第七章 干擾和噪聲

1、上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程第七章第七章 生物醫(yī)學(xué)測量的生物醫(yī)學(xué)測量的干擾和噪聲干擾和噪聲張麒張麒上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程u 7.1 生理信號的基本特征u 7.2 人體電子測量的干擾u 7.3 抑制電磁場干擾的主要方法u 7.4 噪聲與低噪聲放大器上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程 7.1 生理信號的基本特征o 頻率特性 頻帶寬(EMG:DC-10kHz) o 幅值特性 幅值微弱 EEG:幾微伏-幾百微伏 EMG:幾微伏-幾千微伏o 各類生理信號常常復(fù)合交織在一起 采集心電(ECG)信號時，常常混雜有頻帶復(fù)用（或部分復(fù)用）而強(qiáng)度更大的肌電(EMG

2、)信號以及其他無規(guī)律的運(yùn)動干擾信號等。上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程在心電測量中的工頻干擾(a)及肌電干擾(b)上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程 生物醫(yī)學(xué)測量的干擾和噪聲問題：（1）被測信號是微弱信號，測試系統(tǒng)具有較高的靈敏度。靈敏度越高，對干擾和噪聲也就越敏感，即極易把干擾引入測試系統(tǒng)或者放大噪聲。（2）工頻50Hz干擾幾乎落在所有生物電信號的頻帶范圍之內(nèi)，而50Hz干擾又是普遍存在的。（3）生物體本身屬于電的良導(dǎo)體，而且“目標(biāo)”大，難以屏蔽并很容易接受外部干擾。上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程干擾和噪聲的區(qū)別干擾和噪聲的區(qū)別u干擾：描述一系統(tǒng)受另一系統(tǒng)的影響而在該系統(tǒng)中產(chǎn)生誤

3、差電壓和電流的現(xiàn)象u噪聲：被測信號中加入的隨機(jī)振動，來自于測量系統(tǒng)的內(nèi)部，由構(gòu)成測量系統(tǒng)的材料與元器件產(chǎn)生u生物醫(yī)學(xué)信號測量 強(qiáng)干擾和噪聲背景下的微弱信號測量上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程 電磁干擾的形成有三個條件：干擾源、耦合通道（即引入方式）與敏感電路（即接受電路）。 7.2 人體電子測量的干擾上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程 7.2.1 干擾源 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。 包括自然界宇宙射線、太陽輻射產(chǎn)生的周期電振動；周圍普通電氣電子設(shè)備產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，如發(fā)動機(jī)點火繼電器觸電引起電弧照明電燈的輝光放電電容電感瞬變過程各種變壓器、廣播、電視

4、、雷達(dá)等傳播的電磁能上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程信號及干擾源的頻率分布上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程 7.2.2 干擾耦合的途徑耦合通道傳導(dǎo)耦合經(jīng)公共阻抗耦合電場和磁場耦合電容性耦合電感性耦合上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程經(jīng)公共阻抗耦合電源內(nèi)阻及電源線的公共阻抗公共接地電阻一個電路的干擾電流經(jīng)公共阻抗形成干擾壓降，立刻引入其它電路上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程干擾耦合路徑：電場和磁場耦合干擾耦合路徑：電場和磁場耦合u場的性質(zhì)取決于n場源的性質(zhì)n場源周圍的介質(zhì)n觀察點與源之間的距離 l以 為界區(qū)分近/遠(yuǎn)場u用波阻抗描述場源的性質(zhì)n遠(yuǎn)場時，Rc等于介質(zhì)特性阻抗，空氣Rc為

5、377n近場時l場源為大電流低電壓，則Rc377 ；電場性質(zhì)/ 2/cRE H上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程場源場的特性場 源 的 性 質(zhì)場傳播時所通過的介質(zhì)/2近場遠(yuǎn)場波阻抗電場E磁場H磁場(E/H377)(E/H=377)上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程在研究電磁場耦合形成干擾時，應(yīng)把以電場為主的干擾與以磁場為主的干擾區(qū)分開電場通過電容性耦合引入干擾磁場通過電感性耦合引入干擾（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)件之間都存在著分布電容。一個導(dǎo)體上的電壓或干擾成分通過分布電容使導(dǎo)體上的電位受到影響，這種現(xiàn)象稱為電容性耦合。上

6、海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程平行導(dǎo)線容性耦合 若導(dǎo)線2為信號端，與放大器輸入端相連，那么便構(gòu)成敏感電路。由容性耦合形成的對敏感電路的干擾，在不考慮C1時為：（1） 電容性耦合增大R，并減小C2121()ssj CuujCCR干擾上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程電場干擾簡單估算電場干擾簡單估算uCd1為人體與50Hz、220V電源饋電線之間的分布電容uCd2為人體與大地間的分布電容uCd1 0dBu例：n放大器NF=6dB，輸出信噪比為10，通頻帶為10kHz，求輸入源的信號功率最小是多少（按室溫25度源電阻熱噪聲計算）n答：2116,440/40.6 10SISONINONItsSI

7、NFdB FPPFPPPURkT fPmW上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程噪聲匹配噪聲匹配uF經(jīng)過推導(dǎo)uF最小值時對應(yīng)Rs此時最小噪聲系數(shù)u調(diào)整源電阻，使其等于最佳源電阻，從而使噪聲系數(shù)最小，這一過程為電路的噪聲匹配22144NNSSUI RFkTRfkT f 0NSSNURRImin12NNU IFkT f 上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程多級放大器的噪聲系數(shù)多級放大器的噪聲系數(shù)u多級放大器n解釋：第一級放大器的噪聲系數(shù)對總噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)最大，第二級以后的噪聲系數(shù)都要除以功率增益，其影響逐級減小 n對設(shè)計放大器的指導(dǎo)意義：降低第一級噪聲系數(shù)是實現(xiàn)低噪聲多級放大器的原則 ；增加第一級的

8、功率增益，可減弱后續(xù)級的噪聲影響u三級放大器32111212(1)111nnFFFFFAPAPAPAPAPAP32111211FFFFAPAPAP上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程7.4.4 低噪聲放大器的設(shè)計低噪聲放大器的設(shè)計u低噪聲放大器的設(shè)計特點：n以低噪聲為關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析、計算和設(shè)計電路，放大器的增益、頻率響應(yīng)等非噪聲質(zhì)量的指標(biāo)，則可以在滿足噪聲要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。u設(shè)計步驟：上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程u噪聲性能指標(biāo)n等效輸入噪聲上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測量”課程u噪聲匹配n低噪聲放大器首先考慮的不是增益大小，而是選擇最佳源電阻時的Rsn傳感器與前置放大器直接連接，應(yīng)選擇適當(dāng)