3. 可穿戴传感器与信号链基础

可穿戴健康设备的核心任务，是把人体上微弱、缓慢、易受干扰的生理量，转换成数字系统能够稳定处理的数值。这个过程不是“传感器直接给出心率”这么简单，而是一条从物理量到数字量的完整信号链。理解这条链路上每一环的原理与关键指标，是后续做硬件选型、算法设计和系统集成的共同基础。

一、五类常用传感原理

生物电传感测量的是人体组织自身的电位差。心电（ECG）约 0.5～4 mV，脑电（EEG）仅 10～100 μV，肌电（EMG）在数十微伏到毫伏级。电极与皮肤之间形成半电池，产生 0～±300 mV 的直流失调电压，同时电极阻抗可达数十千欧到兆欧级。因此生物电前端必须同时具备高输入阻抗、高共模抑制比（CMRR，通常要求 >80 dB）和隔直能力。

光学传感基于光电容积脉搏波（PPG）。LED 发出绿光（约 525 nm，浅层血管）或红外光（约 940 nm，深层组织），光电二极管接收反射或透射光。信号由直流分量（DC，组织、静脉、骨骼）和交流分量（AC，动脉搏动）叠加而成，AC/DC 比值通常只有 0.5%～5%。灌注指数（PI = AC/DC）低于 0.3% 时，运动伪影和低灌注会让心率提取变得困难。

生物阻抗传感向人体注入已知交流电流（典型 10 μA～1 mA，频率 10 kHz～100 kHz），测量两点间电压，得到阻抗 Z。阻抗由细胞外液电阻、细胞内液电阻和细胞膜电容共同决定，因此可用于体成分、呼吸、皮电活动和体液变化监测。关键指标是电流安全限值、频率选择以及电极接触稳定性。

运动传感以加速度计和陀螺仪为主。加速度计测量比力，量程常见 ±2 g～±16 g；陀螺仪测量角速度，量程常见 ±125 dps～±2000 dps。计步、姿态识别、睡眠分期都依赖这两类信号。选型时要关注噪声密度（μg/√Hz）、零偏稳定性和带宽。

温度传感分为接触式（NTC 热敏电阻、集成数字温度芯片）和红外非接触式。核心体温测量精度要求通常为 ±0.1～±0.2 ℃，而皮肤温度受环境和血流影响，与核心体温存在偏差，需要补偿模型。

二、模拟前端：信号链的第一道关口

模拟前端（AFE）承担放大、滤波、阻抗匹配和初步调理。以生物电 AFE 为例，典型结构是：电极 → 隔直电容 → 仪表放大器（INA）→ 高通/低通滤波 → 可编程增益放大器（PGA）→ 模数转换器（ADC）。仪表放大器负责抑制共模干扰并放大差模信号；右腿驱动（RLD）电路把共模电压反相送回人体，进一步降低共模电平。

滤波环节决定信号带宽。ECG 诊断带宽为 0.05～150 Hz，监护带宽为 0.5～40 Hz；PPG 有效成分集中在 0.5～5 Hz；加速度计用于计步时带宽约 0～25 Hz，用于冲击检测则需 0～100 Hz 以上。截止频率设置过低会丢失形态信息，过高则引入工频和运动噪声。

三、放大与模数转换的关键指标

放大倍数由信号幅度和 ADC 满量程共同决定。例如 ECG 信号约 1 mV，ADC 参考电压 2.4 V、16 位，则 1 LSB ≈ 36.6 μV。若希望信号占据 ADC 量程的 50%，总增益约为 1200 倍。增益分配上，第一级 INA 通常取 10～100 倍，避免饱和；后级 PGA 再补足剩余增益。

ADC 选型关注分辨率、采样率、输入类型和噪声。生物电常用 16～24 位 ΔΣ ADC，采样率 250～1000 Hz；PPG 常用 16～20 位，采样率 50～200 Hz；运动传感常用 12～16 位，采样率 50～200 Hz。有效位数（ENOB）比标称位数更重要，它反映实际可用精度。

噪声是限制小信号测量的关键。输入参考噪声（RTI）应远小于最小待测信号。例如 EEG 最小信号约 10 μV，若 AFE 输入噪声为 1 μVrms，则信噪比约 20 dB，勉强可用；若降到 0.3 μVrms，则信噪比提升到约 30 dB，波形质量明显改善。

四、选型与设计示例

假设设计一款腕部 PPG 心率监测设备，目标是在静息和轻度运动下稳定输出心率。信号链可这样规划：绿光 LED（525 nm）+ 光电二极管 → 跨阻放大器（TIA，反馈电阻 100 kΩ～1 MΩ）→ 高通 0.5 Hz、低通 5 Hz 滤波 → PGA 增益 10～100 倍 → 16 位 ADC，采样率 100 Hz。TIA 反馈电容用于抑制高频噪声和防止振荡，典型值几皮法到几十皮法。

判断结果是否可用，可以观察三个量：一是 PI 是否大于 0.3%；二是 ADC 采样值是否出现削顶或长期贴底；三是心率输出是否在 40～200 bpm 合理范围内且波动小于 ±5 bpm。若 PI 偏低，可提高 LED 驱动电流或改善贴合度；若波形削顶，则降低 TIA 增益或 PGA 增益。

五、信号链整体关系

下图把五类传感原理、模拟前端、ADC 和数字输出放在同一条链路上，并标出各环节的关键指标，便于对照选型。

把这条链路记牢，后续无论是做 ECG 胸带、腕部 PPG 还是多模态贴片，都能快速定位问题出在哪一级：是传感原理不匹配、AFE 增益或滤波不当，还是 ADC 分辨率与噪声预算不足。选型时始终围绕“最小待测信号、最大干扰幅度、可用带宽、功耗上限”这四个约束来权衡，而不是孤立地比较芯片参数。