AD5940是一款高精度、超低功耗模擬前端(AFE)系統，旨在激勵和測量傳感器的電流、電壓或阻抗響應。

AD5940搭載了兩個高精度測量環路。一個超低功耗、低于1 kHz環路和一個高速低于200 kHz環路，使AD5940能精確測量傳感器的阻抗。

本應用筆記旨在詳細介紹如何在全生物電系統中設置AD5940和AD8233，該系統可通過同一組電極進行皮膚電活動(EDA)、身體阻抗分析(BIA)和心電圖(ECG)測量。

使用的硬件包含AD5940評估套件；其中包括基于 EVAL-ADICUP3029Arm? based Arduino 型微控制器；EVAL-AD5940BIOZ評估板；和AD5940 Z測試板，如圖1所示。

評估套件堆疊照片

圖1.

評估套件

評估套件內容

AD5940評估套件包括以下內容：

EVAL-ADICUP3029

EVAL-AD5940BIOZ

AD5940 Z測試板

ECG電纜

MicroUSB轉USB電纜

EVAL-ADICUP3029

EVAL-ADICUP3029是評估套件的主要母板，該板搭配有板載 ADuCM3029 微控制器。ADuCM3029是ADI公司一款較領先的Arm Cortex M3器件，用于通過串行外設接口(SPI)與AD5940進行通信。

EVAL-AD5940BIOZ

EVAL-AD5940BIOZ 板包含用于 ECG 測量的 AD5940 和AD8233芯片。EVAL-AD5940BIOZ是一款Arduino Uno板型電路板，可插入EVAL-ADICUP3029。該電路板包含ECG、EDA和BIA測量所需的必要分立式元件，包括隔離電容和限流電阻。該電路板還搭載了連接測量電纜的接口和AD5940 Z測試板，后者用于模擬皮膚和身體阻抗。有關EVALAD5940BIOZ板的更多信息，請參閱 AD5940用戶手冊維基頁面。

AD5940 Z測試板

AD5940 Z測試板含有電阻、電容和開關網絡，專門用于測試和驗證測量結果。AD5940 Z測試板可以模擬一系列的身體和皮膚阻抗，并通過USB連接器插入EVAL-AD5940BIOZ板。有關AD5940 Z測試板的更多信息，請參閱AD5940用戶手冊維基頁面。

ECG電纜

隨評估套件提供的ECG電纜是將硬件連接到身體模擬器以進行ECG、BIA和EDA測量的一種手段。切勿將AD5940評估板連接到身體。表1詳細介紹了隨附電纜的名稱和顏色映射關系。

測量系統概述

AD5940概述

AD5940數據采集環路由一個低帶寬環路、一個高帶寬環路、一個高精度模數轉換器(ADC)和一個可編程開關矩陣組成。

低帶寬環路由低功耗、雙輸出數模轉換器(DAC)組成，后者可為低功耗跨阻放大器(TIA) (VZERO)以及恒電位器放大器(VBIAS)產生偏置電壓。

低帶寬環路用于低帶寬信號，其中激勵信號的頻率低于200Hz，例如EDA測量。

高帶寬環路包括一個高速DAC（用于在進行阻抗測量時產生高頻交流激勵信號）和一個高速TIA（用于將高達200 kHz的高帶寬電流信號轉換為ADC測量的電壓）。

高帶寬環路用于身體阻抗測量，其中激勵頻率的范圍為50kHz。

開關矩陣是一系列可編程開關，允許將外部引腳連接到高速DAC激勵放大器和高速TIA反相輸入端。

開關矩陣提供了一個接口，用于將外部校準電阻連接到測量系統，同時也用于提高電極連接的靈活性。

AD5940生物電子系統

本應用筆記旨在介紹如何在軟件可配置生物電系統中配合AD8233使用AD5940。通過軟件，該系統能夠在同一組電極上測量BIA、EDA或ECG。

2線生物阻抗

生物阻抗測量理論

AD5940可以進行2線生物阻抗測量，以滿足通用阻抗測量需求，也可以測量身體內部的組織。

2線生物阻抗是一種伏安測量值。若要測量未知阻抗(ZUNKNOWN)，要將一個交流激勵信號施加于未知阻抗上。測量激勵信號的電壓。然后，測量流過未知阻抗的電流。通過TIA將電流轉換為由ADC測量的電壓。對ADC數據執行離散傅立葉變換(DFT)以獲得電流和電壓值。使用實部和虛部，計算幅度，得到未知阻抗電壓(VZUNKNOWN)和未知阻抗電流(IZUNKNOWN)。

使用以下公式計算傳感器的未知阻抗大小：

其中：
VZUNKNOWNMAG是未知阻抗電壓的大小。
IZUNKNOWNMAG是未知阻抗電流的大小。
RTIA是高速TIA增益電阻的值，單位為Ω。

圖2. 2線生物阻抗測量圖

生物阻抗測量必須符合IEC 60601標準，該標準為可進入身體的最大允許電流設定了指導意見。電阻限制(RLIMIT)電流。CISOx是隔離電容器，可確保無直流電流進入身體。可以在"計算"部分中找到關于如何選擇正確值的指導意見。

使用AD5940的生物阻抗解決方案

本節介紹用于執行2線生物阻抗測量的AD5940模塊。如"生物阻抗測量理論"部分所述，2線生物阻抗測量需要一個交流電壓源、一個電壓測量通道和一個電流測量通道。

對于2線生物阻抗測量，被測阻抗可以連接于CE0引腳與SE0、DE0或AINx之間。出于本應用筆記的需要，ZUNKNOWN連接在CE0和AIN1之間。

激勵信號

AD5940使用其波形發生器、高速DAC和激勵放大器來產生高頻激勵信號。頻率可編程，范圍為DC至200 kHz。信號通過CE0引腳施加到傳感器，如圖3所示。信號幅度可編程，最高可達±607 mV。

圖3. 2線生物阻抗框圖

測量電壓

當電壓被施加到傳感器時，測量激勵信號的電壓。ADC的正輸入是P節點，它通過開關矩陣連接到CE0，如圖3所示。ADC的負輸入是N節點，它連接到高速TIA的負輸入。使用DFT硬件加速器，對ADC數據執行DFT，此時計算實部和虛部，并將其存儲在數據先進先出(FIFO)寄存器中。

測量ZUNKNOWN電流

為測量ZUNKNOWN電流，將相同的激勵信號施加到傳感器。高速TIA將電流轉換為電壓，由ADC通過增益電阻RTIA讀取。類似地，對ADC結果執行DFT，并且將實部和虛部存儲在數據FIFO中，由主微控制器讀取。

計算 ZUKNOWN

AD5940用序列器存儲命令。主微控制器（在本例中為EVAL-ADICUP3029）將所需命令寫入序列器。這些命令設置DAC、ADC和TIA以進行測量。序列器自動執行命令，與微控制器無關。首先執行電壓測量。數據FIFO已滿時會產生中斷。然后微控制器讀取FIFO并存儲DFT結果的實部和虛部。然后，配置ADC多路復用器為將高速TIA輸出連接到ADC以測量電流。重新運行以上序列，AD5940在數據FIFO已滿時產生中斷，提醒主控制器讀取數據。

通過下式確定 ZUNKNOWN：

其中：
VMAG為傳感器兩端電壓的大小。
r和i分別為電流和電壓DFT測量值的實部和虛部。

計算

為優化AD5940以進行2線生物阻抗測量，請計算RLIMIT值，添加隔離電容(RTIA)，并計算精密電阻(RCAL)值。

計算 RLIMIT

為達到IEC 60601標準的要求，要限制進入身體的交流電量。最大允許交流電流為：50 kHz時為500μA，60 kHz時為600μA。計算RLIMIT電阻值時，AD5940的最大輸出電壓為1.2 V pp (0.4243 V rms)。將最大允許交流電流設為最大值的80％或400μA rms。下式是這些值的結果：

這樣，選擇了一個1 kΩ RLIMIT，并將其連接到在AD5940的CE0引腳上。這里的計算忽略了CISOx，因其太小。

隔離電容

為達到IEC 60601標準，允許進入身體的最大直流電流為10μA。在此應用中，由于增加了隔離電容，可保證直流電流為零。為隔離電容選擇的值為0.47μF，因為0.47μF電容足夠大，有適用于可穿戴電子設備的小型封裝可選。將CE0上的隔離電容CISO1修改為15 nF，如此，該電容就可用于EDA和BIA測量。有關計算細節，請參閱EDA部分。

計算 RTIA

為了計算高速TIA的增益電阻RTIA，首先要計算高速TIA的最小阻抗和最大電流。在下面的等式中，RACCESS1MIN和RACCESS2MIN表示連接傳感器的引腳的電阻，假設為0Ω。求解該式可得：ZMIN =1.2kΩ。

其中：
ZMIN為最小阻抗。
ZUNKNOWNMIN 為最小未知阻抗。本式中假設為100Ω。
XCISO1MIN 和 XCISO2MIN 在50 kHz時為67.73Ω。

高速DAC的最大輸出電壓為600 mV峰值。按以下方式計算進入TIA的最大電流(IMAX)：

其中，ZMIN為最小阻抗。

當ADC可編程增益放大器(PGA)的增益為1或1.5時，TIA輸出端允許的峰值電壓為900 mV峰值。故，

AD5940未提供1.8kΩ RTIA選項。故選擇1kΩ選項。

選擇 RCAL

RCAL是一個精密電阻，與高速DAC和激勵放大器配合使用，可產生精確的電流。RCAL校準高速TIA增益電阻。理想情況下，選擇接近RTIA的RCAL值。在這種情況下，RCAL必須為1kΩ。為保證精度，電阻必須具有0.1％的容差。

計算 ZUNKNOWN

AD5940用序列器存儲命令。主微控制器將所需命令寫入命令存儲器，AD5940自動執行命令。第一次測量的是電壓測量。電壓只需測量一次，因為其結果會存儲起來。然后，序列器運行測量序列，施加激勵電壓并測量對數據執行DFT的響應電流。實部和虛部存儲在FIFO中。可以將序列器配置為使用睡眠和喚醒定時器定期運行。

主微控制器讀取數據FIFO，獲得當前測量的實部和虛部結果。基于這些值，以下等式可確定電壓測量幅度和電壓測量相位：

若要計算阻抗，請使用歐姆定律，將電壓幅度除以電流幅度。使用RTIA將電流測量值轉換為電壓。必須考慮該增益。因此，用于確定未知阻抗的等式如下：

進行2線生物阻抗測量

硬件設置

執行2線生物阻抗測量需要EVAL-ADICUP3029、EVALAD5940BIOZ和AD5940 Z測試板。按圖1所示方式把板堆疊起來。

AD5940 Z測試板上有五個開關組，即S1到S5。S2和S4模擬接觸電阻和引腳阻抗。S1模擬生物阻抗。請注意，S3和S5不適用于2線生物阻抗測量。要測試測量精度，請將S2和S4上的所有開關設為開啟位置，結果會將接觸阻抗和引腳阻抗設為零。切換S1上的開關7，將未知阻抗值設為2kΩ，如圖4所示。

圖4. 阻抗測試板

固件設置

AD5940軟件開發套件有一個專用的2線的生物阻抗測量示例。若要在評估硬件上執行BIA測量，用戶可以使用ADI公司的SensorPal圖形用戶界面(GUI)工具（見AD5940）或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速進行原型設計，請使用SensorPal工具。SensorPal提供了許多可配置的參數來定義測量，還提供了快速繪圖機制。

或者，打開軟件開發套件中的Examples文件夾，然后依次選擇AD5940_BIOZ-2WIRE > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww 。打開 ADICUP3029.eww 文件，在 IAR Embedded Workbench中打開項目工作區。

按照下述步驟運行項目：

編譯并構建項目。

啟動調試器，開始執行代碼。

打開RealTerm等終端程序，將波特率配置為230400。

選擇EVAL-ADICUP3029連接的通信端口(COM)。

測量結果通過通用異步接收發射器(UART)流式傳輸，可以保存到文件中以進行分析。

要修改默認應用程序參數，請使用AD5940Main.c文件中的AD5940BIOZStructInit(void)函數。AppBIOZCfg_Type數據結構包含應用程序的可配置參數。有關固件的更多詳細信息，請參閱軟件開發套件doc文件夾中的AD5940_Library_ and_examples.chm文件。

圖5. IAR中的BIA項目

圖6. 測量結果顯示在終端上

測量結果

終端上顯示的測量結果如圖6所示。由于2線生物阻抗測量測量的是被測阻抗、接觸阻抗、限流電阻和隔離電容，因此幅度約為4162Ω。

對于圖7，

其中：
RzMag 為幅度，或R1||R2 + C1。
RLIMIT1 是一個符合IEC 60601的限流電阻。
XCISO1 為 CISO1的電抗。
REC1 是接觸阻抗。
R1 用于模擬生物阻抗。
R2 用于模擬生物阻抗。
REC2是接觸阻抗。
XCISO2 為 CISO2的電抗。
RLIMIT2 是一個符合IEC 60601的限流電阻。

圖7. 帶限流電阻和隔離電容的電路

Impedance Profiling_2wireIEC.xls 工作簿提供了計算預期結果的公式，其中考慮了限流電阻、隔離電容和接觸阻抗。

在EVAL-AD5940BIOZ評估板上，RLIMIT1和RLIMIT2均為1 k，CISO1為15 nF，CISO2為470 nF。假設REC1為0。將這些值輸入工作簿（如圖8所示），理論值非常接近測量值。誤差小得益于組件的容差。

圖8. Impedance Profiling_2wireIEC.xls工作簿

ECG

ECG測量理論

ECG在每個心動周期期間，測量心臟的電活動如何隨著動作電位在整個心臟傳播而隨時間變化。ECG不直接測量心臟中的細胞去極化和復極化，而是測量在給定時間點引起其膜電位變化的細胞群的相對累積量。當這些心房和心室細胞發生去極化和復極化時，ECG顯示心臟的電位差。

通常是將兩個電極直接放置在皮膚上并讀取電極之間的電位差來執行ECG。這種方法是可行的，因為這些信號在全身傳播。檢測到的波形特征不僅取決于所涉及的心臟組織的量，還取決于電極相對于心臟中偶極的方向。當從不同的電極位測量時，ECG波形看起來略有不同，并且通常是使用許多不同的電極位（例如肢體導聯或心前區）或配置（如單極、雙極和改進雙極）獲得ECG。

出于ECG需要，可將身體視為大體積導體。身體充滿被導電離子流體包圍的組織。心臟懸浮在這些導電介質的內部。在心動周期期間，心臟響應沿心臟腔室移動的動作電位而收縮。

圖9. 典型的心電圖波形與房室和半月瓣活動的時間相比，心室處于收縮期或舒張期的心動周期時段

采用AD5940和AD8233的ECG解決方案

本節介紹如何使用AD5940和AD8233進行ECG測量。將四個測量電極連接到AD5940的開關矩陣。圖10突出顯示了ECG測量的信號鏈。將電極E4直接連接到AD8233的右腿驅動(RLD)輸入端。閉合AD5940開關矩陣上的內部開關，同時閉合開關P5和P6，并通過AFE2連接到AD8233 IN +輸入端，從而把E1和E2連接起來。閉合內部開關N7和內部開關N1，通過AIN0和AFE3將E3連接到AD8233。將AD8233的輸出連接到AD5940上的輔助輸入端AIN6。

圖10. AD5940和AD8233的信號鏈

AD5940使用序列器存儲測量命令。主微控制器（本例中為ADuCM3029）將所需命令寫入命令存儲器。序列器運行命令，與微控制器無關。首先運行初始化序列以配置基準電壓源、開關矩陣、ADC輸入源和ADC濾波器。測量序列定期運行，使用用戶自定義采樣頻率，從AIN6引腳上的AD8233采樣的ECG數據。

進行ECG測量

硬件設置

評估套件中包含的EVAL-AD5940BIOZ板無需修改硬件即可使用。AD8233引腳上連接了許多表貼電阻和電容，用于設置系統帶寬。在EVAL-AD5940BIOZ板上，選擇的元件用于監護帶寬（0.34 Hz至38 Hz），系統增益為296。為了計算不同截止頻率下的適當濾波器無源器件選取值，下載 AD8232產品頁面上列出的AD8232_Filter_Design_Tool.zip文件。

此運動帶寬（7 Hz至21 Hz）適用于非臨床應用，如注重ECG峰值的保健手表。對于關注ECG波形的其他方面（如P波、Q波、S波或T波）的應用，則需要監護帶寬。

AD5940評估套件配有定制型的心電圖電纜。這些電纜可以連接到ECG模擬器以測試硬件。將RLD電極連接到F?。將右手(RH)連接到F+和S+。將左手(LH)連接到S?，如圖11所示。

圖11. ECG模擬器連接到評估板

切勿將EVAL-AD5940BIOZ評估板連接到身體。

固件設置

AD5940軟件開發套件有一個專門的ECG測量的示例。若要在評估硬件上執行 ECG測量，用戶可以使用 ADI公司的SensorPal GUI工具或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速進行原型設計，請使用SensorPal工具。SensorPal提供了許多可配置的參數來定義測量，還提供了快速繪圖機制。

或者，打開軟件開發套件中的Examples文件夾，然后依次選擇AD5940_ECG > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww。打開ADICUP3029.eww文件，在IAR Embedded Workbench中打開項目工作區。

按照下述步驟編譯和運行項目：

編譯和構建項目（請參閱AD5940用戶指南維基頁面）。

啟動調試器，開始執行代碼。

打開RealTerm等終端程序，將波特率配置為230400。

選擇EVAL-ADICUP3029將連接的COM端口。

然后，通過UART流式傳輸測量結果，這些結果也可以保存為文件，以便進行分析并創建圖形。

要修改應用程序默認參數，請使用AD5940ECGStructInit(void)函數。AppECGCfg_Type數據結構包含應用程序的可配置參數。有關固件的更多詳細信息，請參閱軟件開發套件doc 文件夾中的AD5940_Library_and_examples.chm文件。

圖12. IAR Embedded Workbench中的ECG固件

圖13. ECG ADC結果

4線BIA

4線BIA測量理論

4線BIA測量法用高精度交流電壓源激勵交流電壓(VAC)已知的傳感器。同時，在傳感器上施加共模電壓。若要計算阻抗，請測量從未知阻抗流過的電流(I)和未知阻抗上的電壓。

用下式計算阻抗：

圖14. 4線生物阻抗拓撲結構

在實際應用中，醫療設備必須符合IEC 60601標準。該標準限制了可以施加到身體的直流和交流電壓的量。在圖14中，用分立隔離電容（CISO1、 CISO2、 CISO3和 CISO44）確保在整個身體中不會發生直流電壓。RLIMIT限制提供給傳感器的電流，以達到IEC 60601標準的要求。RACCESSx表示連接到未知阻抗的電極的電阻。

采用AD5940的4線BIA解決方案

如4線BIA測量理論部分所述，4線生物阻抗解決方案需要精密交流電壓源、高精度電流表和精密差分電壓表。

精密交流電壓源部分、高精度電流表部分和精密差分電壓表部分描述了在AD5940上實現這些元件的方式。

精密交流電壓源

AD5940使用高速DAC和波形發生器來產生精密交流電壓。內部差分檢測配置將CE0和AIN1連接回激勵緩沖器，從而保證了電壓源的精度。可編程開關矩陣中的開關D5將激勵環路的輸出端連接到與傳感器相連的CE0引腳。正弦波發生器產生正弦波，并通過12位高速DAC和激勵放大器輸出。

高精度電流表

AD5940采用高速、高精度TIA，將來自傳感器的電流轉換為電流，由ADC進行測量（見圖15）。TIA通道測量響應電流，并由內部1.11 V源精確偏置。使用開關矩陣將T通道和N通道連接在一起，以便在測量的電流上實現精確的檢測能力。圖15顯示了AD5940的傳感器、高速TIA和ADC之間的連接。在圖15中，HSTIA_P是從高速TIA到ADC多路復用器的復用信號。ADC以800 kSPS的速率轉換電流測量結果。對數據執行DFT。在AD5940上實施了DFT。DFT點的數量最多可配置為16,384個。AD5940計算實部和虛部，主微控制器計算傳感器的未知阻抗。

圖15. 生物阻抗信號路徑

精密差分電壓表

AD5940使用低功耗DAC和低功耗TIA，通過AIN4/LPF0引腳設置AIN2和AIN3/BUF_VREF1V8之間的共模電壓。將低功耗DAC的VBIAS輸出端連接到低功耗TIA正輸入端。低功耗DAC配置為輸出精確的1.1 V。連接低功耗TIA輸出端的內部RFILTER電阻。將共模電壓(VCM)連接到AIN4/LPF0，后者有一個接地電容，可形成低通濾波器。

計算BIA的分立式組件

系統中需要許多分立式組件以確保安全性和準確性。本節介紹用于選擇合適的隔離電容、面向高速TIA的增益電阻和限流電阻的各種計算。

限流電阻

為達到IEC 60601標準的要求，要限制進入身體的交流電量。最大允許交流電流為：50 kHz時為500μA，60 kHz時為600μA。計算RLIMIT電阻值時，AD5940的最大輸出電壓為1.2 V pp (0.4243 V rms)。將最大允許交流電流設為最大值的80％或400μA rms。下式是這些值的結果：

這樣，選擇了一個1 kΩ RLIMIT，并將其連接到在AD5940的CE0引腳上。這里的計算忽略了CISOx，因其太小。

隔離電容

為達到IEC 60601標準，允許進入身體的最大直流電流為10μA。在此應用中，由于增加了隔離電容，可保證直流電流為零。為隔離電容選擇的值為0.47μF，因為0.47μF電容足夠大，有適用于可穿戴電子設備的小型封裝可選。將CE0上的隔離電容CISO1修改為15 nF，如此，該電容就可用于EDA和BIA測量。有關計算細節，請參閱EDA部分。

高速TIA增益電阻

為了計算高速TIA的增益電阻RTIA，首先要計算高速TIA的最小阻抗和最大電流。在下面的等式中，RACCESS1MIN和RACCESS2MIN表示連接傳感器的引腳的電阻，假設為0Ω。求解該式可得： ZMIN =1.2kΩ。

其中：
ZUNKNOWNMIN 在本式中假定為200Ω。
XCISO1MIN 和 XCISO2MIN 在50 kHz時為67.73Ω。

最大電壓為600 mV峰值。進入TIA的最大電流 = 600 mV，進入ZMIN =500μA。TIA輸出端的峰值電壓= 900 mV峰值，在ADC范圍內。故，RTIA = 900 mV 峰值（500 μA峰值）= 1.8 kΩ。無1.8kΩ。AD5940上的RTIA選項。故選擇1kΩ選項。

計算 ZUNKNOWN

AD5940用序列器存儲命令。主微控制器將所需命令寫入命令存儲器，AD5940自動執行命令。序列器運行命令并使用DFT實部和虛部結果填充數據FIFO，用于電壓和電流測量（總共四個數據點）。

主微控制器讀取數據FIFO并使用實部和虛部DFT結果，計算未知阻抗。使用以下各式計算傳感器的阻抗：

若要計算阻抗，請使用歐姆定律，將電壓幅度除以電流幅度。使用RTIA將電流測量值轉換為電壓。必須考慮該增益。因此，用于確定未知阻抗的等式如下：

進行BIA測量

硬件設置

執行BIA測量需要EVAL-ADICUP3029、EVAL-AD5940BIOZ和AD5940 Z測試板。按圖1所示方式把板堆疊起來。

EVAL-AD5940BIOZ板上的跳線對BIA測量沒有任何影響，可以保持默認位置。

在AD5940 Z測試板上有五個開關組S1至S5。S2、S3、S4和S5用于模擬接觸阻抗和引腳阻抗。S1用于模擬身體阻抗。要測試測量精度，請將S2至S4上的所有開關設置為開啟位置，這會將接觸阻抗和引腳阻抗設為零。打開S1上的開關組9，將未知阻抗值設為2kΩ，如圖16所示。

圖16. AD5940 Z測試板配置

固件設置

AD5940軟件開發套件有一個專門的BIA測量示例。若要在評估硬件上執行BIA測量，用戶可以使用ADI公司的SensorPal GUI工具或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速進行原型設計，請使用SensorPal工具。SensorPal提供了許多可配置的參數來定義測量，還提供了快速繪圖機制。

或者，打開軟件開發套件中的Examples文件夾，然后依次選擇AD5940_BIA > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww。打開 ADICUP3029.eww文件，在IAR Embedded Workbench中打開項目工作區。

按照下述步驟行動項目：

編譯并構建項目。

啟動調試器，開始執行代碼。

打開RealTerm等終端程序，將波特率配置為230400。

選擇EVAL-ADICUP3029將連接的COM端口。

測量結果通過UART流式傳輸，可以保存到文件中以進行分析。

要修改應用程序默認參數，請使用AD5940BIAStructInit(void)函數。AppECGCfg_Type數據結構包含應用程序的可配置參數。有關固件的更多詳細信息，請參閱軟件開發套件doc文件夾中的AD5940_Library_and_examples.chm文件。

圖17. IAR中的BIA項目

圖18. 測量結果顯示在終端上

EDA

EDA測量理論

EDA是伏安測量值。若要測量未知阻抗，要將一個交流激勵信號施加于未知阻抗上。測量未知阻抗兩端的電壓。然后，測量流過未知阻抗的電流。通過TIA將電流轉換為由ADC測量的電壓。對ADC數據執行DFT以獲得電流值和電壓值。使用實部和虛部，計算幅度，求出 VZUNKNOWN 和 IZUNKNOWN.

使用以下公式計算傳感器的未知阻抗大小：

圖19. EDA測量圖

使用AD5940的EDA解決方案

本節介紹用于執行EDA阻抗測量的AD5940的模塊。如EDA測量理論部分所述，EDA測量需要激勵電壓、測量VZUNKNOWN和測量ZUNKNOWN電流。

激勵信號

AD5940使用其波形發生器和低功耗DAC，產生低頻正弦波(≈100 Hz)。正弦波通過連接到CE0引腳的恒電位器放大器施加到傳感器上（如圖21所示）。

測量電壓

連接CE0引腳和SE0引腳之間的未知阻抗。將SE0連接到低功耗TIA的反相輸入端。將高精度基準電壓源連接到TIA以維持共模。若要測量ZUNKNOWN兩端的電壓，測量CE0上的電壓，選擇CE0引腳上的電壓(VCE0)作為ADC的輸入。然后啟動測量序列，并對測量數據執行DFT。

測量 ZUNKNOWN 電流

要測量ZUNKNOWN電流，請使用與電壓測量時相同的設置。但是，此時電流是通過TIA測量的。選擇低通濾波器輸出(LPTIA_LPF0)作為ADC的輸入。重新運行測量序列，然后對ADC數據執行DFT。實部和虛部存儲在數據FIFO中，并由主控制器讀取。

計算 ZUKNOWN

AD5940用序列器存儲命令。主微控制器（在本例中為EVAL-ADICUP3029）將所需命令寫入序列器。這些命令設置DAC、ADC和TIA以進行測量。序列器自動執行命令，與微控制器無關。首先執行電壓測量。數據FIFO已滿時會產生中斷。然后微控制器讀取FIFO并存儲DFT結果的實部和虛部。然后，配置ADC多路復用器為將低功耗TIA、低通濾波器輸出連接到ADC以測量電流。重新運行以上序列，AD5940在數據FIFO已滿時產生中斷，提醒主控制器讀取數據。

通過下式確定 ZUNKNOWN：

其中r和i分別為電流和電壓DFT測量值的實部和虛部。

計算EDA的分立式組件

系統中需要許多分立式組件以確保安全性和準確性。本節介紹用于選擇合適的限流電阻和隔離電容的各種計算。

計算限流電阻

用一個1kΩ RLIMIT進行BIA測量。由于兩種測量共用同一電極，因此EDA的RLIMIT也為1kΩ。

隔離電容

CISO2是EDA回路上的電容，為0.47μA，與BIA測量值相匹配。選擇合適的CISO1值，確保在最壞的情況下身體中的交流電流均不會超過10μA。

有關最壞情況，請參見圖20，其中，電阻體=0Ω且電容體短路。在這些條件下，電路中流過的電流最大。使用以下等式計算EDA應用的合適隔離值。

其中：
IACRMSLIMIT 是人體內允許的最大交流電流。
IEXCRMS = 1.1 VPEAK/√2，其中，1.1 V是低功耗DAC的最大范圍。
fEXC 為 100 Hz.

要查找CISO1的最大值，請重新分配前兩個等式，如下所示：

考慮電阻和電容在最差情況下的容差，如下所示：

1% 為 RLIMIT

5% 為 CISO2

20% 為 CISO1

10% 為 fEXC

使用這些值，計算CISO1的等式如下：

其中， CISO1 < 14 nF。

圖20. EDA等效電路

圖21. EDA信號路徑

較大限度地降低永遠開啟應用的功耗

EDA應用案例利用了AD5940的一項關鍵省電特性。AD5940有這樣一項特性，其中，低功耗回路可以在32kHz時鐘下運行。從休眠狀態喚醒后，AD5940系統時鐘切換到32 kHz振蕩器（LPMODECLKSEL位0 = 0x1）。波形發生器、低功耗DAC、ADC和DFT引擎在32 kHz振蕩器上運行。在此模式下捕獲所有數據和DFT結果，較大限度地降低AD5940的功耗。在測量序列結束時，AD5940切換回16 MHz時鐘，禁用所有模塊，然后返回休眠狀態。AD5940的采樣率為4 Hz，DFT數為16，總平均功耗為 66μA。

讀回數據

當AD5940基于32 kHz振蕩器上運行時，無法通過SPI接口與器件通信。確保SPI事務在正確的時間發生。圖22顯示了采樣率為4 Hz時，EDA測量的時間線。測量完成后，主微控制器可以在200 ms窗口內回讀數據。確保不違反此限值。

圖22. EDA測量時間線

進行EDA測量

硬件設置

執行EDA測量，需要EVAL-ADICUP3029、EVAL-AD5940ARDZ、EVAL-AD5940BIOZ和AD5940 Z測試板。

EVAL-AD5940BIOZ上的默認跳線設置與EDA測量無關，可以保留原樣。

在AD5940 Z測試板上，S2和S3用于EDA測量。取下P1跳線，然后閉合S9。

圖23. 用于EDA的AD5940 Z測試板設置

固件設置

AD5940軟件開發套件有一個專用的EDA測量示例。若要在評估硬件上執行EDA測量，用戶可以使用SensorPal GUI工具或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速進行原型設計，請使用SensorPal工具。SensorPal提供了許多可配置的參數來定義測量，還提供了快速繪圖機制。

或者，打開軟件開發套件中的Examples文件夾，然后依次選擇AD5940_EDA > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww。打開 ADICUP3029.eww文件，在IAR Embedded Workbench中打開項目工作區。

按照下述步驟行動項目：

編譯并構建項目。

啟動調試器，開始執行代碼。

打開RealTerm等終端程序，將波特率配置為230400。

選擇EVAL-ADICUP3029所連接的COM端口。

測量結果通過UART流式傳輸，可以保存到文件中以進行分析。

要修改應用程序默認參數，請使用AD5940EDAStructInit (void)函數。AppEDACfg_Type數據結構包含應用程序的可配置參數。有關固件的更多詳細信息，請參閱軟件開發套件doc文件夾中的AD5940_Library_and_examples.chm文件。

圖24. IAR中的EDA可配置參數

圖25. EDA測量結果

審核編輯：郭婷