1 Fundamentals of Precision ADC Noise Analysis 精密模數轉換器噪聲分析基礎

https://www.ti.com.cn/cn/lit/wp/slyy192/slyy192.pdf?ts=1600659610730&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com.cn%252Fproduct%252Fcn%252FADS1292R
在電子電路中，噪聲有多種形式，包括:
1 Broadband (thermal, Johnson) noise 寬頻(熱、約翰遜)噪聲，這是由電導體內部電荷的物理運動引起的溫度相關噪聲。
2 1/f (pink, flicker) noise 1/f(粉紅、閃爍)噪聲，這是一種功率密度與頻率成反比的低頻噪聲
3 Popcorn (burst) noise爆米花(爆裂)噪聲，本質上是低頻噪聲，由裝置缺陷引起，具有隨機性，在數學上不可預測。
這些形式的噪聲可能通過多種來源進入訊號鏈，包括:
1 模數轉換器，它產生熱噪聲和量化噪聲的組合。
2 內部或外部放大器，可以增加寬頻和1/f噪聲，然後由模數轉換器取樣，從而影響輸出程式碼結果。
3 內部或外部基準電壓源，也會產生寬頻和1/f噪聲，出現在模數轉換器的輸出程式碼中。
4 非理想電源，可能會給您試圖通過幾種耦合方式測量的訊號增加噪聲。
5 內部或外部時鐘會產生抖動，進而導致取樣不均勻。這似乎是正弦輸入訊號的一個額外噪聲源，通常對高速ADC更為關鍵。
6 印刷電路板佈局不佳，可能會將來自系統其他部分或環境的噪聲耦合到敏感的類比電路中。
7 感測器，可能是高解析度系統中噪音最大的元件之一。

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ADC的固有噪聲可以將ADC總噪聲分為兩個主要來源:量化噪聲和熱噪聲quantization noise and thermal noise。這兩個噪聲源是不相關的，因此可以使用平方根法來確定模數轉換器的總噪聲：

量化噪聲是模數(或數模)轉換過程的副產品，與量化噪聲不同，熱噪聲是所有電氣元件中固有的現象，是電導體內部電荷物理運動的結果。因此，即使不施加輸入訊號，也可以測量熱噪聲。

熱噪聲通常具有高斯分佈。
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低解析度模數轉換器是總噪聲更依賴於量化的任何器件。

高解析度模數轉換器是總噪聲更依賴於熱噪聲的任何器件。
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低解析度和高解析度之間的轉換通常發生在16位元級別，任何小於16位元的都被視為低解析度，任何大於16位元的都被視為高解析度。雖然不總是正確的，但我將在本電子書的其餘部分保持這一一般慣例。

為什麼要在16位元級別進行區分？讓我們看看兩個ADC資料手冊來了解一下。在16位元ADS114S08的噪聲表中，無論資料速率如何，所有輸入的噪聲電壓都是相同的。與24位元ADS124S08的摺合到輸入端的噪聲值相比，這些噪聲值都是不同的，隨著資料速率的降低而降低/提高。
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雖然這本身不會得出任何明確的結論，但假設參考電壓為2.5，讓我們使用等式3和4來計算每個模數轉換器的最小二乘大小：

可見，不同解析度的ADC器件裡面的噪聲成分是不一樣的：

你怎麼能利用這個結果對你有利呢？對於量化噪聲占主導地位的低解析度ADC，可以使用較小的參考電壓來減小LSB大小，從而降低量化噪聲幅度。這具有降低模數轉換器總噪聲的效果，如圖7a所示。對於熱噪聲占主導地位的高解析度ADC，使用更大的基準電壓來增加ADC的輸入範圍(動態範圍)，同時確保量化噪聲水平保持在熱噪聲以下。假設其他系統沒有變化，這種增加的參考電壓可以實現更好的訊雜比，如圖7b所示。
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測量噪聲方法：
短接測熱噪聲，接正弦波測量化噪聲。

2 心電圖定義和用途

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BF%83%E7%94%B5%E5%9B%BE
心電圖是一種經胸腔的以時間為單位記錄心臟的電生理活動，並通過面板上的電極捕捉並記錄下來的診療技術。
心電圖的工作原理：在每次心跳心肌細胞去極化的時候會在面板表面引起很小的電學改變，這個小變化被心電圖記錄裝置捕捉並放大即可描繪心電圖。
通常在肢體上可以放置2個以上的電極，他們兩兩組成一對進行測量（如左臂電極（LA），右臂電極（RA），左腿電極（LL）可以這樣組合：LA+RA，LA+LL，RA+LL）。每個電極對的輸出訊號稱為一組導聯。導聯簡單的說就是從不同的角度去看心臟電流的變化。心電圖的種類可以以導聯來區分，如3導聯心電圖，5導聯心電圖與12導聯心電圖，等等。12導聯心電圖是臨床最常見的一種，可以同時記錄體表12組導聯的電位變化，並在心電圖紙上描繪出12組導聯訊號，常用於一次性的心電圖診斷。 3導聯及5導聯心電圖多用於需要通過監視器連續檢測心電活動的情況，如手術過程中或在救護車轉運病人時的監護中。根據儀器的不同，這種連續監測的結果有時可能不會被完整地記錄下來。
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3 測量原理

某個導聯下，人體是一個阻抗。下途中PGA是可程式化放大器。
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4 ADS1292R 晶片資料

晶片內部結構，PGA是可程式化放大器，一共2個PGA，每個PGA前面有個EMI 濾波器。ADS1292R也可以不用於測心電（用導聯線+電極片），而用於測呼吸（也是用導聯線+電極片，但硬體電路和晶片暫存器設定不一樣的）。ADS1292R含有2路差分輸入：IN1P IN1N是一組，IN2P IN2N是一組。IN3P IN3N不是直接連線到ADC的，在不使用呼吸調變器輸出的應用中，RESP_MODN/IN3N和RESP_MODN/IN3P訊號可以用作第三個多路複用差分輸入通道，這些輸入可以複用到任意一個模數轉換器通道。如果ADS1292R的通道1用於呼吸測量，則建議使用47 nF外部電容。代價是電容值越大，總諧波失真效能越差。
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時鐘
ADS1291、ADS1292和ADS1292R提供兩種不同的器件時鐘方法:內部和外部。內部時鐘非常適合低功耗、電池供電系統。內部振盪器經過調整，可在室溫下保持精度。在規定的溫度範圍內，精度有所不同；參見電氣特性。時鐘選擇由CLKSEL引腳和CLK_EN暫存器位控制。CLKSEL引腳選擇內部或外部時鐘。CONFIG2暫存器中的CLK_EN位使能和禁用CLK引腳中輸出的振盪器時鐘。

雖然稱為導聯脫落檢測，但這實際上是一種電極脫落檢測。基本原理是注入激勵訊號，測量響應，找出電極是否關斷。
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下圖是測呼吸時候的。
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SPI讀取時序：START引腳必須從低電平轉換到高電平。該器件DIN在SCLK下降沿鎖存資料。DOUT上的資料在SCLK上升沿移出。
DRDY是一個輸出。當轉換為低電平時，新的轉換資料準備就緒。CS訊號對資料就緒訊號沒有影響。
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ADS1292R的一個典型應用是結合呼吸阻抗測量採集心電訊號。啟用呼吸模式的ADS1292R通道1不能用於採集心電訊號。如果右臂(RA)和左臂(LA)導線旨在測量呼吸和心電圖訊號，這兩根導線可以連線到用於呼吸的通道1和用於心電圖訊號的通道2，如圖68所示。
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5 ADS1292R 呼吸阻抗測量

阻抗呼吸描記術是一種常用的監測人的呼吸速率的技術。它通過使用兩個電極(圖1a)或四個電極(圖1b)來實現。這項技術的目的是測量呼吸引起的人體胸腔電阻抗的變化。
在這兩種方法中，高頻交流電流通過驅動電極注入組織(參見參考文獻。1)。交流電流會在驅動電極之間的任意兩點產生電位差。該電位差與電壓感測或接收電極之間的組織電阻率有關。等效電阻定義為兩個接收電極之間的電壓差與流經組織的電流之比。雙端測量設定(如圖1a所示)會引入一些誤差，因為在兩個電極之間檢測到的電勢差包括由流經電極-組織介面處的極化阻抗的電流產生的非線性電壓。圖1b所示的四電極設定產生了更精確的測量，因為電流注入和電壓測量的位置在物理上是分開的，但需要兩個額外的電極。所以最常用的是圖1a所示的雙電極測量；正常的心電圖電極也可以用於呼吸。
Prutchi, D. and M. Norris. (2004). Design and development of medical electronic instrumentation: A
practical perspective of the design, construction, and test of medical devices. Hoboken, NJ: Wiley
Interscience.（參考文獻。1）
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ADS1298R-EVM演示了基於阻抗肺造影術原理的呼吸速率測量，使用ADS1298R。ADS1298R使用方波進行調變。使用的調變頻率為32千赫，片內基準用作調變訊號。解調是用前面解釋的阻塞方案完成的。有關使用EVM的更多詳細資訊，請參考ADS1298R-EVM使用者指南。圖11顯示了電路呼吸部分的簡圖。
在圖11中，患者模擬器可以連線在導線ELEC和ELEC之間，以提供基線阻抗和變化分量。電阻R96和R97限制流入人體的交流電流量。電容器C108和C109阻止任何直流電流從傳輸側流入人體。電容器C99和C100在接收器側起到相同的作用。電容器C113和C114作為輔助手段，防止單個故障(例如，載波發生器短路的電容器C109)導致過大的直流電流通過患者。呼吸訊號被傳送到具有呼吸能力的通道1。
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