生物信息測量中的噪聲

生物信息測量中的噪聲第1頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物信息測量中的噪聲和干擾高靈敏度良導(dǎo)體為什么要研究噪聲和干擾？外界干擾第2頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物信息測量中的噪聲和干擾學(xué)習(xí)方法：分析噪聲和干擾的產(chǎn)生教學(xué)目的： 通過分析生物信息測量中的噪聲和干擾，得到生物信息測量系統(tǒng)的強(qiáng)抗干擾能力和低噪聲電子設(shè)計方法。了解噪聲和干擾進(jìn)入的途徑找尋抑制干擾和降低噪聲的方法第3頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六幾個基本概念：干擾：能夠采取防護(hù)措施消除或控制的無用信號稱為干擾。噪聲：把電子元件中帶電質(zhì)子雜亂波動所引起的難以完全控制或消除的無用信號稱為噪聲。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。生物信息測量中的噪聲和干擾第4頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六幾個常用專業(yè)詞匯EMC（Electro-MagneticCompatibility）電磁兼容性：指設(shè)備或系統(tǒng)在其運(yùn)行電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并且不對其環(huán)境中的任何其它設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。EMI（Electro-MagneticInterference）電磁干擾性：指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾。

EMS（Electro-MagneticSusceptibility)電磁敏感性。指設(shè)備對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即設(shè)備抵御外界干擾的能力。第5頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六第一節(jié)人體電子測量中的電磁干擾一.干擾的類型：磁場干擾源：自然界的宇宙射線、太陽輻射、太陽黑子產(chǎn)生的周期電擾動等。電場干擾源：發(fā)動機(jī)點(diǎn)火、繼電器觸點(diǎn)的開閉、旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電刷火花、電容電感的過渡過程的瞬變電壓、瞬變電流等。高頻電磁場干擾源：無線電廣播、電視、雷達(dá)等所傳播的電磁能。第6頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物信號及干擾源的頻率分布ECG心電EEG腦電EMG肌電EOG眼電ENG眼震顫電圖ERG視網(wǎng)膜PCG心音VEP視覺誘發(fā)SEP大腦體感誘發(fā)電位AEP聽覺誘發(fā)電位0.11101001K10K100K1M10M100M1G雷電電刷火化燈管放電無線電宇宙噪聲醫(yī)用遙測高頻治療、超聲診斷、手術(shù)電刀、電療第7頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六人體電子測量中的電磁干擾二.干擾耦合途徑：

直接途徑間接途徑電容性耦合電感性耦合傳導(dǎo)耦合經(jīng)公共阻抗耦合第8頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六干擾耦合的途徑傳導(dǎo)耦合：經(jīng)導(dǎo)線傳播把干擾引入測試系統(tǒng)市電干擾生理信號醫(yī)學(xué)儀器第9頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六干擾耦合的途徑經(jīng)公共阻抗耦合：電流流經(jīng)公共阻抗形成壓降造成干擾。前置級電路一電路二RceRcsVcsVcl第10頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六干擾耦合的途徑電容性耦合（電場）：一個導(dǎo)體上的電壓或干擾成分通過分布電容使其他導(dǎo)體上的電位受到影響。ABZ1Z2ZGID1ID2ID1+ID2GC1C2干擾源導(dǎo)聯(lián)線的容性耦合ABZ1Z2ZGGC1干擾源人體表面的容性耦合第11頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六干擾耦合的途徑電感性耦合（磁場）：系統(tǒng)內(nèi)部（外部）干擾電流產(chǎn)生的磁通隨時間變化而在系統(tǒng)內(nèi)部形成干擾電壓。ABZ1Z2ID1ID2干擾源I引線環(huán)路面積引線環(huán)路面積干擾源I電極引線的環(huán)路面積引入的干擾第12頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六總結(jié)大電流、低電壓的情況小電流、高電壓的情況I干擾源導(dǎo)線導(dǎo)線IU電容性耦合（電場）電感性耦合（磁場）干擾源第13頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六抑制干擾的方法隔離去藕濾波耗能電路抑制直接途徑的干擾：抑制間接途徑的干擾：合理接地屏蔽第14頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六抑制直接途徑的干擾隔離：信號在傳遞過程中，沒有直接的電路上的聯(lián)系，而是通過電磁耦合或光電耦合進(jìn)行傳遞。光電耦合隔離放大調(diào)制解調(diào)前極后極變壓器耦合隔離IinVcc第15頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六血液透析復(fù)用機(jī)的電源部分第16頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六光電耦合光電耦合的特點(diǎn)：1.實際是電流控制器件，只有通過一定電流才能發(fā)光。2.具有良好的線性和一定的轉(zhuǎn)換速度，既可以作為模擬信號的轉(zhuǎn)換，也可以作為數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。3.輸入阻抗很低，輸入/輸出間的電容很小，絕緣電阻又非常大。4.密封在管殼內(nèi)，不受外界影響。

5.可以實現(xiàn)與TTL電路的兼容。第17頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六光電耦合器件的種類：光電二極管耦合光電晶體管耦合達(dá)林頓光電晶體管耦合VccVccUiU0RFR1RLA2RRi單極光電耦合光電耦合器件的工作條件：第18頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六過零檢測的可控硅驅(qū)動光耦高速、邏輯門驅(qū)動光耦達(dá)林頓驅(qū)動的驅(qū)動光耦大電流輸出MOSFET驅(qū)動的光耦第19頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六ECG前置級光電耦合電路第20頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六隔離法在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用前級后級前后級隔離輸入、輸出隔離第21頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)字信號的光電隔離前置放大主放大ADC耦合級浮地電源ui第22頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六第23頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六抑制直接途徑的干擾去藕：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)，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。電源去藕防止級間藕合+VCC第一級放大第二級放大RCC第24頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六抑制直接途徑的干擾濾波：為了去除電網(wǎng)中的干擾，可以用低通濾波器，消除頻率較高的干擾，對于50Hz交流電的市電干擾，可用50Hz陷波電路進(jìn)行消除。RCRC無源濾波器有源濾波器第25頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六貝塞爾低通濾波器巴特沃茲低通濾波器適合生理信號放大的有源濾波器電路第26頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六中級放大信號45K45K45K0.068u0.068u0.068u0.068u50Hz干擾抑制雙T有源陷波器第27頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六文氏橋式陷波器634K634K634K0.0047u0.0047uV1V2634K第28頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六抑制直接途徑的干擾耗能電路：耗能電路主要抑制醫(yī)學(xué)儀器內(nèi)部的各種繼電器、接觸器、電動機(jī)等有接觸點(diǎn)的開啟和閉合產(chǎn)生瞬時擊穿，造成高頻輻射和引起電源電壓、電流沖擊的干擾。RLCRLRCLR支路交直流耗能電路RC支路交直流耗能電路RC支路接點(diǎn)保護(hù)電路LDLRDLDD支路直流耗能電路RD支路直流耗能電路D支路接點(diǎn)保護(hù)電路第29頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六抑制間接途徑的干擾措施之一合理接地：接地指印刷板上的局部電路中和測試系統(tǒng)整機(jī)中地線的布置。合理接地是抑制干擾的主要方法。

安全接地（保護(hù)接地）工作接地第30頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量中的安全接地第三級等電位接地中線接地，另外再配備一條接地線，負(fù)載接地與其相連。把儀器周圍的所有導(dǎo)電部分和儀器外殼連接在一起，形成等電位。在人體與儀器接觸時實現(xiàn)與人體并聯(lián)小電阻或串聯(lián)大電阻；或在基礎(chǔ)絕緣的外邊，再加上一層絕緣；或通過過流保護(hù)和漏電切換電路實施保護(hù)為什么?第一級電源接地

第二級保護(hù)接地第31頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六中線火線地線儀器安全接地之一——電源接地N儀器N儀器N分別保護(hù)接地兼用方式保護(hù)接地××√第32頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六儀器小電阻儀器大電阻儀器基礎(chǔ)絕緣安全接地之二——保護(hù)接地第33頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六abABiABRabABiiAiB分別接地公共接地abABi正確的一點(diǎn)接地安全接地之三——等電位接地第34頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量中的工作接地工作接地：即對信號電壓設(shè)立基準(zhǔn)電位。工作地線可以設(shè)計為大地地線，也可以不是大地地線工作接地的工作方式： 一點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地工作接地的主要分類： 低電平信號地線

功率地線

機(jī)殼地線第35頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六電路1電路2電路3I1I2I3R1R2R3ABC電路1電路2電路3I3R1R2R3ABCI1I2I3電路1電路2電路3R1R2R3L1L2L3哪一種接地最好？工作接地第36頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六工作接地工作接地方式：高頻信號的多點(diǎn)接地低頻信號的一點(diǎn)接地一般說來1MHz以下可以采用一點(diǎn)接地，頻率高于10MHz時應(yīng)采用多點(diǎn)接地。在1MHz至10MHz范圍，如用一點(diǎn)接地，其地線長度不得超過波長的1/20，否則應(yīng)多點(diǎn)接地。第37頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六低頻測量系統(tǒng)的綜合接地信號地線功率及機(jī)殼地線接口電路數(shù)控電路電動機(jī)及控制電路電源電源地線讀出放大器寫入放大器第38頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六ABZ1Z2ID1ID2心電信號采集過程中工作接地分析實例△V為什么測量心電時要睡在床上？▽V=95mv▽V=0.095μv第39頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六抑制間接途徑的干擾措施之二屏蔽：所謂屏蔽，泛指在兩個空間區(qū)域加以金屬隔離，用以控制從一個區(qū)域到另一個區(qū)域電場或磁場的傳播。屏蔽包括主動屏蔽和被動屏蔽。干擾源無內(nèi)場主動屏蔽被動屏蔽+v傳導(dǎo)屏蔽第40頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六抑制間接途徑的干擾——屏蔽屏蔽特性：

金屬屏蔽實際是對電磁波的衰減。一是從金屬表面反射回來，稱之為反射損耗；二是穿過金屬層并被衰減，稱之為吸收損耗。電場干擾磁場干擾第41頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六把巨大的金屬網(wǎng)安裝在絕緣座上﹐當(dāng)給籠壁加上高電壓時﹐籠內(nèi)的電場處處為零﹐所以在籠內(nèi)的人十分安全。另外將籠子接地﹐也可以使籠外電場為零﹐籠內(nèi)帶電體不影響外界物體。這種籠子既可以保護(hù)它里面的空間不受外界電場影響﹐也可以使籠里帶電體不影響外界物體。電磁屏蔽第42頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六反射損耗特性：

與屏蔽殼體的阻抗特性、電磁場的性質(zhì)及頻率有關(guān)。10-1100101102103f/Hz302575100125150175(dB)10-2銅σ=1.00鋁σ=0.61鋼σ=0.10屏蔽殼體阻抗越低，反

射損耗越大。對于遠(yuǎn)場電磁波，頻率

越低，反射損耗越大。對于近場電磁波，電場

反射損耗高，磁場反射

損耗低。電磁波的波阻抗屏蔽材料的阻抗反射損耗第43頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六吸收損耗特性：與屏蔽殼體的厚度、殼體的材料及電磁場的頻率有關(guān)。0.20.40.60.81.0204060801001.2吸收損耗(dB)進(jìn)入深度102103104105106f/Hz502575100125150175(dB)銅板(厚3mm)鋼板(厚3mm)銅板(厚0.5mm)鋼板(厚0.5mm)吸收損耗集膚深度入射距離(mm)第44頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六抑制間接途徑的干擾遠(yuǎn)場：反射損耗——低頻

衰減損耗——高頻近場：反射損耗——電場

衰減損耗——磁場

選擇屏蔽體材料的原則是：屏蔽電場和遠(yuǎn)場的平面波時，宜選擇銅、鋁、鋼等高導(dǎo)電率材料；低頻磁場的屏蔽，宜選錳合金、磁鋼、鐵等高導(dǎo)磁率材料。第45頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)測量系統(tǒng)的噪聲什么是噪聲？把測量系統(tǒng)內(nèi)部有器件、材料、部件的物理因素產(chǎn)生的自然擾動稱為噪聲。噪聲與干擾的區(qū)別：對于生物醫(yī)學(xué)測量儀器，干擾指測量儀器外部的各種影響因素。噪聲指測量儀器內(nèi)部自身的各種影響因素。第46頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)測量系統(tǒng)的噪聲1.

噪聲的一般性質(zhì)：1）噪聲電壓或噪聲電流是隨機(jī)的，不可能用一個確定的時間函數(shù)來描述，但噪聲服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。2）在幅度域里，能通過表示噪聲過程的概率密度P(u)而得知噪聲電壓落在某一范圍內(nèi)的概率。一般噪聲的概率密度服從高斯（正態(tài)）分布。3）在頻域里，可用單位頻帶內(nèi)噪聲功率隨頻率的變化的功率譜密度來描述。4）噪聲的強(qiáng)度可以用均方根值表示。第47頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)測量系統(tǒng)的噪聲噪聲強(qiáng)度的描述：噪聲電壓或噪聲電流是隨機(jī)的，不可能用一個確定的時間函數(shù)來描述。噪聲的強(qiáng)度可以用均方根值表示。功率譜密度噪聲電壓的均方根值是它在一歐姆電阻上產(chǎn)生的平均功率單位頻帶內(nèi)噪聲功率隨頻率的變化第48頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六均方根值RMS(RootMeanSquare)也稱作有效值，它的計算方法是先平方、再平均、然后開方。均方根值的理解比如幅度為100V而占空比為0.5的方波信號，如果按平均值計算，它的電壓只有50V，而按均方根值計算則有70.71V。

例：一組100伏的電池組帶動10Ω電阻，每次供電10分鐘之后停10分鐘，供電的10分鐘產(chǎn)生10A的電流和1000W的功率，停電時電流和功率為零。那么在20分鐘的一個周期內(nèi)其平均功率為500W，這相當(dāng)于70.71V的直流電向10Ω電阻供電所產(chǎn)生的功率。而50V直流電壓向10Ω電阻供電只能產(chǎn)生250W的功率。第49頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六概率密度的理解0P（u）uu10u8/jpkc/gccsjs/956_web_course_lab/weblab.html第50頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六功率譜的理解

功率譜密度反映信號的頻域結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)和幅值譜相似，但是功率譜密度所反映的是信號幅值的平方，因此其頻域結(jié)構(gòu)特征更為明顯。

粉紅色噪聲：譜密度隨頻率減小而上升。白噪聲：噪聲具有恒定的功率譜密度藍(lán)噪聲：譜密度隨頻率升高而增加。bacS(f)f第51頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)測量系統(tǒng)的噪聲2.生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型：

1/f噪聲（低頻噪聲）熱噪聲散粒噪聲第52頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型什么是1/f噪聲？凡是兩種材料之間不完全接觸，形成起伏的電導(dǎo)率便產(chǎn)生1/f噪聲。1/f噪聲的產(chǎn)生：外部：開關(guān)、繼電器或晶體管、二極管的不良接觸。內(nèi)部：元件內(nèi)部不同材料之間的接觸面或點(diǎn)。如電流流過合成碳質(zhì)電阻的不連續(xù)介質(zhì)。特點(diǎn)：噪聲電壓隨頻率的降低而增加。第53頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型什么是熱噪聲？熱噪聲是由導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動引起的。熱噪聲的產(chǎn)生：導(dǎo)體中電子的隨機(jī)熱運(yùn)動導(dǎo)致導(dǎo)體中出現(xiàn)電流的波動，在每一瞬間，這些波動產(chǎn)生的電流平均值并不為零，從而在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生壓降形成噪聲電壓。特點(diǎn)：熱噪聲屬于白噪聲，其電壓與工作頻帶，電阻阻值及溫度成正比。第54頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型什么是散粒噪聲？在半導(dǎo)體器件中，載流子產(chǎn)生與消失的隨機(jī)性，使得流動著的載流子數(shù)目發(fā)生波動，時多時少，由此而引起電流瞬時漲落。特點(diǎn)：散粒噪聲屬于白噪聲，主要表現(xiàn)為電流噪聲。第55頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型3.

描述放大器噪聲性能的參數(shù)：（1）Un

、In參數(shù)

Un：阻抗為零的噪聲電壓發(fā)生器

In

：阻抗為無窮大的噪聲電流發(fā)生器UnoAUnUnsUSInRSZi串聯(lián)并聯(lián)第56頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型（2）噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是放大器引起的信號質(zhì)量（信噪比）惡化程度的量度。3.

描述放大器噪聲性能的參數(shù)：用分貝表示，噪聲系數(shù)的對數(shù)形式NF為：NF=10lgF第57頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型4.

器件的噪聲：（1）電阻的噪聲

a）電阻中都存在熱噪聲，為主要噪聲。

b）由于電阻的構(gòu)成材料和工藝，有的電阻還存在較大的1/f噪聲，如合成炭膜電阻等。所以：生物電信號提取電路里多采用金屬膜電阻

第58頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型4.

器件的噪聲：（2）電容器的噪聲

a）電容器的漏電，使電容中存在熱噪聲。

b）電容器在工作時，存在1/f噪聲，其影響遠(yuǎn)比熱噪聲大。所以：生物電信號提取電路的大容量電容應(yīng)選擇鉭電解電容。第59頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型4.

器件的噪聲：（3）耦合變壓器的噪聲效應(yīng)

a）變壓器的磁性材料磁化的不連續(xù)性，呈現(xiàn)出磁起伏噪聲。

b）變壓器的耦合作用引入外界的干擾噪聲。所以：采用好的磁性材料，外加良好的磁屏蔽是很重要的。第60頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六（4）場效應(yīng)管的噪聲溝道中多數(shù)載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動產(chǎn)生熱噪聲柵極產(chǎn)生的散粒噪聲不同材料的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生1/f噪聲第61頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型4.

器件的噪聲：（4）場效應(yīng)管的噪聲

a）由于場效應(yīng)管是以多數(shù)載流子形成放大功能，所以存在溝道熱噪聲。

b）柵極的漏電流、空穴的運(yùn)動等各種因素形成了管內(nèi)的散粒噪聲。

c）由于場效應(yīng)管的構(gòu)成，在低頻段，場效應(yīng)管的1/f噪聲將成為主要危害。第62頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六（5）雙極晶體管的噪聲不同材料形成1/f噪聲IB、IC產(chǎn)生散粒噪聲及基區(qū)擴(kuò)散電阻產(chǎn)生的熱噪聲第63頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型4.

器件的噪聲：（5）雙極晶體管的噪聲

a）基區(qū)擴(kuò)散電阻的熱噪聲

b）基極電流和集電極起伏產(chǎn)生的散粒噪聲

c）基極電流流經(jīng)基極-發(fā)射極的耗盡層所產(chǎn)生的1/f噪聲。所以；在低頻段應(yīng)用時，為了減少1/f噪聲，應(yīng)相應(yīng)減少基區(qū)電阻并選擇盡可能低的靜態(tài)工作狀態(tài)。第64頁，共71頁，2023年，2月20日，星期六LM324內(nèi)部結(jié)構(gòu)AD620內(nèi)部結(jié)構(gòu)（6）運(yùn)算放大器的噪聲第65頁，共71頁，2023年，2月20日，星期