問題

作為非工科出生的我來說電路知識常常是學(xué)習(xí)生物電信號采集設(shè)備學(xué)習(xí)過程中的難點，而其中接地便是一個疑問點。為什么在采集過程中，人體需要接地呢？它和硬件設(shè)備的接地有什么區(qū)別呢？這些問題在前期的學(xué)習(xí)過程中一直困擾著我。不過現(xiàn)在倒是有些眉目，這里進行簡單的梳理。

解答

首先需要解答下，在信號采集過程中的接地電極和硬件設(shè)備的接地是不是有一樣的作用呢？答案是否定的。在電路設(shè)計中，接地電極有許多的作用，如保證電路的正常工作、安全性和信號完整性等，工程師需要根據(jù)需求進行針對性設(shè)計和選擇接地。然而，在生物電信號采集過程中人體上的接地電極則并沒有那么復(fù)雜，它的主要目的只有一個，那就是保證信號的穩(wěn)定性。具體如下：

• 共模噪聲抑制：

生物電信號，尤其是身體表面采集的電信號是非常微弱的，通常在mV或μV的數(shù)量級上。外界很容易對這些信號及其傳輸產(chǎn)生影響。共模噪聲便是其中一種，它是指電極兩端存在相同振幅和頻率的非信號噪聲。這種噪聲常常由電磁干擾產(chǎn)生，如電源線、電子設(shè)備等產(chǎn)生的。

此時，針對這種噪聲，接地電極能夠?qū)⑸眢w和設(shè)備的接地端（如EEG放大器的地端）相連，此時身體與設(shè)備的電能都會導(dǎo)入大地，而不會在身體和設(shè)置之間形成電勢差，從而減少了共模噪聲。

這里就會有疑問了，為什么減少了電勢差就能實現(xiàn)減少共模信號呢？這里就涉及到“法拉第電磁感應(yīng)原理”和“電容耦合效應(yīng)”了。在采集生物電信號（這里僅指表皮信號）時，最最最重要的信號是信號電極和參考電極之間的電位差。而此時如果人體和設(shè)備之間存在電勢差，人體又通過如參考電極和信號電極與設(shè)備相連，設(shè)備和人體之間電勢差可能會被采集到，這不是我們期望的。除此之外，外界復(fù)雜的環(huán)境會產(chǎn)生磁場的變化，但人體和設(shè)備地之間的電勢差較大時，外部電磁場更容易在這段電路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓（法拉第電磁感應(yīng)原理），從而產(chǎn)生共模噪聲。其次，人體和設(shè)備之間的電位差減少也意味著電容耦合效應(yīng)減弱。電容耦合效應(yīng)是指兩個道題之間通過電容器傳遞交流信號，在生物電信號中就是指人體和設(shè)備作為兩個彼此隔離的電容板，空氣、衣物等作為兩個電容板的絕緣層，人體和設(shè)備便成為了一個電容。這個電容在外界交流信號（如電源線的50-60Hz干擾信號）產(chǎn)生電勢變化，從而產(chǎn)生無關(guān)共模噪音。而通過接地電極便無法形成電容，從而減小了電容耦合效應(yīng)。

需要注意的是，我們要注意區(qū)別這里減少的共模信號與前端放大器中的差分放大器實行的共模信號抑制是不沖突的，兩者相輔相成，前者實現(xiàn)前端作用，后者實現(xiàn)后端處理。

• 保護放大器輸入：

如果沒有接地電極，人體與設(shè)備之間可能存在較大的電位差，這可能導(dǎo)致放大器的輸入端出現(xiàn)不平衡，甚至導(dǎo)致放大器飽和，產(chǎn)生失真信號。

通過接地電極提供低阻抗路徑，可以保證放大器輸入端維持在一個穩(wěn)定的電位水平（因為生物電信號的變化并不劇烈），從而有效避免輸入信號的失真。

• 穩(wěn)定參考電位

接地電極為整個生物電信號采集系統(tǒng)提供了一個穩(wěn)定的電位基準(zhǔn)。這里的電位基準(zhǔn)和參考電極的不同，它是指整個系統(tǒng)的。設(shè)備、人體與地相連，此時人體和設(shè)備形成了一個獨立的系統(tǒng)，外界多余的電信號影響都能通過接地導(dǎo)入大地，這便是一個穩(wěn)定的電位基準(zhǔn)。

通過與設(shè)備地連接，接地電極能夠維持整個系統(tǒng)的電位平衡，從而保證信號放大器的工作穩(wěn)定，這對于方式信號漂移和波動有著重要的意義。

綜上所述，接地電極有著重要的意義，它最重要的作用便是保證信號的穩(wěn)定性和完整性。