生物医学测量的干扰和噪声

第4章 生物医学测量的干扰和噪声
第4章 生物医学测量的干扰和噪声
4.1 人体电子测量的干扰 4.2 噪声和低噪声放大器
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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
本章重点 1. 干扰的引入 2. 抑制电磁场干扰的主要方法 3.噪声的特性、生物医学处理中主要噪声类型 4. 运算放大器噪声性能参数、常用器件噪声 5. 减小噪声系数的措施
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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
4.1 人体电子测量的干扰
生物医学信号的测量的条件是很复杂的，这 包括生物体的电特性和被测对象所处环境的复杂 性。

把这些条件归纳为生物医学测量的干扰和噪 声，其原因为：
1.生物医学信号一般都很微弱，所以测试系统必 须具有较高灵敏度，而灵敏度越高，也就容易 把干扰引入测试系统。

2.交流电工频50Hz干扰落在所有生物电信号频带 范围之内，而50Hz干扰又是处处存在的。

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3.生物体本身属于电的良导体，而且“目标”大，难 以屏蔽，很容易接受外部干扰，尤其是50Hz的干 扰，可以淹没微弱的生物电信号。

™干扰:是用来描述一系统受另一系统的影响而在该 系统中产生误差电压和电流的现象。

外部干扰最严 重的是工频（50Hz）干扰，可以采取合理设计电
路和良好的屏蔽接地等。

™ 噪声是指被测信号中加入的随机扰动，它来自
于测量系统的内部，是由构成测量系统的材料及
元器件所产生的。

噪声不能精确预测，也不能完
全消除，但可以适当加以控制。

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生物医学测量系统的两个显著特征是强干扰 和噪声背景下的微弱信号测量。

生物医学信号的微弱性也使得干扰和噪声问 题更加突出，成为生物医学电子设计时必须予 以优先考虑的问题。

同时，生物医学电子仪器设计所需考虑的
一个重要方面是电磁兼容性（EMC）。

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干扰的引入（三要素） ★干扰源 ★耦合途径 ★接收器（敏感电路）
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一.干扰的引入
干扰源
耦合通道
敏感接收器
1. 干扰源：
干扰源是指：能对测量电路正常工作造成影响 的电磁能量源。

自然界干扰源：电磁干扰，光电干扰，机械干 扰（摩擦起电、导体在磁场中运动、压电效应、震 颤效应）。

50Hz交流电源的干扰与大多数生物电信 号频率重叠，它对测量电路的影响最大。

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外部电磁干扰
电力线
雷电 天体电磁辐射
电台 电视台
交流供电电路
移动 通信 设备
电动机
汽车发动机点火
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表1 典型生物电信号参数
典型参数 心电（ECG） 脑电（EEG） 肌电（EMG）
幅度范围 0.5~5mV 5~300μV 0.1~5mV
频率范围 0.01~250Hz
0~150Hz 20~8000Hz
眼电（EOG）
50~350μV
0~50Hz
胃电（EGG）
10~100μV
0.05~20Hz
皮肤电阻抗（GSR） 0.5~500MΏ
0.1~150Hz
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由图可以看出造成生物电信号提取过程的主要干扰，是近场
50Hz的干扰源，因为各种生物电信号中大都包含有50Hz的频
率成分，而且生物电信号的强度远远小于50Hz的干扰。

近场
50Hz的干扰源，其抑制方法比能量很高的各种电磁辐射干扰
的抑制方法难。

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2. 干扰耦合的途径
干扰耦合引入方式主要包括内部相互耦合和外 部电磁场辐射两种。

内部相互耦合是测量系统本身不同部分造成 互相干扰的电磁环境，解决的方法是进行电磁兼 容性（EMC）设计，即在电子系统之间，实现不互 相干扰、协调共同工作的设计考虑。

外部电磁场辐射的干扰是最常见的干扰，也是 危害严重的干扰。

人体进行生物电测量时周围环境 存在电磁场辐射干扰。

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三种耦合途径
• 传导耦合：通过导体（导线）将干扰噪声耦合进 电路中。

最典型的例子是通过电源线传入电路。

• 公共阻抗耦合：来自不同电路的电流流经一个公 共阻抗时，就会产生公共阻抗干扰耦合。

• 电磁场耦合：只要电荷发生移动，所有的电路元
件、导线都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐 射。

近场时，分别考虑电场和磁场；远场时，电 磁联合辐射。

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电子系统内部不同电路单元之间相互影响 的几种形式
电场耦合 磁场耦合 公共阻抗
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共地阻 抗耦合
共源阻 抗耦合
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C=2PF
AB导线是50Hz的 220V电源线，Vi有 效值1.4mV
du/dt=2V/μs 分布电容C=2PF 近似可得 i≈C du/dt=4μA Ri=10KΩ,Vi=40mV
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高频电磁辐射耦合 • 电磁波波长:λ=波速V/频率f，波速与传播介质有
关；在空气中大约3×108m/s，1MHz信号的波长 300m，1GHz，λ=0.3m。

• 近场和远场:场源、介质、距离r=λ/2π为分界点
近场 感应场
远场 辐射场
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波阻抗：RC=E/H，（E-电场，H-磁场），在远场条 件下，E/H大小等于介质的特性阻抗，如空气介质特 性阻抗E/H=ZO=377Ω
近场条件下：
电场和磁场分别 考虑，
大电流低电压以磁场 为主, E/H<377Ω ；
小电流高电压以电场 为主, E/H>377Ω 。

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近场内波阻抗的大小决定了场源的性质。

在研究电磁场 耦合形成干扰时，应把以电场为主和以磁场为主分开讨论。

电 场通过电容性耦合引入干扰，磁场以电感性耦合引入干扰。

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在远场呈现出阻抗为377Ω的平面波，当讨论 平面波时均假定是在远场内；在近场内应当分为电 场或磁场进行讨论。

如果频率是低于1MHz时，近场可展延到300m， 这时测量系统内的耦合大多数由近场造成。

如果讨 论的频率为30KHz时，近场展延到104m。

所以由附 近源或装置造成的干扰均为由近场耦合形成。

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近场感应耦合分为电场或磁场两种形式，即电 容性耦合和电感性耦合，下面分别进行讨论。

◆ 电容性耦合讨论
任何电子系统只要有导线，那么导线与导线之 间以及导线与元件、结构件之间都存在着分布电容 。

干扰通过电容分布引入，或者说干扰属于电场耦 合引入。

电容性耦合即一个导体上干扰电压通过分 布电容使其他导体上耦合出干扰电位的现象。

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例：图为平行导线电容性耦合，带有干扰EN的导线A 对另根导线B通过电容性耦合造成干扰，Cm为两导线 的分布电容，UN为导线B受电容耦合干扰下电压。

UN =
Zi 1+
jωCm
Zi
En
A Cm
～ EN
B
Zi
UN
理论上采用屏蔽导线可以有效地减小电容性耦
合干扰。

但实际上屏蔽线的中心导线一般都会引出
屏蔽体外，而存在分布电容。

所以欲减小电容性耦
合效应，应尽量减小干扰源导线和屏蔽层伸出导线
间的耦合电容。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
◆ 电感性耦合讨论
电感性耦合即为磁场耦合，是干扰电流产生的 磁通随电流变化而形成的干扰电压。

系统内部的闭合回路或线圈是形成干扰电压的 主要原因：当电流I 在一个闭合回路中流动时，将 产生与电流成正比的磁通Φ。

Φ=LI ，L为回路等 效电感，即大小取决于回路的几何形状及周围介质 的磁导系数。

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M 21
I1
R1
US
（a）
若同时存在两个闭合回路（图a），当这两个 回路之间存在互感M21，M21=Φ21/ I1， Φ21表示电 路2中有电路1电流所产生的磁通。

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如果这个磁通随时间做时间做正弦变化时，则 感应电压UN为：
U N = ω BAcosθ
式中，A为闭合回路2所 包围的面积，m2；B为 正弦变化磁通密度的均 US 方根值；ω为角频率， rad/ s；θ为B与面积A（ 回路2）法线的夹角， 如图（b）所示。

R2
（b）
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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
减小感应电压UN可尽量减小耦合回路面 积A和两回路的夹角θ，使cosθ值和A减小。

例 如，一是尽量使信号回路平面和干扰回路平 面垂直，以减小回路的闭合面积；二是尽可 能远离干扰源，削弱干扰源的影响。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
M
用互感形式表示：
IN
UN
U N = ω MIN
减小电感性耦合电压UN：可以采用绞合线方 式，每个绞合微小面积所引起的感应电压大体相 等，由于相邻绞合方向相反，使感应电压大小相等 方向相反，相互抵消；
需要注意的是在电感性耦合中，接地的方法不能 抑制磁场干扰。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
◆ 漏电耦合
A
B
UN
=
Zi Rm + Zi
EN
～ EN
Rm Zi
UN
漏电耦合主要指的是绝缘老化引起的干扰。

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Cd1
Cd 2
为了加深实际的认识， 设一个电场干扰的简单估算 ，如图所示，设Cd1为人体 与50HZ、220V电源馈电线 之间的分布电容，Cd2为人 体与大地之间的分布电容， 通常Cd1《Cd2，如果取 Cd2=100Cd1，则耦合到人体 的50Hz工频电压UCM可有
UCM =Cd1×220/(Cd1 +Cd2) ≈ 2V
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可见，人体所携带的50Hz工频干扰电压将完 全淹没微弱的生物电信号。

必须采用一系列措施 抑制干扰，提取生物电信号。

例如心电图测量时 ，采用右腿接地的办法减弱人体的50Hz干扰电压 ；脑电、肌电测量时，用屏蔽、合理接地和滤波 器等方法消除50Hz工频干扰的不利影响等。

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3. 接受干扰的敏感电路
接受干扰的敏感电路是干扰的第三个来源，通
过合理的设计可以衰减这类干扰。

敏感电路是指输
入电路，包括电极连接导线和输入放大器。

干扰的形式
生物电信号一般都比较微弱且频率较低。

因此
测量生物信号的仪器既要灵敏度高，又要有较强的
抗干扰能力，才能保证信号不受干扰地放大，以便
测量和记录。

按干扰的耦合方式可分成电场干扰、
磁场干扰、高频电磁干扰、公共阻抗耦合和漏电流
耦合的干扰。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
（1）电场干扰
处在电场中的任何导电介质都会在电场作用 下感应出一定电位。

当电介质中任何两点之间存 在着电位差时，就会产生电场干扰。

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电场干扰比磁场干扰更大量地存在，即使电 路中无电流流过，电场干扰仍然存在。

如把一台 仪器的电源插头插入50Hz的交流电源插座，虽然 电源开关没有接通，电路中没有电流流过，但如 果电源开关安装不当或电源布线不合理，就会成 为交流电场的干扰源。

因此，不使用的电子仪器 应把电源插头拔下来。

在临床工作中，甚至一些 照明设备也会对医用仪器的测量造成不良影响。

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如果将一个带电荷 的物体靠近另一个不带 电荷的物体，不带电荷 的物体靠近带电荷物体 的一端会出现相反的电 荷，这就是静电感应现 象。

在一个放大器的输 入端引线A的附近，如 果有一根带着交变电势 的导线B，那么，这个 交变电势将使引线A感 应起一个变动的电势。

这个变动的电势与 被测信号混合一起进入 放大器，将影响被测信 号的真实性。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
未屏蔽的电极导线和电
源线之间存在分布电容， 220V、50Hz的交流电场通
过该电容产生耦合，使干
扰电流流入电极引线，并 通过人体经接地电阻ZG入 地。

这时人体对地有一定
的电位，即人体感应电
位。

在其等效电路中， Z1、Z2分别为两个电极与 皮肤的接触阻抗，ZCM1、 ZCM2分别为放大器两个输 入端A、B对地的阻抗。

Vb 表示交流感应电位的大
小，称为共模干扰电位。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
如果Z1=Z2，则放大器 具有共模抑制的特性，可 以把共模干扰抵消；如果 不等，则共模干扰信号之 差，就将以差模信号的形 式出现在放大器的输入 端，在测量仪器输出中出 现干扰信号。

事实上，Z1 和Z2，ZCM1和ZCM2不可能 绝对相等，使得UC分配不 平衡，最终使仪器有干扰 信号输出。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
在临床应用中，一般对生物信号源的测量都需 要进行无损伤测量，因此常用表面电极来引出生 物电信号，如果不采取抑制干扰的措施，电场干 扰就会耦合到仪器中，因为电路中的电阻等不可 能绝对一致，使共模干扰信号之差以差模信号的 形式出现在放大器的输入端，在测量仪器的输出 中出现干扰信号。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
综上所述，电场干扰是指空间电场通过感应和 分布参数经过一定的途径进入信号源或测量仪器 中形成的干扰，其中50Hz工频电经分布电容耦合 而形成的干扰最为严重和常见。

为了抑制电场的 干扰，可以在仪器中采用高共模抑制比的放大器 ；将电源线和测量电极的导线屏蔽；设置屏蔽室 ，把被测者屏蔽等方法。

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（2） 磁场干扰
电流通过导线会产生磁场。

如果把导线绕 成线圈或变压器，则磁通的大小与线圈的匝数 及流过的电流成正比。

因此有大电流流过的仪 器将会大量发射磁能，磁场内任何导电环路都 会接收到。

连接仪器和病人的引线就可构成磁 接收环，产生感应电动势。

要想抑制磁场对信 号的干扰，必须限制电极引线的环路面积。

抑 制磁场干扰的另一个有效的办法是采用磁性材 料进行磁场屏蔽。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
心电记录时电极引线 环路受磁场影响的情况。

Z1、Z2为皮肤电极阻抗；ZL 为人体与电极间的阻抗。

感 应产生的电动势是一种差动 信号，它将与心电信号一起 被心电放大器放大，形成对 输出信号的干扰。

抑制磁场对信号的干 扰，可以限制电极引线的环 路面积，如把所有的电极引 线在人体表面绞合起来，并 使引线紧沿着人体引出。

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（3） 高频电磁场干扰
目前无线电的应用日趋广泛，各种频段的无线电广播 、电视发射台、通讯发射台、生物医学研究方面应用的遥 测装置等，使空中的电磁波大量增加，日益复杂。

这就给 生物医学测量工作带来了更多、更强烈的高频电磁干扰。

常见的高频电磁干扰有电台干扰，即某些无线电发射设备 所产生的干扰；工业干扰，即由各式各样的电气设备启动 、切断及工作时所辐射的高频干扰所产生的。

工业干扰信 号的频谱很宽，从较低的频率延伸到几十甚至几百兆赫的 超高频段；天电干扰是指大气中的各种电骚动所引起的干 扰。

雷电所产生的强大电磁波辐射就是天电干扰的一种。

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生物电信号电极与引线引出。

电极引线的作用
就像一个接收天线，将高频电磁场干扰引进测量系
统中。

如在外科手术时，在病人身上使用电外科手
术器械时，心电监示器的荧光屏上就会出现干扰，
轻者会使心电记录的基线产生漂移或记录的波形不
稳定，严重时心电信号会完全移出荧光屏外，影响
监护工作。

高频信号还可以被生物电信号所调制，
使干扰电位转换成为低频干扰信号输入到放大器中。

由于高频电磁干扰是具有随机性的干扰信号，它
的能量遍布整个空间，因此它的影响是不可忽视的。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
生物医学测量仪器中常用以下一些方法抑 制高频电磁干扰：
1. 当干扰幅度不大时，可用高频旁路电容使干扰 入地。

旁路电容器的高频特性要好，还要具有 足够高的耐压性能，以使脉冲式干扰入地。

2. 用低通滤波器抑制高频干扰。

当频率高于截止 频率时信号得以衰减，这样就可以起到抑制高 频干扰信号的作用。

当然，也可以使用有源器 件作高频有源滤波电路，效果更好。

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3. 对电源线引入的高频干扰，可在电源变压器的初 级侧加低通滤波器或旁路电容器，使高频干扰入 地。

为使抑制干扰的效果更好，在整流电路及直 流输出端也要接高频旁路电容。

4. 采用电磁屏蔽措施。

当检测微小的生理信号时， 对外来的电磁波干扰或电磁辐射一般采用电磁屏 蔽措施。

用铜或铝的良导体将需要屏蔽的电路或 仪器和被测体在内的每一个测量设备都严密地包 围起来，并要将屏蔽罩可靠接地。

电磁屏蔽与干 扰信号频率的关系很大，干扰信号的频率越高， 对屏蔽的严密性要求也就越高。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
（4）仪器接地不正确引起的干扰
医用仪器为了消除干扰和使用安全，通常都要 接地。

接地就是把仪器的外壳用导线与大地连通。

仪器的电路中有一个参考电位点，称为电路的“地” 电位点，如果这个参考电位点不与大地连通，这点 是“浮地”，如测量心电用的心腔内接测量仪器一般 都采用浮地方式而并非有真正的接地点。

只有参考 电位点与仪器原外壳连接并且连通大地才是真正的 接地，这时的参考电位为零电位。

当仪器接地点不 正确时，就会产生干扰。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
晶体管T1、T2的电流IC1、IC2 经接地导线由电源正极流向 接地点a及点b。

由于ab线段 有电阻，IC1、IC2的交流分量 在ab公共阻抗中必定有交流 电位差。

从图中可以看出， 这个交流分量的电位差又作 用到放大器第一级输入回 路，从而成为干扰电压。

若将电路图改为：接地点接 至C点，使IC1、IC2均由C点 入地，而不经过第一级输入 回路，这样就不会在第一级 输入回路产生干扰电压。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
二. 抑制电磁场干扰的主要方法
抗干扰技术有很多种方式，如屏蔽、接 地、合理利用相关电路等。

其中合理接地和 电磁屏蔽是抑制电磁场干扰的有效办法。

此 外，还可以采用隔离、电源去耦及滤波等方 法抑制干扰。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
1.合理接地
合理接地是抑制电场干扰的最好方法。

合理 接地就是正确的一点接地原则。

接地应从三方面 考虑，即：
1. 保护接地：仪器供电系统的安全接地； 2. 所设计电路系统的工作接地； 3. 输入回路或敏感回路的接地。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
“地”是电子技术中一个很重要的概念。

由于 “地”的分类与作用有多种，容易混淆,故总结一下 “地”的概念。

“接地”有设备内部的信号接地和设备接大 地，两者概念不同，目的也不同。

“地”的经典定 义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
信号“地”又称参考“地”，就是零电位的参考 点，也是构成电路信号回路的公共端 。

(1) 直流地：直流电路“地”，零电位参考点。

(2) 交流地：交流电的零线。

应与地线区别开。

(3) 功率地：大电流网络器件、功放器件的零电 位参考点。

(4) 模拟地：放大器、采样保持器、A/D转换器和 比较器的零电位参考点。

(5) 数字地：也叫逻辑地，是数字电路的零电位 参考点。

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第4章 生物医学测量的干扰和噪声
信号接地：设备的信号接地，可能是以设备中的一点或一块 金属来作为信号的接地参考点，它为设备中的所有信号提供 了一个公共参考电位。

有一点接地，多点接地，浮地和混合接地。

（1）一点接地：是指整个电路系统中只有一个物理点被定
义为接地参考点，其他各个需要接地的点都直接接到这一
点上。

在低频电路中，布线和元件之间不会产生太大影
响。

通常频率小于1MHz的电路，采用一点接地。

（2）多点接地：是指电子设备中各个接地点都直接接到距
它最近的接地平面上（即设备的金属底板）。

在高频电路
中，寄生电容和电感的影响较大。

通常频率大于10MHz的电
路，常采用多点接地。

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