第二章 生物信息測量中的噪聲與干擾

第二章生物信息測量中的噪聲和干擾§2.1人體電子測量中的電磁干擾§2.2測試系統(tǒng)的噪聲§2.3低噪聲放大器設(shè)計(jì)§2.1人體電子測量中的電磁干擾

頻率特性

低頻段(DC-10kHz)

頻帶寬(ECG:20Hz-1kHzEMG:DC-10kHz)

幅值特性幅值微弱

EEG:幾微伏-幾百微伏

EMG:幾微伏-幾千微伏各類生理信號(hào)常常復(fù)合交織在一起

采集心電(ECG)信號(hào)時(shí)，常?；祀s有頻帶復(fù)用（或部分復(fù)用），而強(qiáng)度更大的肌電(EMG)信號(hào)以及其他無規(guī)律的運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)等?！?.1人體電子測量中的電磁干擾圖2-1在心電測量中的工頻干擾(a)及肌電干擾(b)§2.1人體電子測量中的電磁干擾

在測量某一種生理參數(shù)的同時(shí)，存在著其他生理信號(hào)的噪聲背景；此外，生物信號(hào)對(duì)來自測量系統(tǒng)（包括人體）之外的干擾還十分敏感，這是因?yàn)椋海?）被測信號(hào)是微弱信號(hào)，測試系統(tǒng)具有較高的靈敏度。靈敏度越高，對(duì)干擾也就越敏感，即極易把干擾引入測試系統(tǒng)。（2）工頻50Hz干擾幾乎落在所有生物電信號(hào)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?！?.1人體電子測量中的電磁干擾

電磁干擾的形成有三個(gè)條件：干擾源、耦合通道（即引入方式）與敏感電路（即接受電路）。

抑制干擾就可以從這三個(gè)方面找到相應(yīng)的措施。圖2-2干擾的引入§2.1人體電子測量中的電磁干擾——I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。

干擾形成危害的嚴(yán)重程度，主要取決于抑制方法的難易。EMC——Electro-MagneticCompatibility圖2-3信號(hào)及干擾源的頻率分布§2.1人體電子測量中的電磁干擾——I干擾源§2.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制耦合通道與抑制傳導(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圖2-4經(jīng)公共阻抗耦合§2.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制場源場的特性場源的性質(zhì)場傳播時(shí)所通過的介質(zhì)λ/2π近場遠(yuǎn)場波阻抗＝電場E磁場H磁場(E/H<377Ω)電場(E/H>377Ω)(E/H=377Ω)§2.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制（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(gè)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)象成為電容性耦合。§2.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制圖2-6平行導(dǎo)線容性耦合

若導(dǎo)線2為信號(hào)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(duì)敏感電路的干擾，在不考慮C1時(shí)為：公式(2-1)§2.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制（1）電容性耦合抑制容性耦合常用的方法：采用屏蔽導(dǎo)線；在印制電路板內(nèi)破壞電容耦合最關(guān)鍵的部位，是處在前置級(jí)的第一個(gè)運(yùn)放；減小共模干擾。§2.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制（1）電容性耦合

在印制板布線時(shí)，應(yīng)在運(yùn)放的兩輸入管腳處，布一圈地線，以達(dá)到屏蔽的目的?！?.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制（1）電容性耦合圖電源系統(tǒng)與人體之間的分布電容產(chǎn)生共模電壓VcmVcm=idb×ZG§2.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制（1）電容性耦合（2）電感性耦合（磁耦合）

干擾電流產(chǎn)生的磁通能隨時(shí)間變化而形成的干擾電壓。在系統(tǒng)內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁是形成干擾的主要原因；在系統(tǒng)外部，多數(shù)是由于兩個(gè)導(dǎo)線在長距離平行架設(shè)中形成干擾電壓?！?.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制抑制電感耦合的常用方法：遠(yuǎn)離干擾源，減小干擾源的影響；采用絞合線的走線方式；盡量減小耦合通道?！?.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制（2）電感性耦合（磁耦合）

每個(gè)絞合結(jié)的微小面積所引起的感應(yīng)電壓大體相等，由于相鄰的絞合結(jié)方向相反，而使局部的感應(yīng)電壓相互抵消?！?.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制（2）電感性耦合（磁耦合）減小耦合通道——減小面積A和cosθ值可采取盡量使信號(hào)回路平面與干擾回路平面垂直，并使信號(hào)線貼近地平面布線，以減小回路的閉合面積等。多導(dǎo)心電圖、腦電圖等測量時(shí)，要求將導(dǎo)線收緊為一束的原因?！?.1人體電子測量中的電磁干擾——II耦合通道與抑制（2）電感性耦合（磁耦合）§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽

合理接地是抑制干擾的主要方法，把接地和屏蔽正確地結(jié)合使用能解決大部分干擾問題。

接地指印刷板上的局部電路中和測量系統(tǒng)中地線的布置。另一方面，在生物醫(yī)學(xué)測量中，從安全的角度考慮，合理的良好接地更是十分重要的。系統(tǒng)中的接地線分為兩類：一類是安全接地，稱為保護(hù)接地（必須是大地電位）；另一類是工作接地，即對(duì)信號(hào)電壓設(shè)立基準(zhǔn)電壓?！?.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（1）安全接地為了安全起見，一般電子電器設(shè)備的機(jī)殼都應(yīng)接地。在生物學(xué)測量中，這一點(diǎn)更加重要。機(jī)殼接地的目的是為了在任何情況下，使人經(jīng)常接觸的機(jī)殼保持零電位?！?.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（1）安全接地電源接地——通常有三種供電方法保護(hù)接地——為了使漏電流和絕緣失效時(shí)的事故電流安全地流入大地而附加的接地保護(hù)。等電位接地——為了得到等電位的附加接地。（在第八章第三節(jié)介紹）§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（2）工作接地工作接地方式有兩種：一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。一般來說，1MHz一下可以采用一點(diǎn)接地；頻度高于10MHz時(shí)采用多點(diǎn)接地。在1－10MHz范圍，如用一點(diǎn)接地時(shí)，其地線長度不得超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地?！?.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（2）工作接地

系統(tǒng)首先應(yīng)該區(qū)分低電平電路和高電平電路以及功率相差很多、干擾電平相差很大的電路，其地線均應(yīng)分別接地。

系統(tǒng)中至少要有三個(gè)分開的地線：(1)低電平信號(hào)地線；(2)功率地線；(3)機(jī)殼地線。三套地線分別自成系統(tǒng)，最后匯集于地母線。此外數(shù)字地和模擬地也應(yīng)該分開各自聯(lián)結(jié)后再接地?！?.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（2）工作接地P37圖2-17九通道數(shù)字磁帶記錄儀的地線系統(tǒng)

地線設(shè)計(jì)采用三種地線分開的方法，圖2-17可作為一般低頻系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)的參考。§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（3）敏感回路的接地設(shè)計(jì)

對(duì)干擾最敏感的是輸入回路。輸入回路以及用屏蔽電纜或屏蔽盒時(shí)的接地設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力起重要作用。P28圖2-23輸入回路兩點(diǎn)接地形成干擾§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（4）屏蔽設(shè)計(jì)

生物信號(hào)本身頻率遠(yuǎn)小于1MHz，所以用屏蔽線時(shí)，屏蔽層應(yīng)對(duì)地絕緣，僅保持一點(diǎn)可靠接地，這一點(diǎn)甚為重要，不可忽視。在磁場干擾不嚴(yán)重或處于其他考慮的情況下，電路采用兩點(diǎn)接地，這時(shí)導(dǎo)線屏蔽層也應(yīng)兩點(diǎn)接地。§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（4）屏蔽設(shè)計(jì)屏蔽分為主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽電磁波入射到金屬表面時(shí)所產(chǎn)生的損耗有兩種：反射損耗吸收損耗電磁波通過介質(zhì)時(shí)，其幅度一指數(shù)方式衰減，這種衰減表示為式中，E、H為入射波在介質(zhì)內(nèi)l距離處的場強(qiáng)；δ為集膚深度，可表示為式中，μ為磁導(dǎo)率，σ為電導(dǎo)率§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（4）屏蔽設(shè)計(jì)場的反射損耗為：式中，Zw為波阻抗，Zs為屏蔽阻抗金屬體的屏蔽阻抗為遠(yuǎn)場（平面波）波阻抗等于自由空間的特性阻抗Z0（377Ω），則§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（4）屏蔽設(shè)計(jì)結(jié)論：低頻平面波的大量衰減是來自反射損耗，在高頻時(shí)的大量衰減是來自吸收損耗。選擇屏蔽材料的原則是，屏蔽電場或遠(yuǎn)場的平面波（輻射場），宜選擇高電導(dǎo)率的材料。低頻磁場的屏蔽，宜選擇高磁導(dǎo)率的材料。應(yīng)注意μ在高頻時(shí)會(huì)降低，且要注意溫度、震動(dòng)等對(duì)μ的影響。屏蔽體最重要的是形成縫隙的地方應(yīng)嚴(yán)格保證緊密接觸，不形成縫隙§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（4）屏蔽設(shè)計(jì)§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（4）屏蔽設(shè)計(jì)

幾乎所有生物放大器的前置級(jí)都加裝屏蔽，這在減小干擾有十分明顯的效果。屏蔽罩接地的原則是確保屏蔽罩的電位與放大器輸入回路的地電位相等。§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（5）其他抑制干擾的措施a、隔離

用隔離的方法使兩部分電路互相獨(dú)立，不成回路，從而切斷從一個(gè)電路進(jìn)入另一個(gè)電路的干擾的通路。通常在生物信號(hào)測量中，電源采用浮地，信號(hào)采用光電耦合或變壓器耦合實(shí)現(xiàn)隔離。§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（5）其他抑制干擾的措施b、去耦

為了去除電源線中的干擾經(jīng)傳導(dǎo)耦合進(jìn)入測量系統(tǒng)，可用RC或RL濾波環(huán)節(jié)消除直流電源因負(fù)載變化引起的干擾。§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（5）其他抑制干擾的措施d、系統(tǒng)內(nèi)部干擾的抑制醫(yī)學(xué)設(shè)備內(nèi)部的各種繼電器、接觸器、電動(dòng)機(jī)等有接點(diǎn)的器件和設(shè)備開啟和閉合，產(chǎn)生瞬時(shí)擊穿，造成高頻輻射和引起電源電壓、電流的沖擊，這種干擾的抑制是電磁兼容性的一個(gè)重要任務(wù)。c、濾波通常采用專用的電源濾波器，在安裝時(shí)要確保濾波器外殼接地良好，并且使輸入輸出嚴(yán)格隔離以防止輸入輸出之間的耦合?！?.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（5）其他抑制干擾的措施d、系統(tǒng)內(nèi)部干擾的抑制§2.1人體電子測量中的電磁干擾——III合理接地與屏蔽（5）其他抑制干擾的措施d、系統(tǒng)內(nèi)部干擾的抑制§2.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲噪聲——測量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、材料、部件的物理因素產(chǎn)生的固有的自然擾動(dòng)稱為噪聲（電壓或電流）。系統(tǒng)內(nèi)部噪聲往往成為測量精度的限制性因素。測試系統(tǒng)的噪聲不可能完全被消除，但是通過對(duì)噪聲過程的分析，進(jìn)行合理的低噪聲設(shè)計(jì)，可以使噪聲降到最低限度，從而使信號(hào)在傳輸過程中保持較高的質(zhì)量?！?.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲噪聲電壓或電流是隨機(jī)的，服從于一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。噪聲的基本特性可以用統(tǒng)計(jì)平均量來描述：均方值——噪聲的強(qiáng)度概率密度——噪聲在幅度域里的分布密度功率譜密度——噪聲在頻域里的特性§2.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲噪聲可以用功率譜表示它的頻域特性。噪聲電壓或電流的均方值是它在1Ω電阻上產(chǎn)生的平均功率P，即式中，S(f)為功率譜密度，它表示單位頻帶內(nèi)噪聲功率隨頻率的變化。白噪聲：噪聲具有恒定的功率譜密度，即S(f)為一常數(shù)。有色噪聲：S(f)不為常數(shù)。功率譜密度單位：w/Hz§2.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中，主要的噪聲類型是：

1/f噪聲（閃爍噪聲）熱噪聲散粒噪聲§2.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲1/f噪聲（閃爍噪聲）

1/f噪聲（閃爍噪聲）當(dāng)取α=1時(shí)，1/f噪聲的功率譜密度S(f)可表示為K為f等于1Hz時(shí)的譜密度值，是由具體器件決定的常數(shù)§2.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲熱噪聲熱噪聲是由導(dǎo)體中載流子的隨即熱運(yùn)動(dòng)引起的。電阻R中的熱噪聲電壓均方值為式中，k為波爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K，T為絕對(duì)溫度，Δf為測量系統(tǒng)的頻帶寬度。熱噪聲的譜密度S(f)為可見，熱噪聲的功率譜密度與工作頻率f無關(guān)，屬于白噪聲§2.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲描述放大器噪聲性能的參數(shù)對(duì)測量系統(tǒng)的噪聲性能的要求，主要集中在信號(hào)提取放大部分。提取放大的信號(hào)的質(zhì)量，用信號(hào)幅度與噪聲均方根值得比-----信噪比(SNR)來描述§2.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲描述放大器噪聲性能的參數(shù)噪聲系數(shù)F的定義為Ni為源電阻的噪聲功率，Si/So為放大器功率增益的倒數(shù)。P49:例題2-2，2-3§2.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電阻的噪聲電阻元件R可以等效成一個(gè)無噪聲的電阻R和一個(gè)噪聲電壓源相串聯(lián)，或無噪聲電阻R和噪聲電流源相并聯(lián)。如圖2-32所示，pp51電容的噪聲電阻電容器實(shí)際存在介質(zhì)損耗，機(jī)電容器的漏電，相當(dāng)于理想電容器兩端并聯(lián)一個(gè)電阻Rp。電容器的質(zhì)量通常用損耗角δ表示:漏電小的電容器Rp很大、δ很小?！?.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲場效應(yīng)管的噪聲（三種）溝道熱噪聲用與溝道并聯(lián)的噪聲電流源表示為用與溝道串聯(lián)的噪聲電壓源表示為式中，gm為場效應(yīng)管的跨導(dǎo)§2.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲場效應(yīng)管的噪聲（三種）柵極散粒噪聲由柵極泄漏電流或耗盡層電阻、空穴的運(yùn)動(dòng)等各種因素所造成。等效為散粒噪聲電流源為式中，q為電子電荷；IG為柵極漏電流?！?.2電磁干擾與系統(tǒng)噪聲場效應(yīng)