第七章节干扰和噪声幻灯片

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1、第七章 生物医学测量的干扰和噪声,张麒 上海大学 通信与信息工程学院, 7.1 生理信号的基本特征 7.2 人体电子测量的干扰 7.3 抑制电磁场干扰的主要方法 7.4 噪声与低噪声放大器, 7.1 生理信号的基本特征,频率特性 频带宽(EMG:DC-10kHz) 幅值特性 幅值微弱 EEG:几微伏-几百微伏 EMG:几微伏-几千微伏 各类生理信号常常复合交织在一起 采集心电(ECG)信号时，常常混杂有频带复用（或部分复用）而强度更大的肌电(EMG)信号以及其他无规律的运动干扰信号等。,在心电测量中的工频干扰(a)及肌电干扰(b),生物医学测量的干扰和噪声问题： （1）被测信号是微弱信号，测试

2、系统具有较高的灵敏度。灵敏度越高，对干扰和噪声也就越敏感，即极易把干扰引入测试系统或者放大噪声。 （2）工频50Hz干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围之内，而50Hz干扰又是普遍存在的。 （3）生物体本身属于电的良导体，而且“目标”大，难以屏蔽并很容易接受外部干扰。,干扰和噪声的区别,干扰：描述一系统受另一系统的影响而在该系统中产生误差电压和电流的现象 噪声：被测信号中加入的随机振动，来自于测量系统的内部，由构成测量系统的材料与元器件产生 生物医学信号测量 强干扰和噪声背景下的微弱信号测量,电磁干扰的形成有三个条件：干扰源、耦合通道（即引入方式）与敏感电路（即接受电路）。, 7.2 人体电子

3、测量的干扰, 7.2.1 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。,包括自然界宇宙射线、太阳辐射产生的周期电振动； 周围普通电气电子设备产生的放电现象，如 发动机点火 继电器触电引起电弧 照明电灯的辉光放电 电容电感瞬变过程 各种变压器、广播、电视、雷达等传播的电磁能,信号及干扰源的频率分布, 7.2.2 干扰耦合的途径,耦合通道,传导耦合,经公共阻抗耦合,电场和磁场耦合,电容性耦合,电感性耦合,经公共阻抗耦合,电源内阻及电源线的公共阻抗,公共接地电阻,一个电路的干扰电流经公共阻抗形成干扰压降，立刻引入其它电路,干扰耦合路径：电场和磁场耦合,场的性质取决于 场

4、源的性质 场源周围的介质 观察点与源之间的距离 以 为界区分近/远场 用波阻抗描述场源的性质 远场时，Rc等于介质特性阻抗，空气Rc为377 近场时 场源为大电流低电压，则Rc377 ；电场性质,场源,场的特性,场 源 的 性 质,场传播时所通过的介质,/2,近场,远场,磁场(E/H377),(E/H=377),在研究电磁场耦合形成干扰时，应把以电场为主的干扰与以磁场为主的干扰区分开 电场通过电容性耦合引入干扰 磁场通过电感性耦合引入干扰,（1） 电容性耦合,在电子系统内部元件和元件之间，导线和导线之间以及导线与元件，导线、元件与结构件之间都存在着分布电容。一个导体上的电压或干扰成分通过分布电

5、容使导体上的电位受到影响，这种现象称为电容性耦合。,平行导线容性耦合,若导线2为信号端，与放大器输入端相连，那么便构成敏感电路。由容性耦合形成的对敏感电路的干扰，在不考虑C1时为：,（1） 电容性耦合,增大R，并减小C,干扰,电场干扰简单估算,Cd1为人体与50Hz、220V电源馈电线之间的分布电容 Cd2为人体与大地间的分布电容 Cd1 Cd2 若取100Cd1 = Cd2 则耦合到人体的50Hz工频电压) UCM= Cd1 *220/(Cd1 + Cd2 )=2V,足以完全淹没微弱的生物电信号,抑制容性耦合常用的方法： 提高输入阻抗R 采用屏蔽导线(需减小干扰源导线和屏蔽伸出导线间耦合电容

6、C) 在印制电路板内破坏电容耦合最关键的部位，是处在前置级的第一个运放； 减小共模干扰,在印制板布线时，应在运放的两输入管脚处，布一圈地线，以达到屏蔽的目的。,针对50Hz工频干扰的抑制方法,心电图测量 右腿驱动电路 脑电、肌电测量 屏蔽、合理接地、滤波器,（2）电感性耦合（磁耦合）,干扰电流产生的磁通随时间变化而形成干扰电压。在系统内部，线圈或变压器的漏磁是形成干扰的主要原因；在系统外部，多数是由于两个导线在长距离平行架设中形成干扰电压。 电路2中的感应电压：,抑制电感耦合的常用方法： 远离干扰源，减小干扰源的影响； 采用绞合线的走线方式； 尽量减小耦合通道(回路闭合面积A和cos值),（2

7、）电感性耦合（磁耦合）,每个绞合结的微小面积所引起的感应电压大体相等，由于相邻的绞合结方向相反，而使局部的感应电压相互抵消。,（2）电感性耦合（磁耦合）,减小耦合通道减小面积A和cos值 可采取尽量使信号回路平面与干扰回路平面垂直，并使信号线贴近地平面布线，以减小回路的闭合面积等。,多导心电图、脑电图等测量时，要求将导线收紧为一束,（2）电感性耦合（磁耦合）,敏感电路：电极连接导线和输入放大器 (1) 电极导联线造成电容性耦合干扰, 7.2.3 接受干扰的敏感电路,(2) 人体表面形成电容性耦合干扰, 7.3 抑制电磁场干扰的主要方法,7.3.1 合理接地 7.3.2 电磁屏蔽 7.3.3 其

8、它措施 即严格遵守电磁兼容性(electro-magnetic compatibility, EMC)原则，实现不互相干扰、协调共同工作的设计考虑,7.3.1 合理接地,合理接地是抑制电场干扰的最好方法 原则：正确的一点接地 三方面考虑 仪器供电系统的安全接地，即保护接地 所设计的电路系统的工作接地 输入回路或敏感回路的接地,(1)安全接地,220V、50Hz交流电供电 必须有接大地的引线端 将机器外壳和电源地都接入大地 数台设备情况 一点并联接地，避免各设备单独接地或串联接地,(2)工作接地,指电子设备系统的各个电路部分其接地也应遵循一点接地原则 保持各电路同参考零电位 (否则将引起工频干扰

9、的加剧) 对于高频电路 由于辐射性强，要求各引线尽可能短 优先考虑引线短，再考虑一点接地 对于低频电路 （常见情况） 首先考虑一点接地,(3)敏感回路的接地,两点接地带来干扰 从电极到前置放大器一般有大于1m的屏蔽电缆 信号源一侧的地与后面放大器的地电位不可能完全相等 造成两点接地,不满足一点接地将造成很大干扰,干扰电位差,信号源与放大器的地隔离原则,屏蔽线、屏蔽罩的一点接地,屏蔽线和屏蔽罩如果不接地或接地不良， 特别是内部装有前置放大器的屏蔽罩不接地， 可能根本无法工作,电容与放大器形成反馈电路，可能引起放大器振荡无法工作,7.3.2 电磁场屏蔽,在测量系统工作区域加以金属封闭隔离层，以屏蔽

10、从其它区域传播来的电场或磁场辐射干扰 各单元部件或整个系统都可进行屏蔽 全屏蔽、局部屏蔽 高频电磁场屏蔽 原理：涡流反磁场作用 材料：高电导率材料 厚度：没有要求，满足机械强度 接地：需要接地，防止静电积累 低频电磁场屏蔽 原理：将干扰磁通限制在低磁阻屏蔽层内，使其不进 入工作区内 材料：高磁导率材料 厚度：应具有足够的厚度以减小磁阻，可采用两层或 多层结构 接地：良好接地,7.3.3 抑制干扰的其它措施, 7.4 噪声和低噪声放大器,噪声测量系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的固有的自然不稳定扰动称为噪声（电压或电流）。 系统内部噪声往往成为测量精度的限制性因素。 测试系统的噪声不可能

11、完全被消除，但是通过对噪声过程的分析，进行合理的低噪声设计，可以使噪声降到最低限度，从而使信号在传输过程中保持较高的质量。 对于生物体而言，所测量生物体信号以外的其它生物信号也可视为噪声。但本章只讨论测量系统内部固有的自然扰动这类噪声。,噪声电压或电流是随机的，服从于一定的统计规律。,噪声的基本特性可以用统计量来描述： 均方值2噪声的强度 概率密度p(U)噪声在幅度域里的分布密度 一般服从高斯（正态）分布 功率谱密度S(f)噪声在频域里的特性 白噪声：在很宽的频率范围内，噪声具有恒定的S(f)，为常数 1/f噪声：S(f)随f升高而下降,7.4.1 噪声的统计量,噪声带宽,噪声带宽f：噪声功率

12、增益KP曲线对频率f的积分除以最大功率增益KP0 功率增益正比于电压增益 Ku的平方，所以,例：求一阶RC低通电路的噪声带宽,fC为高频截止频率(即3dB带宽),7.4.2 生物医学测量系统主要噪声类型,1/f噪声（闪烁噪声） 热噪声 散粒噪声,1/f噪声,凡两个材料之间不完全接触，形成起伏的 电导率便产生1/f噪声 发生在两个导体连接的地方，如开关、继电器或 晶体管、二极管的不良接触 低频噪声，500-2k Hz 功率谱密度 噪声电压均方值 例：若K=5*10-10V2/Hz, 则在100-200Hz范围，1/f噪声电压均方根值为18.6uV,热噪声,由导体中载流子的随机热运动引起 谱密度在

13、各个频率几乎相等，属于白噪声 电压均方值 削弱热噪声方法： 降低温度（如超低温技术） 减小频带宽度 减小传感器电阻,散粒噪声,半导体器件中载流子扩散到基区不一致，使流过的载流子数目发生起伏，从而引起电流的无规则变化 属于白噪声 与流过半导体PN结位垒的电流有关，所以二极管、晶体管、集成运算放大器都存在散粒噪声，一般导体无此噪声,7.4.3 运算放大器噪声性能参数,带噪声的运算放大器 理想运算放大器 + 等效噪声参数 放大器内所有噪声源产生的噪声，用UN、IN参数表示 UN:与输入端串联的阻抗为零的噪声电压发生器 IN:与输入端并联的阻抗为无穷大的噪声电流发生器,UNS为信号源内阻Rs热噪声电压

14、均方根值,运放的等效输入噪声UNI为,信噪比和噪声系数,信噪比 噪声系数 放大器输入的信噪比与输出的信噪比的比值,理想放大器本身无噪声，源电阻的热噪声经放大器后不会增加，因此NF=0dB， 但实际由于放大器有噪声源存在，因此NF0dB 例： 放大器NF=6dB，输出信噪比为10，通频带为10kHz，求输入源的信号功率最小是多少（按室温25度源电阻热噪声计算） 答：,噪声匹配,F经过推导 F最小值时对应Rs 此时最小噪声系数 调整源电阻，使其等于最佳源电阻，从而使噪声系数最小，这一过程为电路的噪声匹配,多级放大器的噪声系数,多级放大器 解释：第一级放大器的噪声系数对总噪声系数的贡献最大，第二级以

15、后的噪声系数都要除以功率增益，其影响逐级减小 对设计放大器的指导意义：降低第一级噪声系数是实现低噪声多级放大器的原则 ；增加第一级的功率增益，可减弱后续级的噪声影响 三级放大器,7.4.4 低噪声放大器的设计,低噪声放大器的设计特点： 以低噪声为关键指标进行分析、计算和设计电路，放大器的增益、频率响应等非噪声质量的指标，则可以在满足噪声要求的基础上进行调整。 设计步骤：,噪声性能指标 等效输入噪声,噪声匹配 低噪声放大器首先考虑的不是增益大小，而是选择最佳源电阻时的Rs 传感器与前置放大器直接连接，应选择适当电阻值的器件作为前置放大器的输入级，尽可能满足噪声匹配需求 多级放大器低噪声设计 努力降低第一级噪声系数,作业 教材P143 4.3 问题改为：“计算电极导联线造成电容性耦合干扰电压的大小” 4.9，4.15，4.18,