的特性。此外，在測量生物阻抗時，還牽涉到使用乾電極和安全要求的挑戰。

所謂的「電極」，是指在電子電路與人類皮膚這類非金屬物體之間，形成接觸的電換能器 (electrical transducer)。在這種相互作用中，會產生一種被稱為「半電池電位」(half-cell potential) 的電壓，此電壓會降低 ADC 動態範圍。半電池電位還會隨電極材質的不同而變化；當沒有電流流過電極時，可觀察到半電池電位。

此時，量測到的電壓在直流電流流過時會增加，該「過電壓」會阻礙電流的流動、使電極極化，並降低其性能，特別是在運動狀態下。值得留意的是，對於大多數的生醫測量來說，非可極化 (濕) 電極通常比可極化 (乾) 電極更受歡迎；但行動式消費電子基於低成本和可重複使用考量，通常會使用乾電極。

在設計類比前端時，由於涉及到高阻抗，電極—皮膚間阻抗是很重要的考量點。該阻抗主要由低頻下的 Rs 和 Rd 的串聯組合所支配；當處於高頻時，由於電容效應，阻抗值會降低為 Rd。當電極—皮膚間阻抗在激勵頻率下接近 10MΩ 時，此設計會存在一些限制。

法規則是另一個關注焦點。IEC 60601 是由國際電工委員會 (International Electrotechnical Commission) 針對醫療電氣設備的安全性和有效性所制訂的一系列技術標準。其規定在正常條件下，通過人體的最大容許直流漏電流為 10μA；在單一故障 (single-fault) 時的最壞情況下，最大容許值為 50μA。最大交流漏電流則是取決於激勵頻率，這些人體電流限制都是電路設計上的重要參數。

阻抗的測量，需要用到「電壓／電流源」和「電流／電壓表」，因此通常會採用 DAC 和 ADC。精密的電壓參考基準和電壓／電流控制迴路非常重要，且通常需要一個微控制器 (MCU) 來處理數據，並獲得阻抗的實部和虛部。穿戴式設備通常是由單極性電池來供電，在設計上必須考慮到低功耗、高 SNR、電極極化以及 IEC 60601 安全要求。欲知詳情的工程師看過來：www.analog.com/…/an…/volume-48/number-4/articles/bio_imp.pdf

延伸閱讀：
《穿戴式系統的生物阻抗電路設計挑戰》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0113/34491.html
(點擊內文標題即可閱讀全文)

#亞德諾ADI #ADuCM350 #AD8226

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【將醫療保健進行到底：生命體徵監測】

用於生命體徵監測 (VSM) 的穿戴式設備正在改變醫療保健行業生態，以便隨時隨地監控自己的生命徵象和活動。在眾多關鍵參數中，有些資訊可透過測量身體阻抗取得。為達到良好效果，穿戴式設備必須具備體積小巧、成本低及功耗小的特性。此外，在測量生物阻抗時，還牽涉到使用乾電極和安全要求的挑戰。

所謂的「電極」，是指在電子電路與人類皮膚這類非金屬物體之間，形成接觸的電換能器 (electrical transducer)。在這種相互作用中，會產生一種被稱為「半電池電位」(half-cell potential) 的電壓，此電壓會降低 ADC 動態範圍。半電池電位還會隨電極材質的不同而變化；當沒有電流流過電極時，可觀察到半電池電位。

此時，量測到的電壓在直流電流流過時會增加，該「過電壓」會阻礙電流的流動、使電極極化，並降低其性能，特別是在運動狀態下。值得留意的是，對於大多數的生醫測量來說，非可極化 (濕) 電極通常比可極化 (乾) 電極更受歡迎；但行動式消費電子基於低成本和可重複使用考量，通常會使用乾電極。

在設計類比前端時，由於涉及到高阻抗，電極—皮膚間阻抗是很重要的考量點。該阻抗主要由低頻下的 Rs 和 Rd 的串聯組合所支配；當處於高頻時，由於電容效應，阻抗值會降低為 Rd。當電極—皮膚間阻抗在激勵頻率下接近 10MΩ 時，此設計會存在一些限制。

法規則是另一個關注焦點。IEC 60601 是由國際電工委員會 (International Electrotechnical Commission) 針對醫療電氣設備的安全性和有效性所制訂的一系列技術標準。其規定在正常條件下，通過人體的最大容許直流漏電流為 10μA；在單一故障 (single-fault) 時的最壞情況下，最大容許值為 50μA。最大交流漏電流則是取決於激勵頻率，這些人體電流限制都是電路設計上的重要參數。

阻抗的測量，需要用到「電壓／電流源」和「電流／電壓表」，因此通常會採用 DAC 和 ADC。精密的電壓參考基準和電壓／電流控制迴路非常重要，且通常需要一個微控制器 (MCU) 來處理數據，並獲得阻抗的實部和虛部。穿戴式設備通常是由單極性電池來供電，在設計上必須考慮到低功耗、高 SNR、電極極化以及 IEC 60601 安全要求。欲知詳情的工程師看過來：www.analog.com/…/an…/volume-48/number-4/articles/bio_imp.pdf

延伸閱讀：
《穿戴式系統的生物阻抗電路設計挑戰》
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#電源設計 #汽車電子 #電磁干擾EMI #電磁相容性EMC
#量測T&M #數位示波器DSO #頻譜分析儀

【哇，原來 EMI 也會影響供電系統！】

前兩篇貼文中，我們探討不少關於電流、電壓之於電源設計的重要性。然而，據業界專家提醒，電磁干擾 (EMI)／電磁相容性 (EMC) 可能也是造成電源供應異常的元凶！EMI 來源有傳導 (Conducted) 和幅射 (Radiated) 兩種，輻射 EMI 訊號會經由天線或電線、以電磁波形式窒礙電子設備運作或通訊品質；但傳導 EMI 卻會對等效電路的過電壓、過電流保護機制造成干擾。

當交流電 (AC) 轉成直流電 (DC) 時，「線阻抗穩定網路」(LISN) 須將附著於電源的雜波濾除後再為電子產品供電。為確保網路匹配的頻率和法規，量測時除了觀察波形，還須進一步透過頻譜分析儀抓出干擾源並進行除錯；可惜傳統示波器只能看到「時域」變動，無法查覺是否有其他影響阻抗、電容的可疑份子，導致計量電路估算有出入，危及電源系統安全。

這也是為何有些製造商在產品出問題時，第一時間會先追溯問題根源是由硬體電路佈局設計或 EMI 肇禍，才能對症下藥；車載充電裝置尤其容易受到 EMI 從中攪局。兼具頻譜分析功能，即時掌握多面向資訊新一代示波器試圖運用快速傅立葉轉換 (FFT) 或頻譜分析軟體，協助釐清責任。不過，單靠 FFT 演算恐會失真且不夠直觀；因此，兼具頻譜分析功能的 RTE／RTO 數位示波器，可「即時」同步呈現波形、時間、電流、功率和 EMI 等多面向資訊，一躍成為寵兒。

通常硬體工程師對頻譜不一定熟悉，借助數位示波器可精準找出頻率峰值，一旦頻率點超過法規限制，就能轉交研發人員據以除錯。此外，由於類比／數位資料轉換過程會有耗損，據悉一般示波器的解析度實際效能都得「打折」，例如，號稱 8 位元解析度，能做到 7.2 位元的精確度已堪稱技術高超；有採購需求者可將須特別留意。另基於「認證成功率」、撙節重覆送驗成本考量，選擇「實驗室等級」的量測儀器，以及擁有技術支援能力的通路商，或是不錯的選擇。

延伸閱讀：
《R&S：供電系統異常？數位示波器釐清電路或電磁肇因》
http://compotechasia.com/a/____/2016/1114/34039.html
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#台灣羅德史瓦茲R&S #RTE1000 #RTO數位示波器 #益登科技

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