ADS1294: 有关导联脱落检测相关配置问题，和右腿驱动相关配置问题

我们的设计采用的是ADS1294芯片前三个通道采集心电信号。基本功能都正常，心电信号采集也正常，但在调试中发现一个现象：就是将导联电极扣脱落放置在桌上的时候，系统电流会比全接信号的时候上升100uA左右，但将导联线保持脱落状态拎起来悬空，系统电流相比全接信号的时候下降100uA左右。比较困惑这到底是什么原因造成的。我能想到的可能的因素是ADS1294芯片中有关导联脱落检测和右腿驱动相关的配置。由此引出，一些有关导联脱落检测配置以及右腿驱动抗干扰的问题想请教：

1.手册中描述LOFF寄存器中COMP_TH的设置的各种等级阈值，对于导联脱落检测具体起到哪些作用，不同的百分比阈值，对于脱落的检测是更灵敏还是更迟钝？在哪种条件下设置哪种阈值更有利？

2.我的设计采用的是电流源的直流导联脱落检测模式，相关寄存器配置为LOFF=0x03，LOFF_SENSP=0x07，LOFF_SENSN=0x07，LOFF_FLIP=0x00，CONFIG4=0x02请问这种配置是否正确？这种检测模式和上拉下拉电阻直流导联脱落检测模式相比，哪种更合适，哪种更省电？

3.如果在外围电路不变动的情况下，基于上面的配置，是不是只要将LOFF寄存器中的FLEAD_OFF[1:0]位由11改为01后，就切换到了交流导联脱落检测的模式了？那么在交流导联脱落检测中是否也分别有电流源模式和上拉或下拉电阻器模式？（这部分在手册中介绍的不多）。同时请问交流导联脱落检测和直流导联脱落检测各自的优缺点是什么？一般多用哪种模式？哪种模式更省电一些？

3.我在测试中发现一个现象：如果导联上采集的信号比较稳定，比如正常的心电波形（幅值为2到5mV）的时候，系统功耗电流正常。但是如果某条导联脱落，同时引入了幅值较大的且频率较高的干扰杂波（幅值为10mV以上频率为几百赫兹），这时系统电流会上升约100uA。我将导联脱落检测功能完全关闭，LOFF=0x00,LOFF_SENSP=0x00,LOFF_SENSN=0x00,CONFIG4中的PD_LOFF_COMP=0,但是这个现象仍然必然复现。所以我不明白这是什么原因造成的？是否是芯片内部电路本身就有这个特点，对高频率高幅值的信号进行AD转换时功耗必然会提高？还是我在寄存器配置时有什么不正确造成的。

4.由此引出右腿驱动相关配置的问题。我们的设计目标就是传统的十二导模式，右腿RL电极就是起到抗干扰作用就可，不需要对其上的信号进行检测。我们外围电路也是和您们官方开发测试板的接法一致。但是看到手册中介绍了各种右腿驱动的使用方式，外接方式，测量方式，不同的寄存器配置，我有些混乱，不知道哪种才是我们适合的配置方法。比如RLD_SENS，RLD_SENSN，CONFIG3这些寄存器的配置方法。我希望RL电极可以起到抗干扰的作用，那么我理解RL电极应该在内部反馈给各个通道的运放才能起消除共模干扰的效果，所以我把寄存器RLD_SENSP和寄存器RLD_SENSN所有位置1，同时寄存器CONFIG3中RLDREF_INT位=1，/PD_RLD位=1启用RLD缓冲器。但是我又不是要测量RLD的信号，所以把寄存器CONFIG3中RLD_MEAS位=0，RLD_LOFF_SENS位=0。我用这种配置实际测试各个通道信号是正常的。但是感觉好像概念上有些混乱。我又尝试将RLD_SENSP=0，RLD_SENSN=0，实验效果和刚才相同，没有看到什么区别。

5.在4中描述的两种配置时，将RL电极处于导联脱落状态，发现读取到的正信号导联脱落LOFF_STATP寄存中，我所启用通道的对应位都被置1了，负信号导联脱落LOFF_STATN寄存器中对应位都为0。于是我借用此特点用来判断RL是否脱落，而不使用读取CONFIG3寄存器中的RLD_STAT位方法。但是不敢确定这种试用方法是否正确。

所以想请教应该如何配置是符合我们设计预期的。
6.下面是我当前的各个寄存器的配置参数，请看是否正确：
CONFIG1=0x06
CONFIG2=0x32
CONFIG3=0xCC
LOFF=0x03
CH1SET=0x00
CH2SET=0x00
CH3SET=0x00
CH4SET=0x80
RLD_SENSP=0x07
RLD_SENSN=0x07
LOFF_SENSP=0x07
LOFF_SENSN=0x07
LOFF_FLIP=0x00
GPIO=0x0F
PACE=0x00
RESP=0x00
CONFIG4=0x02
WCT1=0x0B
WCT2=0xC2
下图是我们外围连接图

Amy Luo：

您好，

1、建议您先看下datasheet 中 9.3.1.7.4 Lead-Off Detection 导联脱落检测原理，包括DC检测和AC检测。这个阈值百分比与提供的AVDD和AVSS有关。例如，如果AVDD是3V并且选择了95%，那么它将是3V*0.95＝2.85V。DC检测时，在导联脱落时，那么导联会被拉至电源轨，通道输出饱和；在导联连接时，所检测到的电压除了与电流大小和频率设置等之外，与电极/贴片材料、凝胶、皮肤状况、电线/电缆也有关，因此这里的阈值百分比设置的越小，越容易被识别为导联脱落。

其他问题我后续会逐一回复

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Ning Zhang1：

好的。非常感谢您的回复。有关阈值设置的问题我理解了。

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Amy Luo：

今天和明天有会议要参加，很抱歉对您问题的回复有延迟，明天或后天我会仔细看下您的其他问题

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Ning Zhang1：

好的没关系，您客气了。我也在根据您的建议学习相关的原理知识。

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Amy Luo：

很抱歉，今天也没有时间看您的问题，明天我会具体看下

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Ning Zhang1：

好的。没关系的。感谢您的回复。我也在此期间多做些实验

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Amy Luo：

2、寄存器配置没看出什么问题；

上拉下拉电阻直流导联脱落检测模式更省电；

看下面帖子中ChienChun的回复，哪种更合适需进行实验和测试后决定：

https://e2e.ti.com/support/data-converters-group/data-converters/f/data-converters-forum/1198693/ads1298r-what-s-the-difference-between-the-dc-ac-leadoff-detection/4532114?tisearch=e2e-sitesearch&keymatch=different%252520between%252520%252520pullup%252520or%252520pulldown%252520resistor%252520Lead-Off%252520detect%252520and%252520current%252520source%252520or%252520sink#4532114

3、是的，通过配置寄存器FLEAD_OFF来切换到AC lead off 检测，但是需要注意的一点是DC lead off 需要输入是直流耦合输入，输入是交流耦合输出的话，DC lead off 检测不适用这种情况。

DC lead off 检测只是根据阈值比较器判断导联是否脱落或连接，仅这两种状态，而 AC  lead off 可以检测出导联连接的强度，因此要看您导联检测要实现的目标，如果仅是导联是否连接，那么使用DC lead off 检测就可以了。

AC lead off 检测还有一点是它是需要数字后处理的，然后才能判断出导联的脱落状态。

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Ning Zhang1：

好的。感谢您的回复。您提供的这些信息对我很有帮助。我们的设计仅是判断是否脱落或连接，无需检测连接的强度，所以直流脱落检测就可以了。而且这几天看您们的sbaa196a文档中介绍的内容，了解到交流导联脱落监测是需要将一个高频信号叠加到采集的输入信号中的，那么在芯片AD转换后获得的数据波形中有规律的高频信号，Figure5中所示需要软件滤波后才可以。所以我决定使用直流导联脱落检测。您给的链接以及您也提到了直流导联脱落检测中上下拉电阻模式比电流源模式更省电，但是手册中介绍，电流源模式有更高的输入阻抗。我们设备对应的医疗器械国家标准中要求所有通道在输入10Hz5mV的正弦信号，同时添加+300mV和-300mV直流偏置电压的情况下，输入阻抗应高于10M欧姆。所以不知道上下拉电阻模式是否可以满足此要求。而且实际用户使用条件复杂，劣质的电极，未处理的皮肤，佩戴时间长，出汗造成电极阻抗上升等等因素，上下拉电阻模式是不是在这方面就比电流源模式有劣势了。虽然当前我使用电流源模式的脱落检测我们设备是可以满足功耗要求的，但是我还是想了解一下上下拉电阻模式比电流源模式能省多少电？能降低电流是多少？谢谢。

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Amy Luo：

如下datasheet截图所示，在使用上下拉电阻模式时，ADC的输入阻抗典型值是10MΩ，在使用电流源模式时输入阻抗是500MΩ：

Ning Zhang1 说：但是我还是想了解一下上下拉电阻模式比电流源模式能省多少电？能降低电流是多少？谢谢。

我是这样理解的：根据其检测原理，在导联脱落时不管是电流源模式还是上下拉电阻模式，都没有电流通路的，因此应该没有功率消耗。在导联连接时，电流源有设定的电流流过导联、人体回路，而上下拉电阻模式时，流过的电流由回路阻抗决定，因此具体的功耗也应该由回路阻抗决定，也就是说回路阻抗越大，耗电越少，回路阻抗越小，耗电越多。

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Amy Luo：

Ning Zhang1 说：3.我在测试中发现一个现象：如果导联上采集的信号比较稳定，比如正常的心电波形（幅值为2到5mV）的时候，系统功耗电流正常。但是如果某条导联脱落，同时引入了幅值较大的且频率较高的干扰杂波（幅值为10mV以上频率为几百赫兹），这时系统电流会上升约100uA。我将导联脱落检测功能完全关闭，LOFF=0x00,LOFF_SENSP=0x00,LOFF_SENSN=0x00,CONFIG4中的PD_LOFF_COMP=0,但是这个现象仍然必然复现。所以我不明白这是什么原因造成的？是否是芯片内部电路本身就有这个特点，对高频率高幅值的信号进行AD转换时功耗必然会提高？还是我在寄存器配置时有什么不正确造成的。

导联脱落后，导联探头必然会耦合周围的电磁干扰。对高频率高幅值的信号进行AD转换时功耗应该会升高，这个我没有具体的数据来说明，不过你自己可以做下测试，输入不同幅值不同频率的信号测试其功率以对比。

4、RLD电路可以提高CMRR，在下面文档中有加共模信号分20Vpp 60 Hz 别对With RLD Feedback 和 No RLD Feedback两种情况对比测试，见第6部分，如下截图：

https://www.ti.com.cn/cn/lit/an/sbaa188/sbaa188.pdf

我想可能是您测试的环境共模干扰比较小，所以两种配置看不出区别。

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Ning Zhang1：

好的感谢您的回复，感谢您推荐的链接文档。通过看这个文档同时进一步研究datasheet中的结构框图和电气连接图，又有一些深入的疑问想请教。1.首先是硬件连接方式，为了满足我们使用右腿驱动RLD仅是起到抗干扰提高CMRR的作用，并不对其上信号进行测量这个使用需求。我发出的上面那个截图中的连接方法是否正确呢？RLDIN我们不使用，作为无用管脚连接到了AVDD。但是在datasheet中的9.3.1.7中Figure33和Figure34都显示出使用Filter or Feedthrough连接到了RLD_IN，我理解是要对右腿电极上的信号进行测量才需要这样连接，否则不用这样连接，不知道我理解得是否正确？2.其次是寄存器配置方式，为了能实现右腿驱动抗干扰，需要把各个通道输入经过PGA后，都连接到右腿驱动放大器RLD_AMP上，故需要把寄存器RLD_SENSP和寄存器RLD_SENSN所有位置1，同时寄存器CONFIG3中RLDREF_INT位=1，/PD_RLD位=1启用RLD缓冲器。但又不是要测量RLD的信号，所以把寄存器CONFIG3中RLD_MEAS位=0，RLD_LOFF_SENS位=0。同时将CHnSET寄存器中的MUXn[2:0]都设置为000,为正常电极输入模式，请问这样的配置是否正确呢？3.针对2中提到的RLD_SENSP和RLD_SENSN寄存器，是不是实际使用了哪些通道，哪些通道的对应位就要置1，否则未被置1的通道就不会有抗干扰的作用了吗？还是说可以有选择地挑选个别通道进行置1也可以起到对所有通道的抗干扰作用。因为在您推荐的sbaa188.pdf文章中好像还提到了，在连接RLD的通道出现导联脱落时会有影响，以及文章结尾提到了接入通道的个数还影响阻抗变化。4.在实际使用中看到有些产品设计并没有将右腿驱动电极引出接人体，比如一些单导联产品，那么应该如何处理RLD，也可以同样实现抗干扰的效果？比如只有一个通道的ADS1291，通道正负分别接LA和RA电极，根据以上RLD的原理分析，如果硬件电路连接和寄存器配置和前面一样不变的情况下，把RLD在设备机壳内部与LA或RA任意一个进行短接是不是就可以了呢？

问题有些庞杂，多有打扰请见谅。

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Amy Luo：

1、您这样连接没什么问题，使用RLDIN  pin还有一个作用是可以寄存器配置以调节驱动人体的电极 ，缺点是需要占用一个通道：

2、这样配置没什么问题，注意 RLD_LOFF_SENS 是RLD lead off 检测用的。且注意只有当RLD放大器断电时，才可能检测 RLD lead-off 状态。

3、对于 哪些通道的对应位要置1，这个我认为取决于设备工作环境干扰情况，建议您尝试不同的组合，通过试验、观察、收集数据、分析来决定合适的开关组合和增益设置。如果工作环境干扰比较大，是倾向于都置1.

4、您可以按照datasheet figure 95的方法设置共模电压，如下截图所示：

下面帖子中提到了您说的方法，但是需要您测试分析验证以决定最后方案：

https://e2e.ti.com/support/data-converters-group/data-converters/f/data-converters-forum/1160969/ads1293-ads1293-rld-and-common-mode

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Ning Zhang1：

好的。非常感谢您的回复。使得我对我的寄存器配置方案有了信心。其中您提到“注意 RLD_LOFF_SENS 是RLD lead off 检测用的。且注意只有当RLD放大器断电时，才可能检测 RLD lead-off 状态”。关于这一点，我们的产品的设计目标虽然不用测量RL，但是最好能识别到RL导联的脱落，但是手册中介绍RL电极脱落的结果是在寄存器CONFIG3中的RLD_STAT位体现的，那么在对其读取操作上会带来一些麻烦，例如如果处于连续读模式，为了读取这个位，就需要每次Ready负脉冲带来后的数据流读取后，再通过指令停止连续读模式，然后再单独执行读取一次CONFIG3寄存器，然后再切换回连续读模式。即使是不采用连续读取模式，每次各通道采集结果读取后，都要再执行一次读取CONFIG3寄存器的操作，增加了执行时间。同时手册和您都说“只有当RLD放大器断电时（/PD_RLD位设置为0），才可能检测RLD lead-off状态”，那如果RLD放大器断电了，右腿驱动抗干扰的作用不就没有了吗？这不岂是个相互矛盾的设置？难道为了检测RLD是否脱落，就必须失去RLD抗共模干扰的功能？

所以就出现我最早发帖中的第5个问题：我将RLD_LOFF_SENS=0不启用RLD脱落检测，同时/PD_RLD=1启用RLD缓冲器，其他寄存器配置如前所述。然后实验将RL电极处于导联脱落状态，发现读取到的正信号导联脱落LOFF_STATP寄存中，我所启用通道的对应位都被置1了，负信号导联脱落LOFF_STATN寄存器中对应位都为0。于是我借用此特点用来判断RL是否脱落，而不使用读取CONFIG3寄存器中的RLD_STAT位方法。虽然这种方法会与所有正向端脱落的情况混淆无法区分，但至少是一个途径。但是不敢确定这种试用方法是否正确。

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Amy Luo：

是的，datasheet 有明确说明需power down  RLD运放后才能进行RLD Lead-Off  检测，相信您也看到了。

关于第5个问题，我想发生这种现象是因为：在RL电极脱落时，正常电极或者说连接至ADS129x 模拟输入的电极其输入共模电压太大造成的，以至于所有ADS129x 的模拟输入都满幅输入。我们知道正常电极的导联脱落检测就是看通道输出是否饱和（导联是否被拉至电源轨）来判断的，现在因为人体共模电压太大使得通道输入饱和，检测到正极导联脱落。PS:之所以正常电极输入共模电压变大，是因为RL电极脱落时RLD运放所形成的负反馈对整个系统来说也就开环了，那么也就失去了抑制共模电压的功能。

那么问题来了，如果系统在一个应用场合中，如果人体没有那么大的共模电压，或者说输入的共模电压不足以使模拟输入通道饱和，那么LOFF_STATP寄存器值就不会都置1，那么这种方法就失效了。

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Ning Zhang1：

好的。非常感谢您的回复和指导。您说的原理应该是说的通的。但是我经过几次实验发现的现象是这样的：（前提是用心电信号模拟仪发送心电信号，电极扣扣在该仪器上。我们设计的产品设备是采用电池供电，通过蓝牙实时地将采集的心电波形传到手机，手机APP上可以实时观看波形变化）

1.在电流源导联脱落检测模式下，如果将RL电极摘除，其他通道上显示的信号并没看到有明显的变化，仅出现微小毛刺，没有出现被抬升等现象，波形依然干净整洁。但是此时读到的LOFF_STATP寄存器中使用的通道都被置1了。在RL脱落前，摇动主机，各个通道信号稳定正常。在将RL脱落后，摇动主机，各个通道信号上明显出现较大幅度的干扰信号，但停止摇动主机，干扰减小。2.如果我把导联脱落检测的方法由电流源检测改为上下拉电阻检测模式（LOFF寄存器值由0x03改为0x13），那么将RL脱落后，LOFF_STATP和LOFF_STATN寄存器都不出现变化，也就是检测不出有脱落现象的发生。但是其他有信号的通道各自波形的基线都被抬升了约0.8mV~1mV左右，但波形都正常，当将RL恢复不脱落，各个通道波形的基线又下降回原来的水平。

按照上面的理论推断，RL脱落后，各个导联通道正极侧会拉到电源轨，那么信号不被拉成直线至少也应该出现变化才对，可是在实验1（电流源导联脱落检测模式）中并没看到这个现象。出现这种现象是不是和我采用的是电流源导联脱落判别有关？同时我的判别阈值设置的是95%，5%档，设置的导联脱落电流幅度为6nA，是否和这个也有关？如果是因为RL脱落使得负反馈开环了，共模电压被抬升超过了我设定的阈值，那么这个阈值按照这个百分比计算应该是多少电压值？如果被拉到了电源轨，为何我看到各个通道采集的心电信号还正常？谢谢。

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Amy Luo：

Ning Zhang1 说：按照上面的理论推断，RL脱落后，各个导联通道正极侧会拉到电源轨，那么信号不被拉成直线至少也应该出现变化才对，

RL脱落不一定将各个导联通道正极侧会拉到电源轨，这与系统的应用场合有关，或者准确来说与病人的共模电压有关。所以我上一条回复才说您第5个问题的方法不一定全部有效。

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Amy Luo：

Ning Zhang1 说：但是此时读到的LOFF_STATP寄存器中使用的通道都被置1了

哦哦，这里不正常，信号通道没被拉至电源轨，LOFF_STATP这里不应置1。需要您确认的是测试时LOFF_SENSP是否置1了？如果没有置1，LOFF_STATP的值没有意义。如果LOFF_SENSP置1了，那么应该与您设置的阈值、电流幅值等有关。阈值设置为95%，那么应该是0.95*AVDD电压

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Ning Zhang1：

好的，感谢您的回复。我按照您建议的方法多进行几次实验。但是最好您可以先帮我确认一下，我在原帖中发出的第6条中各个寄存器的配置是正确的，以及电路连接图是正确的。我在这个配置正确，不变动的情况下多做几组测试（比如不同的测试环境，不同的佩戴者，不同的导线材质等等），进行比较看是否有变化；然后再有针对性地调整个别寄存器配置，再实验对比发生了哪些变化。

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Amy Luo：

关于原理图，网络标号RLDINV您还接在哪里了？电路图您可以参考EVM板的原理图；

寄存器配置需根据您需要测试的相关功能进行相关配置。

下面FAQ希望对您有帮助：

[FAQ] Common Questions for TI's ADS129x Family of Bio-Potential ADCs

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Ning Zhang1：

好的感谢您的回复。RLDINV没有再接到其他地方，仅是一个网络标号。

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Amy Luo：

好的，原理图没看出什么问题。