生物电信号中接地电极的作用讨论
问题
作为非工科出生的我来说电路知识常常是学习生物电信号采集设备学习过程中的难点，而其中接地便是一个疑问点。为什么在采集过程中，人体需要接地呢？它和硬件设备的接地有什么区别呢？这些问题在前期的学习过程中一直困扰着我。不过现在倒是有些眉目，这里进行简单的梳理。
解答
首先需要解答下，在信号采集过程中的接地电极和硬件设备的接地是不是有一样的作用呢？答案是否定的。在电路设计中，接地电极有许多的作用，如保证电路的正常工作、安全性和信号完整性等，工程师需要根据需求进行针对性设计和选择接地。然而，在生物电信号采集过程中人体上的接地电极则并没有那么复杂，它的主要目的只有一个，那就是保证信号的稳定性。具体如下：
- 共模噪声抑制：
生物电信号，尤其是身体表面采集的电信号是非常微弱的，通常在mV或μV的数量级上。外界很容易对这些信号及其传输产生影响。共模噪声便是其中一种，它是指电极两端存在相同振幅和频率的非信号噪声。这种噪声常常由电磁干扰产生，如电源线、电子设备等产生的。
此时，针对这种噪声，接地电极能够将身体和设备的接地端（如EEG放大器的地端）相连，此时身体与设备的电能都会导入大地，而不会在身体和设置之间形成电势差，从而减少了共模噪声。
这里就会有疑问了，为什么减少了电势差就能实现减少共模信号呢？这里就涉及到“法拉第电磁感应原理”和“电容耦合效应”了。在采集生物电信号（这里仅指表皮信号）时，最最最重要的信号是信号电极和参考电极之间的电位差。而此时如果人体和设备之间存在电势差，人体又通过如参考电极和信号电极与设备相连，设备和人体之间电势差可能会被采集到，这不是我们期望的。除此之外，外界复杂的环境会产生磁场的变化，但人体和设备地之间的电势差较大时，外部电磁场更容易在这段电路上产生感应电压（法拉第电磁感应原理），从而产生共模噪声。其次，人体和设备之间的电位差减少也意味着电容耦合效应减弱。电容耦合效应是指两个道题之间通过电容器传递交流信号，在生物电信号中就是指人体和设备作为两个彼此隔离的电容板，空气、衣物等作为两个电容板的绝缘层，人体和设备便成为了一个电容。这个电容在外界交流信号（如电源线的50-60Hz干扰信号）产生电势变化，从而产生无关共模噪音。而通过接地电极便无法形成电容，从而减小了电容耦合效应。
需要注意的是，我们要注意区别这里减少的共模信号与前端放大器中的差分放大器实行的共模信号抑制是不冲突的，两者相辅相成，前者实现前端作用，后者实现后端处理。
- 保护放大器输入：
如果没有接地电极，人体与设备之间可能存在较大的电位差，这可能导致放大器的输入端出现不平衡，甚至导致放大器饱和，产生失真信号。
通过接地电极提供低阻抗路径，可以保证放大器输入端维持在一个稳定的电位水平（因为生物电信号的变化并不剧烈），从而有效避免输入信号的失真。
- 稳定参考电位
接地电极为整个生物电信号采集系统提供了一个稳定的电位基准。这里的电位基准和参考电极的不同，它是指整个系统的。设备、人体与地相连，此时人体和设备形成了一个独立的系统，外界多余的电信号影响都能通过接地导入大地，这便是一个稳定的电位基准。
通过与设备地连接，接地电极能够维持整个系统的电位平衡，从而保证信号放大器的工作稳定，这对于方式信号漂移和波动有着重要的意义。
综上所述，接地电极有着重要的意义，它最重要的作用便是保证信号的稳定性和完整性。
