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1、生物医学电子学生物医学电子学生物医学电子学第二章第二章 信号测量的基本条件信号测量的基本条件第一节第一节 人体测量的电磁干扰人体测量的电磁干扰 第二节第二节 测试系统的噪声测试系统的噪声 第三节第三节 低噪声放大器设计低噪声放大器设计Biomedical Electronics生物医学电子学人体生物信号测量条件很复杂，测量一种生理参人体生物信号测量条件很复杂，测量一种生理参数时，存在着其他生理信号的噪声。对测量系统之数时，存在着其他生理信号的噪声。对测量系统之外的干扰还十分敏感。外的干扰还十分敏感。1、被测信号是微弱信号，测试系统具有较高灵敏度。而被测信号是微弱信号，测试系统具有较高灵敏度。而
2、灵敏度越高，对干扰也就越敏感，极易把干扰引入测试系统。灵敏度越高，对干扰也就越敏感，极易把干扰引入测试系统。2、生物体本身属于良导体，很容易接受外部干扰。尤其是、生物体本身属于良导体，很容易接受外部干扰。尤其是工频工频50Hz干扰，它几乎落在所有生物电信号的频带范围之干扰，它几乎落在所有生物电信号的频带范围之内，而在用电环境普遍存在，工频内，而在用电环境普遍存在，工频50Hz干扰往往完全淹没干扰往往完全淹没了微弱的生物电信号。了微弱的生物电信号。3、由于皮肤电阻存在，人体是高内阻的生物电信号源。为、由于皮肤电阻存在，人体是高内阻的生物电信号源。为确保一定的测量精度，放大器输入阻抗应比信号源内阻
3、高两确保一定的测量精度，放大器输入阻抗应比信号源内阻高两个数量级，而输入阻抗越高，越容易因静电耦合引入干扰。个数量级，而输入阻抗越高，越容易因静电耦合引入干扰。生物医学电子学抗干扰和低噪声构成生物信号测量的两个基本条件。抗干扰和低噪声构成生物信号测量的两个基本条件。本章本章的目的就是得到生物信号测量系统的的目的就是得到生物信号测量系统的强抗干扰能力和低噪强抗干扰能力和低噪声电子设计方法声电子设计方法。在讨论人体测量的各种检测技术之前，。在讨论人体测量的各种检测技术之前，这是十分必要的。这是十分必要的。图图2-1的曲线表示，随着设计、的曲线表示，随着设计、研制过程的进展，抗干扰和低噪研制过程的进
4、展，抗干扰和低噪声的措施无论在难度上和造价上声的措施无论在难度上和造价上都将不断地增加。在设计阶段考都将不断地增加。在设计阶段考虑这些措施，可以解决虑这些措施，可以解决80-90的问题，而且措施简单易行。的问题，而且措施简单易行。除了外界环境的干扰，微弱信号还常常被深埋在测试系除了外界环境的干扰，微弱信号还常常被深埋在测试系统内部的噪声中。统内部的噪声中。生物医学电子学第一节第一节人体测量中的电磁干扰人体测量中的电磁干扰2.1.1干扰引入干扰引入干扰的形成包括三个条件干扰的形成包括三个条件：干扰源，耦合通道：干扰源，耦合通道(即引即引入方式入方式)与敏感电路与敏感电路(即接受电路即接受电路)。
5、抑制干扰也就可以从这。抑制干扰也就可以从这三个方面找到相应的措三个方面找到相应的措施。施。( (一一) )干扰源干扰源干扰源干扰源 耦合通道耦合通道 敏感电路敏感电路能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常工作的物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体或设备称为干扰源干扰源。干扰源分两类。干扰源分两类。生物医学电子学1、自然界的宇宙射线、太阳辐射，太阳黑子产生的周期电、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是一类干扰源。扰动等是一类干扰源。2、由周围电气、电子设备产生的各种放电现象是另一类于、由周围电气、电子设备产生的各种放电现象是另一类于扰源。扰源。发动机
6、点火、继电器触点引起火花或电弧、电机的电刷火发动机点火、继电器触点引起火花或电弧、电机的电刷火花以及电灯管的辉光放电、弧光放电等；花以及电灯管的辉光放电、弧光放电等；电容电感的过渡过程的瞬变电压、瞬变电流等；电容电感的过渡过程的瞬变电压、瞬变电流等；大功率电路、各种变压器、广播、电视、雷达、导航等所大功率电路、各种变压器、广播、电视、雷达、导航等所传播的电磁能；传播的电磁能；周围的周围的220V交流电源是最直接的交流电源是最直接的50Hz干扰源。干扰源。生物医学电子学n生物电信号提取过程的主要干扰是近场生物电信号提取过程的主要干扰是近场50Hz干扰源，因为干扰源，因为各种生物电信号中大部包含有
7、各种生物电信号中大部包含有50Hz的频率成分，而且生物的频率成分，而且生物电信号的强度远远小于电信号的强度远远小于50Hz的干的干扰。近场扰。近场50Hz干扰源不只干扰源不只直接影响多种生物电信号的提取，而且它存在于所有的测量直接影响多种生物电信号的提取，而且它存在于所有的测量环境中，其抑制方法远比频率很高的各种电磁辐射干扰困难。环境中，其抑制方法远比频率很高的各种电磁辐射干扰困难。生物医学电子学测量系统不只受到外界干扰源的干扰，而且测量系测量系统不只受到外界干扰源的干扰，而且测量系统本身也对内部、对外界其他电子设备产生电磁干扰，造统本身也对内部、对外界其他电子设备产生电磁干扰，造成互相干扰的
8、电磁环境。在电子系统之间，成互相干扰的电磁环境。在电子系统之间，实现不互相干实现不互相干扰、协调混同工作的设计，称为扰、协调混同工作的设计，称为电磁兼容性设计电磁兼容性设计。具有两。具有两个含义：（个含义：（1）电子系统或设备之间在电磁场环境中的相）电子系统或设备之间在电磁场环境中的相互兼顾；（互兼顾；（2）电子系统或设备在电磁场环境中能正常工）电子系统或设备在电磁场环境中能正常工作。作。它包括抑制来自外部的干扰它包括抑制来自外部的干扰(有时还有系统内部生成有时还有系统内部生成的干扰的干扰)和抑制系统本身对外界其他设备产生的干扰两个方和抑制系统本身对外界其他设备产生的干扰两个方面。这一设计原则
9、，是提高测试系统可靠性的一个重要方面。这一设计原则，是提高测试系统可靠性的一个重要方面。面。电磁兼容性设计电磁兼容性设计EMC(Electro-MagneticCompatibility)生物医学电子学 (二)干扰耦合途径1、传导耦合传导耦合经导线传播把干扰引入测试系统，称为经导线传播把干扰引入测试系统，称为传导耦合传导耦合。交流电源线、测试系统中的长线都能引起传导耦合，交流电源线、测试系统中的长线都能引起传导耦合，它们都具有天线的效果，能够广泛拾取空间的干扰引它们都具有天线的效果，能够广泛拾取空间的干扰引入测试系统。入测试系统。交流供电线路的大功率负载，如马达、高频炉等，它们所交流供电线路的
10、大功率负载，如马达、高频炉等，它们所产生的干扰波动，如启动、故障过渡过程、三相不同时投入等，产生的干扰波动，如启动、故障过渡过程、三相不同时投入等，通过电网都可以传播到测试系统。通过电网都可以传播到测试系统。长信号线还能拾取附近设备或空间电磁场的干扰波。在测长信号线还能拾取附近设备或空间电磁场的干扰波。在测试系统中对交流电源线或信号长线不采取措施，则形成干扰。试系统中对交流电源线或信号长线不采取措施，则形成干扰。生物医学电子学2经公共阻抗耦合在测试系统内部各单元电路在测试系统内部各单元电路之间，或两种测试系统之间之间，或两种测试系统之间存在公共阻抗。存在公共阻抗。图中图中Rce为公共接地阻抗为
11、公共接地阻抗Rcs为电源内阻及电源为电源内阻及电源线的阻抗线的阻抗电流流经公共阻抗形成的压电流流经公共阻抗形成的压降造成干扰。降造成干扰。生物医学电子学（1）场的特性场的特性取决于取决于“场源场源”的性质、场源周围的介质以及的性质、场源周围的介质以及观察点与源之间的距离等。观察点与源之间的距离等。设设为电磁波的波长，距离大于为电磁波的波长，距离大于/2时时(约约1/6波长波长)，称为，称为远场远场或辐射场，场的性质主要决定于或辐射场，场的性质主要决定于场传播时通过的介质；场传播时通过的介质；距离距离小于小于/2时，称之为时，称之为近场，近场，场的特性主要决定于场的特性主要决定于场源的性质场源的
12、性质。电场电场E与磁场与磁场H之比称为之比称为波阻抗波阻抗（Zw=E/H）。远场时，波）。远场时，波阻抗等于介质特性阻抗阻抗等于介质特性阻抗(空气或自由空间，空气或自由空间，E/H=Z0377)；近；近场时，波阻抗决定于源的特性和源到观察点的距离，如果源为大场时，波阻抗决定于源的特性和源到观察点的距离，如果源为大电流低电压电流低电压(E/H377)，则近场主要为磁场；如果场源为小，则近场主要为磁场；如果场源为小电流高电压电流高电压(E/H377)，则近场主要为电场。，则近场主要为电场。3电场和磁场耦合生物医学电子学研究电磁场耦合形成干扰时，应把以电场为主研究电磁场耦合形成干扰时，应把以电场为主
13、和以磁场为主的两种情况分开，前者通过和以磁场为主的两种情况分开，前者通过电容性耦电容性耦合合引入干扰，后者以引入干扰，后者以电感性耦合电感性耦合引入干扰。引入干扰。在远场内，呈现出阻抗为在远场内，呈现出阻抗为377的平面波，当的平面波，当讨论平面波时，均假定是在远场内；当分开讨论电讨论平面波时，均假定是在远场内；当分开讨论电场和磁场时，则假定在近场内。当频率低于场和磁场时，则假定在近场内。当频率低于1MHz时，测试系统内的耦合大多数由近场造成，因为在时，测试系统内的耦合大多数由近场造成，因为在这些频率上的近场可展延到这些频率上的近场可展延到300m；频率为；频率为30kHz时，近场展延到时，近
14、场展延到104m。一般由附近设备造成的干一般由附近设备造成的干扰均可视为由近场耦合形成。扰均可视为由近场耦合形成。生物医学电子学（2）场的波阻抗描述）场的波阻抗描述对短直导线源，近场波对短直导线源，近场波阻抗为高阻抗，主要为电阻抗为高阻抗，主要为电场。电场以场。电场以1r3的速率的速率衰减，波阻抗也逐渐减小衰减，波阻抗也逐渐减小趋于自由空间的波阻抗。趋于自由空间的波阻抗。对于环形电流源，近对于环形电流源，近场波阻抗为低阻抗，主要场波阻抗为低阻抗，主要产生磁场。磁场以产生磁场。磁场以1r3的速率衰减，的速率衰减，波阻抗随着波阻抗随着r增加而趋于增加而趋于Z0。在远场。在远场内，电场和内，电场和磁
15、场都以磁场都以1r的速率衰减。的速率衰减。生物医学电子学远场干扰通过电源线，生物电位电极引线引入测试远场干扰通过电源线，生物电位电极引线引入测试系统。远场中各种电磁波辐射、通信系统的射频干扰、系统。远场中各种电磁波辐射、通信系统的射频干扰、工业设备甚至医疗设备本身，都是一种随机的干扰，其工业设备甚至医疗设备本身，都是一种随机的干扰，其能量遍布整个空间，形成生物信号测量中的干扰。能量遍布整个空间，形成生物信号测量中的干扰。4近场感应耦合近场感应耦合由于电荷运动产生电磁场，所以凡带电的元件、导由于电荷运动产生电磁场，所以凡带电的元件、导线、结构件等都能形成电磁场。线、结构件等都能形成电磁场。分析近
16、场耦合过程，一分析近场耦合过程，一般可把电场和磁场分别进行处理。般可把电场和磁场分别进行处理。引起干扰的回路称为引起干扰的回路称为场源场源，受干扰的回路称为，受干扰的回路称为接受电路接受电路。生物医学电子学(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份通过分布电容使其他导容。一个导体上的电压或干扰成份通过分布电容使其他导体上的电位受到影响，这种现象称为体上的电位受到影响，这种现象称为电容性耦合。电容性耦合
17、。导线和导线之间电容性耦合导线和导线之间电容性耦合下图表示带有干扰下图表示带有干扰(u1s，)的导线对另一根导线通过容性的导线对另一根导线通过容性耦合造成的影响。耦合造成的影响。生物医学电子学C为两导线之间的分布电容，两导线对地的分布电容分为两导线之间的分布电容，两导线对地的分布电容分别为别为C1和和C2，若导线，若导线2为信号端，与放大器输入端相连，为信号端，与放大器输入端相连，构成敏感电路。构成敏感电路。由容性耦合形成的对敏感电路的干扰，由容性耦合形成的对敏感电路的干扰，在不考虑在不考虑C1时时生物医学电子学在下述两种实际情况，可将上式简化在下述两种实际情况，可将上式简化a、 则对敏感电路
18、的影响与干扰源的频率基本无关，而正比于对敏感电路的影响与干扰源的频率基本无关，而正比于C和和C2的电容分压比，只要使的电容分压比，只要使C2C，就能抑制干扰。，就能抑制干扰。b、则这时干扰的大小正比于这时干扰的大小正比于C、R，且与干扰源频率有关。，且与干扰源频率有关。（2-2）（2-3）生物医学电子学由图由图(a)两条直线，得到对应最大干扰电压的角频率两条直线，得到对应最大干扰电压的角频率m，大于，大于m时，干扰电压不变，实际大多数情况角频率低于时，干扰电压不变，实际大多数情况角频率低于m。从抗。从抗干扰考虑，输入阻抗高并不利，而干扰考虑，输入阻抗高并不利，而增大两导线之间的距离尽量增大两导
19、线之间的距离尽量避免两导线平行以减小分布电容避免两导线平行以减小分布电容C则是必要的措施。（则是必要的措施。（b）图绘）图绘出两平行线间的耦合电容，可供参考。出两平行线间的耦合电容，可供参考。敏感电路的干扰电压的敏感电路的干扰电压的角频率函数角频率函数曲线曲线生物医学电子学减小容性耦合方法减小容性耦合方法减小容性耦合常用的有效方法，是采用减小容性耦合常用的有效方法，是采用屏蔽导线屏蔽导线。如。如导线导线2用接地良好的优质屏蔽线，原则上能够完全抑制耦用接地良好的优质屏蔽线，原则上能够完全抑制耦合干扰电压。屏蔽线的中心导线一般引出屏蔽体以外，合干扰电压。屏蔽线的中心导线一般引出屏蔽体以外，存在分布
20、电容存在分布电容C以及中心导线对屏蔽层之间的电容以及中心导线对屏蔽层之间的电容C2s，中心导线对地电容中心导线对地电容C2G。生物医学电子学屏蔽线的中心导线一般引出屏蔽体以外，存在分布电容屏蔽线的中心导线一般引出屏蔽体以外，存在分布电容C以以及中心导线对屏蔽层之间的电容及中心导线对屏蔽层之间的电容C2s，中心导线对地电容，中心导线对地电容C2G。屏蔽层良好接地时，等效电路如图，耦合到导线。屏蔽层良好接地时，等效电路如图，耦合到导线2的干扰的干扰电压为电压为生物医学电子学可见，当屏蔽层可靠接地时，如果尽量缩短导线可见，当屏蔽层可靠接地时，如果尽量缩短导线2的信的信号线伸出屏蔽层的长度，则号线伸出
21、屏蔽层的长度，则C值较小，值较小，U2S可以很小。但如可以很小。但如果屏蔽层网编织不十分紧密或屏蔽层接地不良，果屏蔽层网编织不十分紧密或屏蔽层接地不良，耦合电容耦合电容增加，增加，U2S增加，这样还不如不使用屏蔽导线。增加，这样还不如不使用屏蔽导线。在生物电测量中，最常见的电容性耦合干扰是由于在生物电测量中，最常见的电容性耦合干扰是由于50Hz工频电源与人体之间存在分布电容，使工频电源与人体之间存在分布电容，使人体携带干扰电压人体携带干扰电压。实际上测试系统所用市电，病房和手术中照明等主要干扰为实际上测试系统所用市电，病房和手术中照明等主要干扰为50Hz电磁场。在人体某处放置电极并接地时，干扰
22、电流就电磁场。在人体某处放置电极并接地时，干扰电流就会集中在那里，形成电极端的干扰电压。用手触摸示波器输会集中在那里，形成电极端的干扰电压。用手触摸示波器输入端，便观察到人体上耦合的入端，便观察到人体上耦合的50Hz电压波。电压波。生物医学电子学如图如图Cd1为人体与馈电线之间的分布电容，为人体与馈电线之间的分布电容，Cd2为人体与大地之间的分布为人体与大地之间的分布电容，通常电容，通常Cd1Cd2，如取，如取Cd210Cd1，则耦合，则耦合到人体的到人体的50Hz电压电压Ucm可达可达可见，人体携带的干扰电压，将完全淹没可见，人体携带的干扰电压，将完全淹没生物电信号，必须采取一定措施：生物电
23、信号，必须采取一定措施：A、采用差动放大器，使、采用差动放大器，使50Hz干扰电压在输入端相减抵消。干扰电压在输入端相减抵消。B、人体接地，消除、人体接地，消除50Hz干扰。如心电测量时，用右腿接地干扰。如心电测量时，用右腿接地的办法消除人体的的办法消除人体的50Hz干扰电压。干扰电压。C、采用滤波方法。如脑电、肌电测量时，用滤波器消除、采用滤波方法。如脑电、肌电测量时，用滤波器消除50Hz电压等。电压等。生物医学电子学(2)电感性耦合干扰电流产生的磁通随时间变化而形成干扰电流产生的磁通随时间变化而形成干扰电压干扰电压。系统内部，。系统内部，线圈或变压器的漏磁线圈或变压器的漏磁是形成干扰电压的
24、主要原因。系统外面，是形成干扰电压的主要原因。系统外面，多数是由于两根多数是由于两根导线长距离平行架设导线长距离平行架设形成干扰电压。形成干扰电压。当电流在一个闭合回路中流动时，将产生与电流成正比的当电流在一个闭合回路中流动时，将产生与电流成正比的磁通，比例系数为电感，磁通，比例系数为电感，L大小取决于回路的几何形状及周围大小取决于回路的几何形状及周围介质的导磁系数。介质的导磁系数。若同时存在两个闭合回路，电路之间就存在互感，如果两若同时存在两个闭合回路，电路之间就存在互感，如果两个电路的形状及相对位置固定不变，而磁通作正弦变化时，则个电路的形状及相对位置固定不变，而磁通作正弦变化时，则感应电
25、压为感应电压为A为闭合回路的面积，为闭合回路的面积，B为磁通密度的均方根，为磁通密度的均方根，为为B与与A法线的夹角。法线的夹角。生物医学电子学如图所示，用互感形式表示感应电压。如图所示，用互感形式表示感应电压。两个回路之间的电感性耦合，又称为两个回路之间的电感性耦合，又称为磁耦合磁耦合。生物医学电子学远离干扰源远离干扰源，削弱干扰源的影响。不过有时这是不能，削弱干扰源的影响。不过有时这是不能实现的。实现的。为了减小感应电压，可采取下述方法为了减小感应电压，可采取下述方法采用绞合线采用绞合线的走线方式。每个的走线方式。每个绞合结方向相反，局部的感应电绞合结方向相反，局部的感应电压相互抵消，如图
26、所示。从绞合压相互抵消，如图所示。从绞合的效果来看，不论是感应侧还是的效果来看，不论是感应侧还是被感应侧，所获得的结果基本相被感应侧，所获得的结果基本相同。同。感应侧箭头表示其电流的方感应侧箭头表示其电流的方向，被感应侧箭头表示导线间感向，被感应侧箭头表示导线间感应电压的方向。图中画出了受干应电压的方向。图中画出了受干扰侧和干扰侧进行绞合的情况。扰侧和干扰侧进行绞合的情况。生物医学电子学 尽量减小耦合通路，即减小面积尽量减小耦合通路，即减小面积A和和cos值。值。为此可为此可采取尽量使信号回路平面与干扰回路平面垂直，采取尽量使信号回路平面与干扰回路平面垂直，以减以减小小cos值，并使信号线贴近
27、地平面布线或加屏蔽线，值，并使信号线贴近地平面布线或加屏蔽线，以减小回路的闭合面积。以减小回路的闭合面积。注意，在电感性耦合中，干扰电压的等效电压源注意，在电感性耦合中，干扰电压的等效电压源是串联在信号回路中的，所以它的大小与信号回路的阻是串联在信号回路中的，所以它的大小与信号回路的阻抗无关。因此抑制电感性耦合的关键，在于减小回路的抗无关。因此抑制电感性耦合的关键，在于减小回路的面积，单纯依靠接地并不能抑制磁场的干扰。面积，单纯依靠接地并不能抑制磁场的干扰。生物医学电子学图为心电测量时感性耦合形成干扰的示意图。在人体和测图为心电测量时感性耦合形成干扰的示意图。在人体和测试系统输入回路构成环路时
28、，将在环路中感应出干扰电试系统输入回路构成环路时，将在环路中感应出干扰电压，其幅度为压，其幅度为ABcos，A为环路面积（图中阴影部分为环路面积（图中阴影部分)，是磁场是磁场B与环路平面法线的夹角。采用绞合线可减与环路平面法线的夹角。采用绞合线可减小回路面积；采用屏蔽线并将屏蔽线两端接地，也可使小回路面积；采用屏蔽线并将屏蔽线两端接地，也可使耦合干扰电压减小。耦合干扰电压减小。生物电测量中磁场的感性耦合生物电测量中磁场的感性耦合生物医学电子学n原则上已知干扰源来自哪里及其引入测量系统的原则上已知干扰源来自哪里及其引入测量系统的各种途径之后，相应的抑制干扰的措施也就找到各种途径之后，相应的抑制干
29、扰的措施也就找到了，实际上完全消除系统存在的干扰是相当困难了，实际上完全消除系统存在的干扰是相当困难的。各种各样电子设备造成的电磁环境，使干扰的。各种各样电子设备造成的电磁环境，使干扰变得错综复杂，很难找到确定的干扰源和引入途变得错综复杂，很难找到确定的干扰源和引入途径。径。n为了防止干扰，在系统设计时，首先应为了防止干扰，在系统设计时，首先应严格遵守严格遵守电磁兼容性设计电磁兼容性设计，尽可能用到全面地考虑各种抗，尽可能用到全面地考虑各种抗干扰的设计方案，而且仅一种简单的方法往往难干扰的设计方案，而且仅一种简单的方法往往难以奏效，要用几种不同的方法组合起来使用。下以奏效，要用几种不同的方法组合起来使用。下次课介绍几种生物信号测量中经常用的措施。次课介绍几种生物信号测量中经常用的措施。生物医学电子学作业：2-12-2
