医学电子学 (4)

通带和阻带：把能够通过的信号频率范围叫做通带，把 受阻或衰减的信号频率范围叫做阻带。 截止频率：把通带和阻带的界限频率叫做截止频率。 理想滤波器：在通带频率范围内，输入信号没有任何衰 减（即零衰减），输出信号和输入信号相位相同；在阻带 频率范围内，输入信号完全被衰减（即无限大衰减）。理 想滤波器实际上是做不出来的。
0.707
称为下限截止频率fL， 最高频
率f 称为上限截止频率fH。 通频带宽度：BW= fH－fL
0 fL
fH f
电压传递函数特性
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品质因数(Quality factor)Q：是描述电路的重要参量，品质 因数Q值等于中心角频率与通带宽度BW之比。 Q值愈大， 电路的选择性愈佳。
(+) R (+) _
ui
u
(-) u
(-)
ui
R1
u
_
u0
u
u0
(-)
Rf
Rf
R2
（a）
（b）
分析：(a) 在放大器输入端假设输入信号在某一瞬时对地 的极性为“＋”，由于信号从反相输入端输入，则输出端 信号对地极性为“－”，经过反馈电阻Rf得到的反馈信号 极性为“－”，如图所示。因输入信号和反馈信号不在同 一节点引入，两信号极性相反，所以为正反馈。
功能：滤除高频成分，消除高频干扰。
电路：如图 相频、幅频关系： 电压传递函数为
Ui R
U0
C
Tf
UCf Uif
1
1 (2fRC )2
cosC
低通滤波电路
tgC 2fRC
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滤波特点：
Tf
UCf U if
1
1 (2fRC )2
cosC
tgC
2fRC
➢当f0时，Tf=1，C =0。说明电
URf U if
2fRC 1 (2fRC )2
cosR
tg R
1
2fRC
➢当f0时，即低频，Tf=URf/USf≈0，
R≈/2 。说明电路对f=0的直流信号
全部衰减，低频信号很难通过，且输
出信号超前输入信号/2。
Tf 1
0.707
➢当f∞时，即高频，Tf=URf/USf≈1，
0 fL
f
R≈0 。说明高频信号易通过，且f
ZC=U/I=Um/Im=1/2f C ，△UI=－/2
❖电感：电感器通过稳定的正弦交流电时，电流在位相上 落后电压/2，其电压与电流的幅值（或有效值）之比称 为感抗。即
ZL=U/I=Um/Im=2f L ， △UI= /2
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②高通滤波电路 (High-pass filter circuit) ： 让某一频率以上的信号分量通过，而对该频率以下的信
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1
1.生物电信号(Biological electrical signals)
①生物信号的定义：携带生物信息的信号。 生物电信号：如心电、脑电、肌电等
分类： 非生物电信号：如体温、血压、呼吸等
注意：生物电信号用电极采集，非生物电信号的采集需
要合适传感器将其转换成电信号。 ②生物电信号的特点：
低通（LPF）：用于工作信号为低 1
过渡带
频（或直流），并且需要削弱高次谐
波或频率较高的干扰和噪声等场合— —整流后滤波。 高通（HPF）：用于信号处于高频，
通带
阻带 f
0
fH
Tf 实际 理想
ຫໍສະໝຸດ Baidu
并且需要削弱低频的场合——阻容放 1
大器的耦合。
阻带 通带
f
实际滤波器的通带和阻带之间存 0 fL
在一定频率范围的过渡带。过渡带越 窄，频率特性越陡峭，
0
f2
f1
f
Tf
带通 互补 带阻
通带 阻带 通带
0
f1
f2
f
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3.常用滤波电路（Filter circuit）
①电抗元件 电阻：电阻器上的电压与电流的位相相同，其幅值（有 效 值）之比即是电阻。 即
R=U/I=Um/Im，△UI=0
电容：电容器通过稳定的正弦交流电时，电流在位相上 超前电压/2，其电压与电流的幅值（或有效值）之比称 为容抗。即
反馈信号
基本放大 电路 A
反馈网络 F
x0
信号的反向传输
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2
2.反馈的分类： ①按照反馈极性可分为正反馈和负反馈。 正反馈：在输入量不变时，反馈信号使放大电路净输入信 号增加，从而使放大电路的输出信号比没有反馈时增大。 负反馈：在输入量不变时，反馈信号使放大电路净输入信 号减少，从而使放大电路的输出信号比没有反馈时减小。
号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。
功能：滤除直流和低频成分，消除低频干扰。
电路：如图
相频、幅频关系： 电压传递函数为
Ui C
U0
R
Tf
URf U if
2fRC cos
1 (2fRC )2
R
高通滤波电路
tg R
1
2fRC
相频特性
幅频特性
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8
滤波特点：
Tf
电压传递函数特性
愈高愈易通过，输出与输入相位相同。
➢当f=fL=1/2RC时，Tf ≈ 0.707，R≈/4。此时的f称为下限截
止频率，输出为输入的70.7%，输出超前输入/4。
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③低通滤波电路(Low-pass filter circuit)：
让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信 号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合裝置。
4.1 生物医学信号的特点 4.2 常用滤波电路 4.3 负反馈放大电路 4.4 直流放大器 *4.5 功率放大器
内容简介 小结
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内容简介
本章主要讲述生物电信号特点、常 用的几种滤波电路及生物医学仪器中常 用的几种放大电路。重点掌握负反馈放 大电路和直流放大电路的工作原理及特 点；正确理解功率放大电路的组成原则， 了解功放管的选择方法。
果两支路传出的电压正好幅度相等，位相相反，则输出电压
为零。从而使这个中间频率成分的信号被衰减无法通过，这
个中间频率叫做陷波频率。
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其中间频率f0和Q值分别由下式决定：
f0
fH
fL
1
2RC
,
Q fH fL 1 fH fL 4
应用： 在生物医学放大器中常用来滤除50Hz的市电干扰。
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1
一.反馈的概念和分类
1．反馈(feedback)的概念：
指将系统的输出量（电压基本或放电大流电）路的的输一入部分或全部，通
过一反定馈的放方大电式路送回到输入端信，号并（对净输输入入信和号输）出造成一定影响
的过程的输。入信号
信号的正向传输
输出信号
xi × xid _ xf
Q fH fL fH fL
➢ 当Q值低时，电路的选频本领小，即允许较宽频带范围的信号通
过，称为宽带滤波。对于生物医学放大器中经常遇到数千赫以下的 低频信号，用电阻和电容就可以构成带通滤波电路，最简单的低频 宽带(低Q值)滤波器可由前述的高通和低通滤波器组合而成。
➢ 当Q值高时，此电路也称选频电路，即只允许较窄频带范围的信
号通过，称为窄带滤波。对于数兆赫以上高频信号，只有用电阻、 电容和电感结合起来才能构成高频窄带(高Q值)滤波器；而对于生 物医学信号只有电阻、电容和放大器结合起来，才能构成低频窄带 (高Q值)滤波器，称为有源滤波器。
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13
⑤带阻滤波电路(Band elimination filter circuit)：
路对f=0的直流信号完全无衰减全部
Tf 1
通过，且输出与输入位相相同。
0.707
➢当f∞时，Tf 0，C≈－/2。说
明高频信号几乎被全部衰减，输出
信号滞后输入信号/2 。
0
fH f
电压传递函数特性
➢当f=fH=1/2RC时，Tf ≈ 0.707，C≈－/4。此时的f 称为上
限截止频率，输出为输入的70.7%，输出信号滞后输入信号
信号源输出阻抗高(信号源内阻大)：信号源内阻是 指电极及其与人体组织接触电阻，例如：研究单个细 胞电活动用的微电极，阻抗高达数兆欧。
信噪比较低：由于生物体内各种无规律的电活动， 在生物体中形成噪声，有些生物电信号被更强的噪声 所淹没。
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3
2.生物医学放大器的特点
由于生物医学信号频率较低且频带较宽、阻抗较高且幅 度较低和信噪比较小的特点，选用放大器有如下要求：
频率低：生物电信号的频带主要在低频和超低频范 围内。如脑电信号的频带集中在0.5Hz至100Hz范围； 心电信号的频带在0.05Hz至100Hz；肌电信号的频带 为10Hz至2KHz。
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2
②生物电信号特点 幅度小：生物电信号的幅度较小，只有毫伏级甚至
微伏级。如脑电信号在几微伏到几百微伏变化，肌电 信号在几微伏到几千微伏变化。
电压传递函数特性
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品质因数：
Q fH fL fH fL
高Q值的带通或带阻滤波电路称为选频电路，高Q值的带 阻滤波电路又称为陷波电路。
⑥双T选频电路：
R
R
双T选频电路是一种最常 Ui C
C
U0
见的带阻滤波电路，它是由 高通和低通滤波电路组合而 成的。
R
2
2C
双T选频滤波电路
高放大倍数，同时要求放大倍数精确而稳定 高输入阻抗，同时应克服市电干扰 高共模抑制比 低噪声 低漂移 合适的频带
3.非生物电信号(略)
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1
1.基本概念
滤波器（filter）：是一种能使有用频率信号通过而同时 抑制或衰减无用频率信号的电子装置。滤波器主要用来滤 除信号中无用的频率成分。工程技术上用它来作信号处理、 数据传送和抑制干扰等。
3
其具体判别方法为： 当输入信号和反馈信号不在同一节点引入时，若两瞬时极
性相同，则为负反馈，若两极性相反，则为正反馈。 当输入信号和反馈信号在同一节点引入时，若两瞬时极性
相同，则为正反馈，若两极性相反，则为负反馈。
X i
X i
X f
X f
X i X f
X i X f
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4
例1：判断下列反馈是正反馈还是负反馈。
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2
1.基本概念
例如: 有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成 分的干扰。滤波过程如图所示：
LPF
滤波过程图
2.滤波电路的分类
①按所处理信号分： 模拟和数字滤波器 ②按所用元件分：无源和有源滤波器
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3
2.滤波电路的分类
③按滤波特性分：
Tf 实际 理想
全通（APF）：电路中没有阻带，它的通带是从零到无 穷大。
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5
? 思考题
右图所示为低通、高通、带通、带 阻滤波器的理想幅频特性。请仔细 观察，试找出它们之间的关系，并 以此指出设计各种滤波器的途径。
低通
互偶
高通
串联 并联
Tf
通带
阻带
0
f1
f
Tf
阻带
通带
0
f2
f
Tf
阻带 通带 阻带
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陷波原理：
R
由图可知，低频信号从上 Ui C 通道传输，高频信号从下通道
R
C
U0
传输。对于信号中的中间频率 成分，上通道的前半部分构成
R
2
2C
低通滤波，传输电压落后，下
双T选频滤波电路
通道的前半部分构成高通滤波，传输电压超前，再分别经过
电阻和电容传输，位相差更大。对于某个适当中间频率，如
－/4。
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④带通滤波电路(Bandpass filter circuit) ：
让限定的频带之内的信号分量通过，而对该频带之外的 信号分量大大抑制的滤波器。
功能：用于突出有用频段的信号，削弱其它频段的信号 或干扰和噪声。
滤波特点：
Tf
当Tf ≈0.707时，最低频率f
1
正负反馈判别： “瞬时极性法” 在放大器输入端假设输入信号在某一瞬时对地的极性为正 或负（+或－），然后根据放大器各级电路输入端与输出端 信号间的相位关系（同相或反相），标出电路各点的瞬时极 性，再得到反馈端信号的极性，最后通过比较反馈端与输入 端信号的极性来判断电路的净输入信号是加强还是减弱。
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让限定频带之外的信号分量通过，而对该频带之内的信 号分量大大抑制的滤波器。
功能：衰减某个频带范围内的信 号，使其它频率信号成 分无衰减、无相移通过。
滤波特点：
Tf
1
当Tf ≈0.707时，最低频率f 0.707
称为下限截止频率fL， 最高频
率f 称为上限截止频率fH。
0
fL
fH
f
阻带宽度：BW= fH－fL
越接近理想滤波器的特性，电路的选择性越好，滤波特性
越好。
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4
带通（BPF）：用于突出有用频段的信号，削弱其它频 段的信号或干扰和噪声——载波通信。
Tf
理想
Tf 实际 理想
Tf
1
实际 1
1
f
f
0
fL f0 fH
0
fL f0 fH
0
通带
f
带阻（BEF）：抑制一定频段内的信号，允许该频段以 外的信号通过，主要用于抑制干扰。