第二章生物信息测量中的噪声和干扰

第二章 生物信息测量中的噪声和干 扰
2020/4/11
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抗干扰和低噪声，构成生物信号测量的 基本条件
被测信号是微弱信号，测试系统具有较高的灵敏度， 干扰信号容易引入。
工频50HZ干扰落在生物电信号频带范围之内。
生物体本身属于电的良导体，难以屏蔽容易接受外 部干扰。
微弱信号还常常被深埋在测试系统内部的噪声中
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干扰耦合通道
1）传导耦合
经导线传播把干扰引入测试系统。
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电 阻。
电流流经公共阻抗（公共接地阻 抗Rce、电源内阻Rcs、电源线阻 抗）形成压降造成干扰。
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3）电场和磁场耦合
场的特性取决于“场源”的性质、场 源周围的介质以及观察点和源之间的 距离。
50HZ干扰。 EMC(Electro-Magnetic Compatibility) 干扰抑制包
括抑制来自外部的干扰和抑制系统本身 对外界其他设备产生的干扰两方面。
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生物信号及干扰源的频率分布
生物电信号低频、 低幅值的信号， 造成生物电信号 提取过程的主要 干扰，是近场 50HZ干扰，其抑 制方法远比能量 很高的各种电磁 辐射干扰的抑制 方法难。
相连（虽增加了一条配线，但更加安全，是医疗设 备和测量的合理的接地方法）
电源侧接地的标准电阻为10Ω以下。接地电阻 形成的负载仪器外壳电位成为接触电位。
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保护接地
为了使漏电流和 绝缘失效时的事 故电流安全地流 入大地而附加的 接地保护。
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
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5）生物电测量中电场的容性耦合
在电磁环境中，通过电场 干扰源与人体之间的分布 电容，使人体本身携带干 扰电压
生物电测量中电场的容性 耦合：人体随时携带50HZ 干扰电压，并将完全淹没 本身的生物电信号。
在场源附近，场的特性主要决定于场源 的性质；
在远离场源的地方，场的性质主要取决 于场传播时所通过的介质
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4）近场感应耦合
[1]电容性耦合：一个导
体上的电压或干扰成分通 过分布电容使其他导体上
的电位受到影响。
抗干扰措施：
增大两导线间的距离，尽量 避免两导线并行，以减小分 布电容C
采用屏蔽以及减小 环路面积的方法来 消除干扰。
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抑制干扰的常用方法
1）合理接地 a安全接地（保护接地）
电源接地 保护接地 等电位接地 b工作接地
一点接地（串联/并联） 多点接地 c敏感回路接地
2）采用屏蔽
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合理接地
合理接地是抑制干扰的主要方法
接地指印制板上的局部电路中和测试系统整机中地线的 布置。
合理接地
系统中的接地线分为两类，一类是安全接地，称为保护 接地；一类是工作接地，即对信号电压设定基准电位。
保护地线必须是大地电位，而工作地线的设计可以是大 地电位，也可以不是大地点位。
当保护地线与工作地线配合不好时，就会产生干扰。
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安全接地
为了安全起见，一般电子电器设备的机壳都应接地。 机壳接地的目的是为了在任何情况下，使人经常接触 的机壳保持零电位。
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举例2：人体表面形成容性耦合
人体与50HZ电源 线之间存在着分 布电容，形成容 性耦合，测出总 的位移电流Id大约 为1μA之内，形成 干扰电压。
解决办法：缩短 电极之间的距离、 减小体电阻、右 脚接地。
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6）生物电测量中磁场的感性耦合
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。
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抗干扰措施
为了减小感应电压，可采用如下方法：
远离干扰源，消弱干扰源的影响 采用绞合线
每个绞合结的微小面积所引起的感应电压大体相等，由于 相邻的绞合结方向相反，而使局部的感应电压相互抵消
尽量减小耦合通路，即减小面积A和cosθ值
可采取诸如尽量使信号回路平面与干扰回路平面垂直，并 使信号线贴近地平面布线，以减小回路的闭合面积
机壳的电位是由于杂散阻抗形成漏电通路甚至绝缘击 穿的偶然情况形成的。
在生物医学测量种，安全接地可分为三种： 电源接地、保护接地、等电位接地
下图为发生宏电击和微电击的两种情况：
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电击
电击：是指超过一定数量的电流通过人体而引起 的各种电伤害，如心室纤颤、心肌收缩及皮肤烧 伤等。
采用屏蔽导线，尽量缩短信 号线伸出屏蔽层的长度，并 使屏蔽层可靠接地。
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4）近场感应耦合
[2]电感性耦合：干扰电
流产生的磁通随时间而形 成干扰电压。
在系统内部，线圈或变压 器的漏磁是形成干扰电压 的主要原因。
在系统外部，多数是由于 两根导线在长距离平行架 设中形成干扰电压
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本章主要讨论：
人体电子测量中的电磁干扰 测试系统中的噪声 低噪声放大器设计
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人体电子测量中的电磁干扰
干扰形成的三个条件
干扰源 耦合通道 敏感电路
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干扰源
干扰源:能产生一定电磁能量而影响周
围电路正常工作的物体或设备。 造成生物电信号提取过程的主要干扰为
电击可分为两类： 宏电击
是指电流经皮肤流入人体引起的电击
微电击
是指电流从体内流出体外时所产生的触电现象
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电源接地
通常由于电源的负载（即仪器）接地方式不同， 有以下三种供电方式：
把中线（零线）或一条配电线接地，负载分别另行 接地
中线和负载的地线合用 中线接地，另外再配备一条接地线，负载接地与其
抗干扰措施： 右脚接地、 设置滤波器等。
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举例1：导联线形成容性耦合
图中：C1和C2表示各 导联线与电源线之间 的分布电容形成容性 耦合。若接触电阻 Z1=Z2且C1=C2位移 电流Id1= Id2，完全 对称，不形成干扰； 若不平衡，就将形成 干扰。
但是，实际上总存在 不平衡，即使位移电 流是相等的，电极接 触阻抗通常有几千欧 姆的不平衡。