第二章 信号测量的基本条件-1

生物医学电子学
Biomedical Electronics
第二章 信号测量的基本条件
第一节 人体测量的电磁干扰 第二节 测试系统的噪声 第三节 低噪声放大器设计
生物医学电子学
人体生物信号测量条件很复杂，测量一种生理参 数时，存在着其他生理信号的噪声。对测量系统之 外的干扰还十分敏感。
1 、被测信号是微弱信号，测试系统具有较高灵敏度。而
交流供电线路的大功率负载，如马达、高频炉等，它们所 产生的干扰波动，如启动、故障过渡过程、三相不同时投入等， 通过电网都可以传播到测试系统。
长信号线还能拾取附近设备或空间电磁场的干扰波。在测 试系统中对交流电源线或信号长线不采取措施，则形成干扰。
生物医学电子学
2．经公共阻抗耦合
在测试系统内部各单元电路 之间，或两种测试系统之间 存在公共阻抗。 图中 Rce为公共接地阻抗
生物医学电子学
1、自然界的宇宙射线、太阳辐射，太阳黑子产生的周期电 扰动等是一类干扰源。
2、由周围电气、电子设备产生的各种放电现象是另一类于 扰源。
• 发动机点火、继电器触点引起火花或电弧、电机的电刷 火花以及电灯管的辉光放电、弧光放电等；
• 电容电感的过渡过程的瞬变电压、瞬变电流等； • 大功率电路、各种变压器、广播、电视、雷达、导航等
U2s
1 R
jC j (C C2s
U1s C2G )
生物医学电子学
当
R
1
时，
(C C2s C2G )
U2s
jRCU1s
可见，当屏蔽层可靠接地时，如果尽量缩短导线2的信 号线伸出屏蔽层的长度，则C值较小，U2S可以很小。但如 果屏蔽层网编织不十分紧密或屏蔽层接地不良， 耦合电容 增加，U2S增加，这样还不如不使用屏蔽导线。
灵敏度越高，对干扰也就越敏感，极易把干扰引入测试系统。
2、生物体本身属于良导体，很容易接受外部干扰。尤其是 工频50Hz干扰，它几乎落在所有生物电信号的频带范围之 内，而在用电环境普遍存在，工频50Hz干扰往往完全淹没 了微弱的生物电信号。
3、由于皮肤电阻存在，人体是高内阻的生物电信号源。为 确保一定的测量精度，放大器输入阻抗应比信号源内阻高两 个数量级，而输入阻抗越高，越容易因静电耦合引入干扰。
生物医学电子学
③尽量减小耦合通路，即减小面积A和cos θ值。 为此可 采取尽量使信号回路平面与干扰回路平面垂直， 以减 小cos θ值，并使信号线贴近地平面布线或加屏蔽线， 以减小回路的闭合面积。
注意，在电感性耦合中，干扰电压的等效电压源 是串联在信号回路中的，所以它的大小与信号回路的 阻抗无关。因此抑制电感性耦合的关键，在于减小回 路的面积，单纯依靠接地并不能抑制磁场的干扰。
生物医学电子学
第一节 人体测量中的电磁干扰
2.1.1 干扰引入
干扰源
耦合通道
敏感电路
干扰的形成包括三个条件：干扰源，耦合通道(即引入 方式)与敏感电路(即接受电路)。抑制干扰也就可以从这三 个方面找到相应的措 施。
(一)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 体或设备称为干扰源。干扰源分两类。
生物医学电子学
生物电测量中磁场的感性耦合
图为心电测量时感性耦合形成干扰的示意图。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ωABcosθ，A为环路面积（图中阴影部分)， θ是磁场B与环路平面法线的夹角。采用绞合线可减小回 路面积；采用屏蔽线并将屏蔽线两端接地，也可使耦合 干扰电压减小。
电场E与磁场H之比称为波阻抗（ Zw = E/H）。远场时，波阻 抗等于介质特性阻抗(空气或自由空间，E/H=Z0＝377Ω)；近场 时，波阻抗决定于源的特性和源到观察点的距离，如果源为大电 流低电压(E/H＜377Ω)，则近场主要为磁场；如果场源为小电流 高电压(E/H＞377Ω)，则近场主要为电场。
生物医学电子学
（2）场的波阻抗描述
对短直导线源，近场波 阻抗为高阻抗，主要为电 场。电场以1／r3的速率衰 减，波阻抗也逐渐减小趋 于自由空间的波阻抗。
对于环形电流源，近 场波阻抗为低阻抗，主要 产生磁场。磁场以1／r3的 速率衰减， 波阻抗随着r 增加而趋于Z0。在远场内， 电场和 磁场都以1／r的速 率衰减。
生物医学电子学
原则上已知干扰源来自哪里及其引入测量系统的 各种途径之后，相应的抑制干扰的措施也就找到 了，实际上完全消除系统存在的干扰是相当困难 的。各种各样电子设备造成的电磁环境，使干扰 变得错综复杂，很难找到确定的干扰源和引入途 径。
为了防止干扰，在系统设计时，首先应严格遵守 电磁兼容性设计，尽可能用到全面地考虑各种抗 干扰的设计方案，而且仅一种简单的方法往往难 以奏效，要用几种不同的方法组合起来使用。下 次课介绍几种生物信号测量中经常用的措施。
生物医学电子学
除了外界环境的干扰，微弱信号还常常被深埋在测试系 统内部的噪声中。
抗干扰和低噪声构成生物信号测量的两个基本条件。本章 的目的就是得到生物信号测量系统的强抗干扰能力和低噪 声电子设计方法。在讨论人体测量的各种检测技术之前， 这是十分必要的。
图2-1的曲线表示，随着设计、 研制过程的进展，抗干扰和低噪 声的措施无论在难度上和造价上 都将不断地增加。在设计阶段考 虑这些措施，可以解决 80-90％ 的问题，而且措施简单易行。
由图 (a)两条直线，得到对应最大干扰电压的角频率ωm，大于 ωm时，干扰电压不变，实际大多数情况角频率低于ωm 。从抗 干扰考虑，输入阻抗高并不利，而增大两导线之间的距离尽量 避免两导线平行以减小分布电容C则是必要的措施。（b）图 绘出两平行线间的耦合电容，可供参考。
生物医学电子学
②减小容性耦合方法 减小容性耦合常用的有效方法，是采用屏蔽导线。如
则
U2s
C
C C2
U1s
（2-2）
对敏感电路的影响与干扰源的频率基本无关，而正比于C和
C2的电容分压比，只要使C2 ＞＞C，就能抑制干扰。
b、 R 1
(C C2 )
来自百度文库
则 U2s jRCU1s （2-3）
这时干扰的大小正比于C、R，且与干扰源频率有关。
生物医学电子学
敏感电路的干扰电压的角频率函数曲线
所传播的电磁能； • 周围的220V交流电源是最直接的50Hz干扰源。
生物医学电子学
生物电信号提取过程的主要干扰是近场50Hz干扰源，因为 各种生物电信号中大部包含有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干扰源不只 直接影响多种生物电信号的提取，而且它存在于所有的测量 环境中，其抑制方法远比频率很高的各种电磁辐射干扰困难。
生物医学电子学
(2) 电感性耦合
干扰电流产生的磁通随时间变化而形成干扰电压。系统内
部，线圈或变压器的漏磁是形成干扰电压的主要原因。系统外 面，多数是由于两根导线长距离平行架设形成干扰电压。
当电流在一个闭合回路中流动时，将产生与电流成正比的 磁通，比例系数为电感，L大小取决于回路的几何形状及周围 介质的导磁系数。
生物医学电子学
电磁兼容性设计EMC(Electro-Magnetic Compatibility)
测量系统不只受到外界干扰源的干扰，而且测量系统 本身也对内部、对外界其他电子设备产生电磁干扰，造成 互相干扰的电磁环境。在电子系统之间， 实现不互相干 扰、协调混同工作的设计，称为电磁兼容性设计。具有两 个含义：（1）电子系统或设备之间在电磁场环境中的相 互兼顾；（2）电子系统或设备在电磁场环境中能正常工 作。
导线2用接地良好的优质屏蔽线，原则上能够完全抑制耦 合干扰电压。屏蔽线的中心导线一般引出屏蔽体以外， 存在分布电容C以及中心导线对屏蔽层之间的电容C2s， 中心导线对地电容C2G 。
生物医学电子学
屏蔽线的中心导线一般引出屏蔽体以外，存在分布电容C以 及中心导线对屏蔽层之间的电容C2s，中心导线对地电容 C2G 。屏蔽层良好接地时，等效电路如图，耦合到导线2的 干扰电压为
Rcs为电源内阻及电源 线的阻抗
电流流经公共阻抗形成的压 降造成干扰。
生物医学电子学
3．电场和磁场耦合
（1）场的特性取决于“场源”的性质、场源周围的介质以及 观察点与源之间的距离等。
设λ为电磁波的波长，距离大于λ/2π时(约1/6波长)，称为远 场或辐射场，场的性质主要决定于场传播时通过的介质；距离小 于λ/2π时，称之为近场，场的特性主要决定于场源的性质 。
生物医学电子学
如图Cd1为人体与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 ，如取Cd2 ＝10 Cd1 ，则耦合
到人体的 50Hz电压Ucm可达
Ucm
Cd1 Cd1 Cd 2
220
20V
可见，人体携带的干扰电压，将完全淹
没生物电信号，必须采取一定措施：
A、采用差动放大器，使50Hz干扰电压在输入端相减抵消。 B、人体接地，消除50Hz干扰。如心电测量时，用右腿接地 的办法消除人体的50Hz干扰电压。 C、采用滤波方法。如脑电、肌电测量时，用滤波器消除 50Hz电压等。
引起干扰的回路称为场源，受干扰的回路称为接受电路。
生物医学电子学
(1)电容性耦合
在电子系统内部元件和元件之间，导线和导线之间以 及导线与元件，导线、元件与结构件之间都存在着分布电 容。一个导体上的电压或干扰成份通过分布电容使其他导 体上的电位受到影响，这种现象称为电容性耦合。 ①导线和导线之间电容性耦合 下图表示带有干扰(u1s，ω)的导线对另一根导线通过容性 耦合造成的影响。
若同时存在两个闭合回路，电路之间就存在互感，如果两
个电路的形状及相对位置固定不变，而磁通作正弦变化时，则
感应电压为
us BA cos (V )
A为闭合回路的面积，B为磁通密度的均方根，θ为B与A法线的夹角。
生物医学电子学
如图所示，用互感形式表示感应电压。
Us M12I1 I2 0
两个回路之间的电感性耦合，又称为磁耦合。
它包括抑制来自外部的干扰(有时还有系统内部生成 的干扰)和抑制系统本身对外界其他设备产生的干扰两个 方面。这一设计原则，是提高测试系统可靠性的一个重要 方面。
生物医学电子学
(二)干扰耦合途径
1、传导耦合
经导线传播把干扰引入测试系统，称为传导耦合。 交流电源线、测试系统中的长线都能引起传导耦合， 它们都具有天线的效果，能够广泛拾取空间的干扰引 入测试系统。
生物医学电子学
为了减小感应电压，可采取下述方法
①远离干扰源，削弱干扰源的影响。不过有时这是不能 实现的。
②采用绞合线的走线方式。每个 绞合结方向相反，局部的感应电 压相互抵消，如图所示。从绞合 的效果来看，不论是感应侧还是 被感应侧，所获得的结果基本相 同。 感应侧箭头表示其电流的方 向，被感应侧箭头表示导线间感 应电压的方向。图中画出了受干 扰侧和干扰侧进行绞合的情况。
生物医学电子学
研究电磁场耦合形成干扰时，应把以电场为主 和以磁场为主的两种情况分开，前者通过电容性耦 合引入干扰，后者以电感性耦合引入干扰。
在远场内，呈现出阻抗为377 Ω的平面波，当 讨论平面波时，均假定是在远场内；当分开讨论电 场和磁场时，则假定在近场内。当频率低于1MHz 时，测试系统内的耦合大多数由近场造成，因为在 这些频率上的近场可展延到300m；频率为30kHz 时，近场展延到104m。一般由附近设备造成的干 扰均可视为由近场耦合形成。
生物医学电子学
远场干扰通过电源线，生物电位电极引线引入测试 系统。远场中各种电磁波辐射、通信系统的射频干扰、 工业设备甚至医疗设备本身，都是一种随机的干扰，其 能量遍布整个空间，形成生物信号测量中的干扰。
4．近场感应耦合
由于电荷运动产生电磁场，所以凡带电的元件、导 线、结构件等都能形成电磁场。 分析近场耦合过程，一 般可把电场和磁场分别进行处理。
在生物电测量中，最常见的电容性耦合干扰是由于50Hz 工频电源与人体之间存在分布电容，使人体携带干扰电压。 实际上测试系统所用市电，病房和手术中照明等主要干扰为 50Hz电磁场。在人体某处放置电极并接地时，干扰电流就 会集中在那里，形成电极端的干扰电压。用手触摸示波器输 入端，便观察到人体上耦合的50Hz电压波。
生物医学电子学
C为两导线之间的分布电容，两导线对地的分布电容分 别为C1和C2，若导线2为信号端，与放大器输入端相连， 构成敏感电路。 由容性耦合形成的对敏感电路的干扰， 在不考虑C1时
jC
U2s
1 R
j (C
U1s C2 )
生物医学电子学
在下述两种实际情况，可将上式简化
a、
1 R
(C C2 )