4. 传感器选型与信号调理电路设计

生命体征监测设备的前端决定了整机信噪比的上限。心电、脉搏波、体温、血压四类参数虽然最终都变成电压数字量，但它们的物理机理、源阻抗、幅度和频带差异极大，因此传感器选型与信号调理必须按“信号源特性”分别设计，再统一到 ADC 输入范围。本节先对比四类传感器的关键特性，再给出放大、滤波、共模抑制与阻抗匹配的工程做法。

四类传感器的特性对比与选型依据

心电电极本质是 Ag/AgCl 与皮肤电解液形成的电化学换能界面，源阻抗约 5 kΩ～100 kΩ，信号幅度 0.5～4 mV，带宽 0.05～150 Hz，且叠加数十伏级的工频共模电压。选型时优先考虑电极的直流失调电压、极化阻抗和长期漂移；一次性电极适合短时监护， reusable 电极需关注接触阻抗一致性。

光电脉搏波传感器（PPG）由 LED 与光电二极管组成，通过血液对光的吸收变化提取脉搏。其输出是叠加在直流分量上的交流小信号，交流幅度常为直流的 0.5%～5%，带宽 0.5～5 Hz。选型关注 LED 波长（通常 660 nm 红光与 940 nm 红外）、光电二极管响应度和遮光结构，避免环境光串扰。

热敏电阻以 NTC 为主，25 ℃ 标称阻值常见 10 kΩ，B 值 3380 K 或 3950 K。它输出的是电阻变化而非电压，需要恒流或分压激励。其灵敏度高、成本低，但非线性明显，且自热误差与引线电阻会影响精度，适合体温这类慢变参数。

压力传感器用于血压袖带或侵入式压力监测，常见压阻式惠斯通电桥，满量程 0～300 mmHg，灵敏度约 5～20 mV/V/FS。选型关注量程、过压能力、温漂和桥路阻抗，输出同样是小信号差分电压。

放大与滤波电路设计

心电通道首选三运放仪表放大器，增益由 G = 1 + 49.4 kΩ / Rg 决定。若目标增益 1000，则 Rg ≈ 49.4 Ω。第一级增益不宜过高，否则电极失调会被同步放大导致饱和；建议第一级 10～50，第二级再补足。带通由 0.05 Hz 高通与 150 Hz 低通组成，高通电容与电阻需匹配，避免基线漂移。

PPG 通道使用跨阻放大器把光电流转为电压，反馈电阻 Rf 与反馈电容 Cf 构成低通。若光电流交流分量约 10 nA、希望输出 1 V，则 Rf ≈ 100 MΩ 量级，实际常用 100 kΩ～1 MΩ 并配合后级增益。直流分量可达交流的 100 倍，因此必须用高通或直流恢复电路扣除，否则后级饱和。

热敏电阻通道可用 100 µA 恒流激励，10 kΩ 上产生 1 V 压降，再经低通滤波进入 ADC。恒流激励的优点是输出电压与阻值线性相关，便于反算温度；缺点是自热。若自热功率需控制在 10 µW 以内，则激励电流应满足 I²R ≤ 10 µW，对 10 kΩ 约为 31.6 µA，因此 100 µA 需评估热阻或改用脉冲激励。

压力通道使用仪表放大器放大桥路差分输出，增益 50～200，后接 40 Hz 低通保留血压包络。桥路零点失调需通过调零网络或软件校准消除。

共模抑制与阻抗匹配

心电测量中，人体与市电之间存在位移电流，会在电极上形成共模电压。共模抑制比 CMRR 由仪表放大器本身和电极阻抗失配共同决定。若两电极源阻抗相差 ΔZ，则共模电压会转化为差模误差，等效误差约为 Vcm × ΔZ / Zin。因此电极接触阻抗应尽量一致，并在输入端加 RC 低通与右腿驱动。

右腿驱动把共模电压反相放大后送回人体，可把共模电压压低 20～40 dB。设计时右腿驱动增益不宜过高，否则环路振荡；通常取 10～100，并串联限流电阻保护患者。

阻抗匹配还包括 ADC 输入与驱动源阻抗的匹配。ΔΣ ADC 采样时存在开关电容负载，若源阻抗过高会导致增益误差。建议在 ADC 前加 RC 缓冲，截止频率高于信号带宽 5～10 倍，同时保证建立时间足够。

参数示例与判断依据

判断调理电路是否合格，可依次观察：输入端共模电压是否被压到 1 V 以内；放大器输出是否在电源轨内且无削顶；滤波后基线漂移是否小于信号幅度的 10%；ADC 采样值在静态时峰峰值是否小于 3 个 LSB。若某项不满足，优先检查电极阻抗一致性、右腿驱动极性和滤波电容匹配，而不是直接提高增益。