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1、第二章 生物信息测量中的噪声和干扰n 人体电子测量中的电磁干扰n 测量系统的噪声n 低噪声放大器设计生物信息测量中的噪声和干扰学习方法：分析噪声和干扰的产生 教学目的：教学目的： 通过分析生物信息测量中的噪声和干扰通过分析生物信息测量中的噪声和干扰 ，得到生物信息测量系统的强抗干扰能力，得到生物信息测量系统的强抗干扰能力 和低噪声电子设计方法。和低噪声电子设计方法。了解噪声和干扰进入的途径了解噪声和干扰进入的途径 找寻抑制干扰和降低噪声的方法找寻抑制干扰和降低噪声的方法几个基本概念： 干扰： 能够采取防护措施消除或控制的无用信号称 为干扰。 噪声： 把电子元件中带电质子杂乱波动所引起的难 以完
2、全控制或消除的无用信号称为噪声。 干扰源： 能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常 工作的物体或设备称为干扰源。生物信息测量中的噪声和干扰第一节 人体电子测量中的电磁干扰一. 干扰的类型：磁场干扰源：自然界的宇宙射线、太阳辐射 、太阳黑子产生的周期电扰动等。电场干扰源：发动机点火、继电器触点的开 闭、旋转电机的电刷火花、电容电感的过渡 过程的瞬变电压、瞬变电流等。高频电磁场干扰源：无线电广播、电视、雷 达等所传播的电磁能。生物信号及干扰源的频率分布ECG 心电EEG 脑电EMG 肌电EOG 眼电ENG 眼震颤电图ERG 视网膜PCG 心音VEP 视觉诱发SEP 大脑体感诱发电位AEP听觉诱发电
3、位0.10.11 110101001001K1K10K10K100K100K1M1M10M10M100M100M1G1G雷电电刷火化灯管放电无线电宇宙噪声宜用遥测高频治疗、超声诊断、手术电刀、电疗人体电子测量中的电磁干扰二二. . 干扰耦合途径干扰耦合途径： 直接途径直接途径间接途径间接途径电容性耦合电容性耦合电感性耦合电感性耦合传导耦合传导耦合经公共阻抗耦合经公共阻抗耦合干扰耦合的途径传导耦合：传导耦合：经导线传播把干扰引入测试系统经导线传播把干扰引入测试系统 市电干扰市电干扰生理信号生理信号医学医学 仪器仪器干扰耦合的途径经公共阻抗耦合：经公共阻抗耦合：电流流经公共阻抗形成压降造成干扰。电
4、流流经公共阻抗形成压降造成干扰。 前置级前置级电路一电路一电路二电路二RceRcs VcsVcl干扰耦合的途径电容性耦合：电容性耦合：一个导体上的电压或干扰成分通过分布一个导体上的电压或干扰成分通过分布 电容使其他导体上的电位受到影响。电容使其他导体上的电位受到影响。 A AB BZ Z1 1Z Z2 2Z ZGGI ID1D1I ID2D2I ID1D1+ I+ ID2D2GGC C1 1C C2 2干扰源干扰源导联线的容性耦合导联线的容性耦合A AB BZ Z1 1Z Z2 2Z ZGG GGC C1 1干扰源干扰源人体表面的容性耦合人体表面的容性耦合干扰耦合的途径电感性耦合：电感性耦合：
5、系统内部（外部）干扰电流产生的磁通随系统内部（外部）干扰电流产生的磁通随 时间变化而在系统内部形成干扰电压。时间变化而在系统内部形成干扰电压。 A AB BZ Z1 1Z Z2 2I ID1D1I ID2D2干扰源干扰源I引线环路面积引线环路面积引线环路面积引线环路面积干扰源干扰源I电极引线的环路面积引入的干扰电极引线的环路面积引入的干扰抑制干扰的方法隔离 去藕 滤波 耗能电路抑制直接途径的干扰：抑制直接途径的干扰：抑制间接途径的干扰：抑制间接途径的干扰：合理接地 屏蔽抑制直接途径的干扰隔离： 信号在传递过程中，没有直接的电路上的联系 ，而是通过电磁耦合或光电耦合进行传递。光电耦合隔离光电耦合
6、隔离放大放大调制调制解调解调前极前极后极后极变压器耦合隔离变压器耦合隔离I IininV Vcccc隔离法在医疗设备中的应用前级前级后级后级前后级隔离输入、输出隔离抑制直接途径的干扰去藕： 为了去除电源线中的干扰经传导耦合进入测量系统， 用RC或RL滤波环节消除直流电源因负载变化引起的 干扰。+V+VCCCC第一第一 级放级放 大大第二第二 级放级放 大大电源去藕电源去藕防止级间藕合防止级间藕合抑制直接途径的干扰滤波： 为了去除电网中的干扰，可以用低通滤波器，消除频 率较高的干扰，对于50Hz交流电的市电干扰，可用 50Hz陷波电路进行消除。10K10K45K45K45K45K22K22K0.
7、068u0.068u0.068u0.068u0.147u0.147u有源高有源高QQ值双值双T T滤波器滤波器抑制直接途径的干扰耗能电路： 耗能电路主要抑制医学仪器内部的各种继电器、接触 器、电动机等有接触点的开启和闭合产生瞬时击穿， 造成高频辐射和引起电源电压、电流冲击的干扰。RLCRLRCLR R支路支路交直流耗能电路交直流耗能电路RCRC支路支路交直流耗能电路交直流耗能电路RCRC支路支路接点保护电路接点保护电路LDLRDLDD D支路支路直流耗能电路直流耗能电路RDRD支路支路直流耗能电路直流耗能电路D D支路支路接点保护电路接点保护电路抑制间接途径的干扰合理接地： 接地指印刷板上的局
8、部电路中和测试系统整 机中地线的布置。合理接地是抑制干扰的主 要方法。安全接地工作接地合理接地第三级 等电位接地中线接地，另外中线接地，另外 再配备一条接地再配备一条接地 线，负载接地与线，负载接地与 其相连。其相连。把仪器周围把仪器周围 的所有导电的所有导电 部分和仪器部分和仪器 外壳连接在外壳连接在 一起，形成一起，形成 等电位。等电位。在人体与仪器接在人体与仪器接 触时实现与人体触时实现与人体 并联小电阻或串并联小电阻或串 联大电阻；或在联大电阻；或在 基础绝缘的外边基础绝缘的外边 ，再加上一层绝，再加上一层绝 缘；或通过过流缘；或通过过流 保护和漏电切换保护和漏电切换 电路实施保护电路
9、实施保护为什么为什么? ?为什么为什么? ?生物医学测量中的安全接地：生物医学测量中的安全接地：第一级第一级 电源接地电源接地 第二级第二级 保护接地保护接地如何实现等电位接地？a ab bA AB Bi iA AB BR Ra ab bA AB Bi ii iA Ai iB B分别接地分别接地公共接地公共接地a ab bA AB Bi i正确的一点接地正确的一点接地工作接地工作接地是对信号电压设立基准电压。工作地 线的设计可以是大地电位，也可以不是大地电 位。电路电路1 1电路电路2 2电路电路3 3I1I2I3R R1 1R R2 2R R3 3A A B B C C电路电路1 1电路电路
10、2 2电路电路3 3R R1 1R R2 2R R3 3L L1 1L L2 2L L3 3高频信号的多点接地高频信号的多点接地低频信号的一点接地低频信号的一点接地抑制间接途径的干扰屏蔽： 所谓屏蔽，泛指在两个空间区域加以金属隔 离，用以控制从一个区域到另一个区域电场 或磁场的传播。 屏蔽包括主动屏蔽和被动屏蔽。干扰源干扰源无内场无内场主动屏蔽主动屏蔽被动屏蔽被动屏蔽+v v传导屏蔽传导屏蔽抑制间接途径的干扰屏蔽应注意的几个问题： 1） 金属屏蔽实际是对电磁波的衰减，一是 从金属表面反射回来，称之为反射损耗；二 是穿过金属层并被衰减，称之为吸收衰减。 2） 选择屏蔽体材料的原则是：屏蔽电场或
11、远场的平面波（辐射场）时，宜选择铜、铝 、钢等高导电率材料；低频磁场的屏蔽，宜 选锰合金、磁钢、铁等高导磁率材料。 3） 屏蔽体上的开口影响屏蔽体对于干扰场 感应电流的流动而降低屏蔽效果。第二节 测量系统的噪声什么是噪声？把测量系统内部有器件、材料、部件的物 理因素产生的自然扰动称为噪声。 噪声与干扰的区别： 对于生物医学测量仪器，干扰指测量仪器外 部的各种影响因素。噪声指测量仪器内部自 身的各种影响因素。第二节 测量系统的噪声1. 噪声的一般性质： 1） 噪声电压或噪声电流是随机的，不可能用 一个确定的时间函数来描述。噪声的强度可以用均方根值表示。功率谱密度功率谱密度噪声电压的均方根值噪声电
12、压的均方根值 是它在一欧姆电阻上是它在一欧姆电阻上 产生的平均功率产生的平均功率单位频带内单位频带内 噪声功率随噪声功率随 频率的变化频率的变化噪声的一般性质2） 噪声服从于一定的统计规律.在幅度域里，能通过表示噪声过程的概率 密度 P(u) 而得知噪声电压落在某一范围内的 概率。一般噪声的概率密度服从高斯（正态） 分布。0 0P P（u u）u uu u1 1 0 0u u噪声的一般性质3） 在频域里的特性可以用功率谱密度表示。白噪声：白噪声：噪声噪声 具有恒定的功具有恒定的功 率谱密度率谱密度粉红色噪声粉红色噪声 ：谱密度随谱密度随 频率减小而频率减小而 上升。上升。b ba ac cS(
13、S(f f ) )f f蓝噪声蓝噪声： 谱密度随谱密度随 频率升高频率升高 而增加。而增加。第二节 测量系统的噪声2. 生物医学测量系统中的主要噪声类型： 1/ 1/ f f 噪声（低频噪声）噪声（低频噪声）热噪声热噪声散粒噪声散粒噪声生物医学测量系统中的主要噪声类型什么是1/ f 噪声？凡是两种材料之间不完全接触，形成起伏的电导率便产生1/ f 噪声。 1/ f 噪声的产生：外部：开关、继电器或晶体管、二极管的不 良接触。 内部：元件内部不同材料之间的接触面或点 。如电流流过合成碳质电阻的不连续介质。 特点：噪声电压随频率的降低而增加。生物医学测量系统中的主要噪声类型什么是热噪声？热噪声是由
14、导体中载流子的随机热运动 引起的。 热噪声的产生：导体中电子的随机热运动导致导体中出 现电流的波动，在每一瞬间，这些波动产生 的电流平均值并不为零，从而在导体两端产 生压降形成噪声电压。 特点：热噪声属于白噪声，其电压与工作频 带，电阻阻值及温度成正比。生物医学测量系统中的主要噪声类型什么是散粒噪声？在半导体器件中，载流子产生与消失的 随机性，使得流动着的载流子数目发生波动 ，时多时少，由此而引起电流瞬时涨落。 特点：散粒噪声属于白噪声，主要表现为电流 噪声。生物医学测量系统中的主要噪声类型3. 描述放大器噪声性能的参数：（1）Un 、 In参数Un ：阻抗为零的噪声电压发生器In ：阻抗为无
15、穷大的噪声电流发生器U UnoA AU Un nU UnsnsU US SI In nR RS SZ Zi i串联串联并联并联生物医学测量系统中的主要噪声类型（2）噪声系数噪声系数是放大器引起的信号质量（信 噪比）恶化程度的量度。用分贝表示，噪声系数的对数形式用分贝表示，噪声系数的对数形式NFNF为：为：NF = 10 NF = 10 lglg F F3. 3. 描述放大器噪声性能的参数：描述放大器噪声性能的参数：生物医学测量系统中的主要噪声类型4. 器件的噪声： （1）电阻的噪声a） 电阻中都存在热噪声b） 不同材料的电阻，其噪声大小不同，生 物电信号提取电路里多采用金属膜电阻 （2）电容器的噪声a） 电容器的漏电，使电容中存在热噪声。b） 电容器在工作时，存在1/f 噪声，其影 响远比热噪声大。c） 生物电信号提取电路的大容量电容应选 择钽电解电容。 生物医学测量系统中的主要噪声类型4. 器件的噪声： （3）耦合变压器的噪声效应 （4）场效应管的噪声 （5）双极晶体管的噪声 （6）运算放大器的噪声第三节 低噪声放大器的设计设
