现代医学电子仪器原理与设计课程第二版-第二章.ppt

复习总结第一章：概述l医用电子仪器；l医学仪器的结构各工作方式；l主要技术特性；l医学仪器的特殊性；l生理系统的建模；l医学仪器设计原则与步骤 第二章 生物信息测量中的噪声和干扰 l噪声：内部噪声（人体内部、测试设备内部噪 声）；l干扰：外部干扰l生物信息的基本特征：微弱的低频信号。（医用仪器的特殊性噪声特性）。l微弱信号需要较大的放大倍数；（同样噪声也被放大）；l低频特性50Hz工频干扰几乎落在所有生物电信号怕频带范围内；l生物体本身属良导体，而且“目标”大，难以屏蔽，很容易受外部干扰。尤其是50Hz工频干扰为所有生物体所携带。生物信息测量系统的主要噪声和干扰：生物信息测量系统的主要噪声和干扰：生物信息测量中测量系统对外界干扰十分敏感，其原因：第一节 人体电子测量系统中的电磁干扰 1 1干扰的引入干扰的引入 干扰形成的三个条件：干扰形成的三个条件：干扰源干扰源、耦合通道耦合通道（即引（即引入方式）与入方式）与敏感电路敏感电路（即接收电路）。（即接收电路）。a)a)干扰源：能产生一定的电磁能量而影响周围电路干扰源：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。正常工作的物体或设备。干扰源 耦合通道 敏感电路 b)干扰耦合途径 I.传导耦合：经导线传播把干扰引入测试系统。传导耦合：经导线传播把干扰引入测试系统。如：交流电源线、测试系统中的长线如：交流电源线、测试系统中的长线 。II.经公共阻抗耦合：经公共阻抗耦合：前置级电路I电路IIVc1VcsRceRcsIII.III.电场和磁场耦合电场和磁场耦合 l近场：远场：电磁波波长l电场干扰：主要以电容耦合引入。l磁场干扰：主要以电感性耦合引入干扰。l近场干扰：近场300m 近场10km。IV.近场感应耦合U1sCC2C1RCC2C1RU2sU1s（1）电容性耦合：敏感电路的影响与干扰源的频率无关。干扰在大小正比于C、R，且与干扰源的频率有关。c).干扰电压与频率的关系 U2s减小电容耦合的方法：采用屏蔽导线。（2 2）电感性耦合）电感性耦合磁耦合磁耦合I1R1RR2M12M12RR2I1R1减小电感耦合的方法：远离干扰源；远离干扰源；尽量减小耦合通路；尽量减小耦合通路；采用双绞线：采用双绞线：感应侧被感应侧V.生物电测量中电场的容性耦合Cd1Cd2电源馈线（1 1）导联线形成容性耦合（图）导联线形成容性耦合（图2 21212）C1电源馈线C2Z1Z2ZG(2)(2)人体表面形成电容性耦合（图人体表面形成电容性耦合（图2-132-13）人体内位移电流通过右腿接地电阻人体内位移电流通过右腿接地电阻ZGZG产生共模产生共模干扰，在理想情况下，共模干扰通过系统的高共干扰，在理想情况下，共模干扰通过系统的高共模抑制比被克服。模抑制比被克服。Cd1Cd2电源馈线Z1Z2ZGZ1Z2ZGIdZinZinVI.生物电测量中磁场的电感性耦合(图2-14)在人体和测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：2合理接地与屏蔽 u合理接地是抑制干扰的主要方法，把接地和屏蔽正确地结合使用能解决大部分干扰问题。另一方面，在生物医学测量中，从安全的角度考虑，合理的良好接地也是时分重要的。（一）合理接地u系统中的接地分为两类：一类是安全接地，称为保护接地；一类是工作接地，即对信号电压设立基准电位。u保护地线必须是大地电位，而工作接地可以设计为大地电位，也可以不是大地电位。本节主要介绍工作接地。安全接地（第八章）1.工作接地u接地设计应考虑到所有导线都具有一定的阻抗，高频时导线表面呈现一定电抗，其值甚至超过导线电阻；交流电源的地线不能用作信号地线，一段电源地线两点间会达到数百毫伏甚至几伏的电压，对电平电路（如生物信号放大器的前置级）来说，这已是非常大的干扰。为了安全，电源线接地线一般采用一点接地方式电路1电路2电路3R1R2R3I1I2I3（a）一点接地串联形式ABC电路1电路2电路3R1R2R3I1I2I3（b）一点接地并联形式ABC并联方式的一点接地，由于各电路之间形成耦合而不适用于高频。电路1电路2电路3I1I2I3R1R2R3L1L2L3图2-16 高频电路的多点接地高频时要考虑地线的感抗和各地线之间的电感耦合，以及地线之间的分布电容在地线相互间形成耦合。如图所示：电路中所用的地线分别连到最近的低阻抗地线排上，地线排一般用大面积的镀银铜皮，但要注意，由于高频时的集肤效应，增加铜皮的厚度并不能减小接地阻抗。系统中至少要有三个分开的地线：系统中至少要有三个分开的地线：三套地线分别自成系统，最后汇集于接地母线。三套地线分别自成系统，最后汇集于接地母线。2.敏感回路的接地设计图2-18 输入回路两点接地形成干扰（二）屏蔽效果（二）屏蔽效果屏蔽屏蔽：泛指在两个空间区域加以金属隔离，用以：泛指在两个空间区域加以金属隔离，用以控制从一个区域到另一个区域电场或磁场的传播。控制从一个区域到另一个区域电场或磁场的传播。3其它抑制干扰的措施第二节 测试系统的噪声噪声：系统内部噪声(为与外部干扰相区分)测量系统内部由器件、材料、部件的物理测量系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的扰动称为噪声。因素产生的扰动称为噪声。可见噪声是电路内部固有的，不能用诸如屏噪声是电路内部固有的，不能用诸如屏蔽、接地等方法予以消除。蔽、接地等方法予以消除。测量某一生理参量时，其它生理信号的干扰也称为噪声。测试系统内部的噪声不可能完全消除，但通过对噪声过程的分析，进行合理的低噪声电路设计，可使噪声降低到最低限度。1噪声的一般性质噪声的一般性质噪声电压、电流是随机的。噪声电压、电流是随机的。随机过程随机过程：不能用一个确定的时间函数来描述。服从一定的统计规律。噪声电压概率密度噪声电压概率密度P(u)：噪声电压在某一范围内的概率。与时间t无关。热噪声和散粒噪声电压热噪声和散粒噪声电压u(t)(或噪声电流或噪声电流)概率概率密度服从高斯密度服从高斯(正态正态)分布：分布：噪声服从一定的统计规律,无法用频谱描述,而用功率谱表示它的频域特性。2生物医学测量中的主要噪声类型生物医学测量中的主要噪声类型（一）1/f噪声：低频、超低频噪声，两种材料不完全接触，或两个导体连接的地方产生。（二）热噪声(约翰逊噪声或乃奎斯特噪声)：由导体中载流子的随机热运动引起的。（三）散粒噪声：半导体中载流子产生与消失，引起电流瞬时涨落引起的噪声。3描述放大器噪声性能的参数描述放大器噪声性能的参数（一）Un、In参数放大器内所有噪声源贡献的噪声，用与输入端串放大器内所有噪声源贡献的噪声，用与输入端串联的阻抗为零的噪声电压发生器联的阻抗为零的噪声电压发生器UnUn和与输入端并和与输入端并联的阻抗为无穷大的噪声电流联的阻抗为无穷大的噪声电流InIn以及二者的相关系以及二者的相关系数数C C来表示。来表示。设Un、In不相关，即C0，则输出电压的均方值为不：放大器噪声性能指示：输入端短路时放大器的固有噪声Un。（二）噪声系数分子、分母同除以放大器功率增益：调整信号源电阻使噪声系数最小，称为电路的噪声匹配UniUnsUniRsoRsIn RSUn图2-30 总输入噪声电压Uni与源电阻Rs的关系由图可知，当Rs=Rso=Un/In时，放大器噪声对源电阻的热噪声之比为最小；但当Rs=0时，放大器总的等效输入噪声最小；在Rs低于Rso的一个范围内，Uni为常数，放大器以Un为主要噪声源；当源电阻超过Rso较大时，InRs成为主要噪声源。（三）多级放大器的噪声（三）多级放大器的噪声 两级放大后总输出噪声功率由三部分组成：4器件的噪声器件的噪声第三节 低噪声放大器设计1噪声性能指标噪声性能指标u低噪声设计的目的是把总输入噪声减小到最低程度。u通常为了统一，用输入端短路时放大器的固有噪声Uni作为放大器的噪声性能指标。u由图2-30可知，总等效输入噪声Uni对信号源内阻Rs的依赖关系。在Rso附近，总输入噪声略大于内阻热噪声。使源电阻为Rso，是理想的低噪声设计方案。调节Rs或使Un/In比值在已知的Rs附近，称为噪声匹配。2放大器的低噪声设计AnA1A2RsUsUn1In1Un2In2UnnInn低噪声设计原则低噪声设计原则：u应使第二级的等效输入噪声与第一级的噪声相比很小，即第一级输出阻抗要低。u第一级增益设计应尽可能高。