第二章信號測量的基本條件

1、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)第二章 信號測量的基本條件(tiojin)第一節(jié) 人體測量的電磁干擾 第二節(jié) 測試系統(tǒng)的噪聲 第三節(jié) 低噪聲放大器設(shè)計 Biomedical Electronics共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 人體生物信號測量條件很復(fù)雜，測量一種生理參數(shù)時，存在著其他生理信號的噪聲。對測量系統(tǒng)之外的干擾還十分敏感。 1 、被測信號是微弱信號，測試系統(tǒng)具有較高靈敏度。而靈敏度越高，對干擾也就越敏感，極易把干擾引入測試系統(tǒng)。2、生物體本身屬于良導(dǎo)體，很容易接受外部干擾。尤其是工頻50Hz干擾，它幾乎落在所有生物電信號的頻帶范圍之內(nèi)，而在用電環(huán)境(hunjng)普遍存在，工頻50Hz干擾往往

2、完全淹沒了微弱的生物電信號。3、由于皮膚電阻存在，人體是高內(nèi)阻的生物電信號源。為確保一定的測量精度，放大器輸入阻抗應(yīng)比信號源內(nèi)阻高兩個數(shù)量級，而輸入阻抗越高，越容易因靜電耦合引入干擾。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)抗干擾和低噪聲構(gòu)成生物信號測量的兩個基本條件。本章的目的就是得到生物信號測量系統(tǒng)的強(qiáng)抗干擾能力和低噪聲電子設(shè)計方法。在討論人體測量的各種( zhn)檢測技術(shù)之前，這是十分必要的。 圖2-1的曲線表示，隨著設(shè)計、研制過程的進(jìn)展，抗干擾和低噪聲的措施無論在難度上和造價上都將不斷地增加。在設(shè)計階段考慮這些措施，可以解決(jiju) 80-90的問題，而且措施簡單易行。 除了外界環(huán)境的干擾，微弱信

3、號還常常被深埋在測試系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲中。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)第一節(jié) 人體(rnt)測量中的電磁干擾2.1.1 干擾(gnro)引入 干擾的形成包括三個條件：干擾源，耦合通道(即引入方式)與敏感電路(即接受電路)。抑制干擾也就可以從這三個方面找到相應(yīng)的措 施。 (一)干擾源 干擾源 耦合通道 敏感電路 能產(chǎn)生一定的電磁能量而影響周圍電路正常工作的物體或設(shè)備稱為干擾源。干擾源分兩類。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)1、自然界的宇宙射線、太陽輻射，太陽黑子產(chǎn)生的周期電擾動等是一類干擾源。2、由周圍電氣、電子設(shè)備產(chǎn)生的各種放電現(xiàn)象是另一類于擾源。發(fā)動機(jī)點火、繼電器觸點引起火花或電弧、電機(jī)的電刷火花以及電燈管

4、的輝光放電、弧光放電等；電容電感的過渡過程的瞬變電壓、瞬變電流(dinli)等；大功率電路、各種變壓器、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等所傳播的電磁能；周圍的220V交流電源是最直接的50Hz干擾源。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物電信號提取過程的主要干擾是近場50Hz干擾源，因為各種生物電信號中大部包含有50Hz的頻率成分，而且(r qi)生物電信號的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于50Hz的干 擾。近場50Hz干擾源不只直接影響多種生物電信號的提取，而且它存在于所有的測量環(huán)境中，其抑制方法遠(yuǎn)比頻率很高的各種電磁輻射干擾困難。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 測量系統(tǒng)不只受到外界干擾源的干擾，而且測量系統(tǒng)本身也對內(nèi)部、對外界其他電

5、子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，造成互相干擾的電磁環(huán)境。在電子系統(tǒng)之間， 實現(xiàn)不互相干擾、協(xié)調(diào)混同工作的設(shè)計，稱為電磁兼容性設(shè)計。具有兩個含義：（1）電子系統(tǒng)或設(shè)備之間在電磁場環(huán)境中的相互兼顧；（2）電子系統(tǒng)或設(shè)備在電磁場環(huán)境中能正常工作。 它包括抑制(yzh)來自外部的干擾(有時還有系統(tǒng)內(nèi)部生成的干擾)和抑制系統(tǒng)本身對外界其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾兩個方面。這一設(shè)計原則，是提高測試系統(tǒng)可靠性的一個重要方面。 電磁兼容性設(shè)計(shj)EMC(Electro-Magnetic Compatibility)共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) (二)干擾耦合途徑 1、傳導(dǎo)耦合 經(jīng)導(dǎo)線傳播把干擾引入測試系統(tǒng)，稱為傳導(dǎo)耦合。交流電源

6、線、測試系統(tǒng)中的長線都能引起傳導(dǎo)耦合，它們都具有天線的效果，能夠廣泛拾取空間的干擾引入測試系統(tǒng)。 交流供電線路的大功率負(fù)載，如馬達(dá)、高頻爐等，它們所產(chǎn)生(chnshng)的干擾波動，如啟動、故障過渡過程、三相不同時投入等，通過電網(wǎng)都可以傳播到測試系統(tǒng)。 長信號線還能拾取附近設(shè)備或空間電磁場的干擾波。在測試系統(tǒng)中對交流電源線或信號長線不采取措施，則形成干擾。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)2經(jīng)公共(gnggng)阻抗耦合 在測試系統(tǒng)內(nèi)部各單元電路之間，或兩種測試系統(tǒng)之間存在公共阻抗。圖中 Rce為公共接地(jid)阻抗 Rcs為電源內(nèi)阻及電源 線的阻抗電流流經(jīng)公共阻抗形成的壓降造成干擾。共二十九頁生物醫(yī)

7、學(xué)電子學(xué) （1）場的特性取決于“場源”的性質(zhì)、場源周圍(zhuwi)的介質(zhì)以及觀察點與源之間的距離等。 設(shè)為電磁波的波長，距離大于/2時(約1/6波長)，稱為遠(yuǎn)場或輻射場，場的性質(zhì)主要決定于場傳播時通過的介質(zhì)；距離小于/2時，稱之為近場，場的特性主要決定于場源的性質(zhì) 。 電場E與磁場H之比稱為波阻抗（ Zw = E/H）。遠(yuǎn)場時，波阻抗等于介質(zhì)特性阻抗(空氣或自由空間，E/H=Z0377)；近場時，波阻抗決定于源的特性和源到觀察點的距離，如果源為大電流低電壓(E/H377)，則近場主要為磁場；如果場源為小電流高電壓(E/H377)，則近場主要為電場。3電場(din chng)和磁場耦合共二十九

8、頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 研究電磁場耦合形成干擾(gnro)時，應(yīng)把以電場為主和以磁場為主的兩種情況分開，前者通過電容性耦合引入干擾，后者以電感性耦合引入干擾。 在遠(yuǎn)場內(nèi)，呈現(xiàn)出阻抗為377 的平面波，當(dāng)討論平面波時，均假定是在遠(yuǎn)場內(nèi)；當(dāng)分開討論電場和磁場時，則假定在近場內(nèi)。當(dāng)頻率低于1MHz時，測試系統(tǒng)內(nèi)的耦合大多數(shù)由近場造成，因為在這些頻率上的近場可展延到300m；頻率為30kHz 時，近場展延到104m。一般由附近設(shè)備造成的干擾均可視為由近場耦合形成。 共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) （2）場的波阻抗描述 對短直導(dǎo)線源，近場波阻抗為高阻抗，主要為電場。電場以1r3的速率衰減，波阻抗也逐漸減小趨于自由空

9、間的波阻抗。 對于環(huán)形電流源，近場波阻抗為低阻抗，主要產(chǎn)生磁場。磁場以1r3的速率衰減， 波阻抗隨著(su zhe)r增加而趨于Z0。在遠(yuǎn)場內(nèi)，電場和 磁場都以1r的速率衰減。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 遠(yuǎn)場干擾通過電源線，生物電位電極引線引入測試(csh)系統(tǒng)。遠(yuǎn)場中各種電磁波輻射、通信系統(tǒng)的射頻干擾、工業(yè)設(shè)備甚至醫(yī)療設(shè)備本身，都是一種隨機(jī)的干擾，其能量遍布整個空間，形成生物信號測量中的干擾。 4近場感應(yīng)耦合 由于電荷運(yùn)動產(chǎn)生電磁場，所以凡帶電的元件、導(dǎo)線、結(jié)構(gòu)件等都能形成電磁場。 分析近場耦合過程，一般可把電場和磁場分別進(jìn)行處理。引起干擾的回路稱為場源，受干擾的回路稱為接受電路。共二十九頁生

10、物醫(yī)學(xué)電子學(xué) (1)電容性耦合 在電子系統(tǒng)內(nèi)部元件和元件之間，導(dǎo)線和導(dǎo)線之間以及導(dǎo)線與元件，導(dǎo)線、元件與結(jié)構(gòu)件之間都存在(cnzi)著分布電容。一個導(dǎo)體上的電壓或干擾成份通過分布電容使其他導(dǎo)體上的電位受到影響，這種現(xiàn)象稱為電容性耦合。導(dǎo)線和導(dǎo)線之間電容性耦合下圖表示帶有干擾(u1s，)的導(dǎo)線對另一根導(dǎo)線通過容性耦合造成的影響。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)C為兩導(dǎo)線之間的分布電容，兩導(dǎo)線對地的分布電容分別為C1和C2，若導(dǎo)線2為信號端，與放大器輸入端相連，構(gòu)成敏感電路。 由容性耦合形成的對敏感電路的干擾(gnro)，在不考慮C1時共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)在下述兩種實際情況(qngkung)，可將上式

11、簡化 a、 則對敏感(mngn)電路的影響與干擾源的頻率基本無關(guān)，而正比于C和C2的電容分壓比，只要使C2 C，就能抑制干擾。 b、則這時干擾的大小正比于C、R，且與干擾源頻率有關(guān)。（2-2）（2-3）共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)由圖 (a)兩條直線，得到對應(yīng)最大干擾電壓(diny)的角頻率m，大于m時，干擾電壓不變，實際大多數(shù)情況角頻率低于m 。從抗干擾考慮，輸入阻抗高并不利，而增大兩導(dǎo)線之間的距離盡量避免兩導(dǎo)線平行以減小分布電容C則是必要的措施。（b）圖繪出兩平行線間的耦合電容，可供參考。敏感電路的干擾電壓(diny)的角頻率函數(shù)曲線共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)減小容性耦合方法 減小容性耦合常用的

12、有效方法，是采用屏蔽導(dǎo)線。如導(dǎo)線2用接地良好的優(yōu)質(zhì)屏蔽線，原則上能夠完全抑制耦合干擾(gnro)電壓。屏蔽線的中心導(dǎo)線一般引出屏蔽體以外，存在分布電容C以及中心導(dǎo)線對屏蔽層之間的電容C2s，中心導(dǎo)線對地電容C2G 。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)屏蔽線的中心導(dǎo)線一般引出屏蔽體以外，存在分布電容C以及中心導(dǎo)線對屏蔽層之間的電容C2s，中心導(dǎo)線對地電容C2G 。屏蔽層良好接地時，等效電路如圖，耦合到導(dǎo)線2的干擾(gnro)電壓為 共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 可見，當(dāng)屏蔽層可靠接地時，如果盡量縮短導(dǎo)線2的信號線伸出屏蔽層的長度(chngd)，則C值較小，U2S可以很小。但如果屏蔽層網(wǎng)編織不十分緊密或屏蔽層接

13、地不良， 耦合電容增加，U2S增加，這樣還不如不使用屏蔽導(dǎo)線。 在生物電測量中，最常見的電容性耦合干擾(gnro)是由于50Hz工頻電源與人體之間存在分布電容，使人體攜帶干擾電壓。 實際上測試系統(tǒng)所用市電，病房和手術(shù)中照明等主要干擾為50Hz電磁場。在人體某處放置電極并接地時，干擾電流就會集中在那里，形成電極端的干擾電壓。用手觸摸示波器輸入端，便觀察到人體上耦合的50Hz電壓波。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)如圖Cd1為人體(rnt)與饋電線之間的分布電容， Cd2為人體與大地之間的分布 電容，通常Cd1Cd2 ，如取Cd2 10 Cd1 ，則耦合到人體的 50Hz電壓Ucm可達(dá)可見，人體攜帶的干擾

14、電壓，將完全淹沒生物電信號，必須采取一定措施：A、采用差動放大器，使50Hz干擾電壓在輸入(shr)端相減抵消。B、人體接地，消除50Hz干擾。如心電測量時，用右腿接地的辦法消除人體的50Hz干擾電壓。C、采用濾波方法。如腦電、肌電測量時，用濾波器消除50Hz電壓等。 共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)(2) 電感性(gnxng)耦合 干擾電流產(chǎn)生的磁通隨時間變化而形成干擾電壓。系統(tǒng)(xtng)內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁是形成干擾電壓的主要原因。系統(tǒng)外面，多數(shù)是由于兩根導(dǎo)線長距離平行架設(shè)形成干擾電壓。 當(dāng)電流在一個閉合回路中流動時，將產(chǎn)生與電流成正比的磁通，比例系數(shù)為電感，L大小取決于回路的幾何形狀及周圍

15、介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)。 若同時存在兩個閉合回路，電路之間就存在互感，如果兩個電路的形狀及相對位置固定不變，而磁通作正弦變化時，則感應(yīng)電壓為 A為閉合回路的面積，B為磁通密度的均方根，為B與A法線的夾角。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)如圖所示，用互感形式表示感應(yīng)(gnyng)電壓。 兩個回路之間的電感性耦合，又稱為磁耦合。 共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 遠(yuǎn)離干擾源，削弱干擾源的影響(yngxing)。不過有時這是不能實現(xiàn)的。 為了減小感應(yīng)電壓，可采取(ciq)下述方法采用絞合線的走線方式。每個絞合結(jié)方向相反，局部的感應(yīng)電壓相互抵消，如圖所示。從絞合的效果來看，不論是感應(yīng)側(cè)還是被感應(yīng)側(cè)，所獲得的結(jié)果基本相同。 感

16、應(yīng)側(cè)箭頭表示其電流的方向，被感應(yīng)側(cè)箭頭表示導(dǎo)線間感應(yīng)電壓的方向。圖中畫出了受干擾側(cè)和干擾側(cè)進(jìn)行絞合的情況。共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 盡量減小耦合通路，即減小面積A和cos 值。 為此可采取盡量使信號回路平面(pngmin)與干擾回路平面(pngmin)垂直， 以減小cos 值，并使信號線貼近地平面布線或加屏蔽線，以減小回路的閉合面積。 注意，在電感性耦合中，干擾電壓的等效電壓源是串聯(lián)在信號回路中的，所以它的大小與信號回路的阻抗無關(guān)。因此抑制電感性耦合的關(guān)鍵，在于減小回路的面積，單純依靠接地并不能抑制磁場的干擾。 共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)圖為心電測量時感性耦合形成干擾的示意圖。在人體和測試系統(tǒng)輸

17、入回路構(gòu)成環(huán)路時，將在環(huán)路中感應(yīng)出干擾電壓，其幅度(fd)為ABcos，A為環(huán)路面積（圖中陰影部分)， 是磁場B與環(huán)路平面法線的夾角。采用絞合線可減小回路面積；采用屏蔽線并將屏蔽線兩端接地，也可使耦合干擾電壓減小。 生物電測量(cling)中磁場的感性耦合共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)原則上已知干擾源來自哪里及其引入測量系統(tǒng)的各種途徑之后，相應(yīng)的抑制干擾的措施也就找到了，實際上完全消除系統(tǒng)存在的干擾是相當(dāng)困難的。各種各樣電子設(shè)備造成的電磁環(huán)境(hunjng)，使干擾變得錯綜復(fù)雜，很難找到確定的干擾源和引入途徑。為了防止干擾，在系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)嚴(yán)格遵守電磁兼容性設(shè)計，盡可能用到全面地考慮各種抗 干擾的設(shè)計方案，而且僅一種簡單的方法往往難以奏效，要用幾種不同的方法組合起來使用。下次課介紹幾種生物信號測量中經(jīng)常用的措施。 共二十九頁生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)作業(yè)(zuy)：2-12-2共二十九頁內(nèi)容摘要生物(shngw)醫(yī)學(xué)電子學(xué)。本章的目的就是得到生物(