第七章 干扰和噪声

在测量系统工作区域加以金属封闭隔离层，以屏蔽从其它区域传 播来的电场或磁场辐射干扰 各单元部件或整个系统都可进行屏蔽
全屏蔽、局部屏蔽 高频电磁场屏蔽


原理：涡流反磁场作用 材料：高电导率材料


厚度：没有要求，满足机械强度

接地：需要接地，防止静电积累 低频电磁场屏蔽


噪声——测量系统内部由器件、材料、部件的物理因素 产生的固有的自然不稳定扰动称为噪声（电压或电流）。 系统内部噪声往往成为测量精度的限制性因素。
测试系统的噪声不可能完全被消除，但是通过对噪声过 程的分析，进行合理的低噪声设计，可以使噪声降到最 低限度，从而使信号在传输过程中保持较高的质量。
对于生物体而言，所测量生物体信号以外的其它生物信 号也可视为噪声。但本章只讨论测量系统内部固有的自 然扰动这类噪声。
§ 7.2 人体电子测量的干扰
电磁干扰的形成有三个条件：干扰源、耦 合通道（即引入方式）与敏感电路（即接受电 路）。
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§ 7.2.1 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。
包括自然界宇宙射线、太阳辐射产生的周期电振动； 周围普通电气电子设备产生的放电现象，如 •发动机点火 •继电器触电引起电弧 •照明电灯的辉光放电 •电容电感瞬变过程 •各种变压器、广播、电视、雷达等传播的电磁能
§ 7.3 抑制电磁场干扰的主要方法
7.3.1
合理接地
7.3.2
7.3.3
电磁屏蔽
其它措施
即严格遵守电磁兼容性(electro-magnetic compatibility, EMC)原则，实现不互相干扰、 协调共同工作的设计考虑
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7.3.1 合理接地
7.4.2 生物医学测量系统主要噪声类型
1/f噪声（闪烁噪声）
热噪声
散粒噪声
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1/f噪声

凡两个材料之间不完全接触，形成起伏的 电导率便产生1/f噪声 发生在两个导体连接的地方，如开关、继电器或 晶体管、二极管的不良接触……



低频噪声，500-2k Hz

场源为大电流低电压，则Rc<377 Ω；磁场性质
场源为小电流高电压，则Rc>377 Ω；电场性质
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场的特性
场 传 播 时 所 通 过 的 介 质
远场 (E/H=377Ω) λ/2π
场源
场 源 的 性 质
磁场(E/H<377Ω) 近场
电场(E/H>377Ω)
波阻抗＝
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噪声带宽
噪声带宽Δ
f：噪声功率增益KP曲线对频 率f的积分除以最大功率增益KP0
1 f K P ( f )df KP0 0 功率增益正比于电压增益 Ku的平方，所以 1 2 f KU ( f )df 2 0 KU 0
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公共接地电阻
经公共阻抗耦合
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干扰耦合路径：电场和磁场耦合

场的性质取决于


场源的性质
场源周围的介质 观察点与源之间的距离

以 / 2 为界区分近/远场

用波阻抗描述场源的性质

远场时，Rc等于介质特性阻抗，空气Rc为377Ω 近场时 Rc E / H
对于低频电路

（常见情况）
首先考虑一点接地
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(3)敏感回路的接地
两点接地带来干扰


从电极到前置放大器一般有大于1m的屏蔽电缆
信号源一侧的地与后面放大器的地电位不可能完全相等
干扰电 位差
造成两点接地
不满足一点接地将造成很大干扰
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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。
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（2）电感性耦合（磁耦合）
减小耦合通道——减小面积A和cosθ值 可采取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等。
例：求一阶RC低通电路的噪声带宽
1 KU 1 j RC 1 2 1 f KU ( f )df 1 df 2 0 2 0 1 (2 fRC ) KU 0 1 1.57 f C 4 RC
fC为高频截止频率(即3dB带宽)
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针对50Hz工频干扰的抑制方法
心电图测量

右腿驱动电路
脑电、肌电测量

屏蔽、合理接地、滤波器
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（2）电感性耦合（磁耦合）
干扰电流产生的磁通随时间变化而形成干扰电压。在系统内 部，线圈或变压器的漏磁是形成干扰的主要原因；在系统Fra Baidu bibliotek部， 多数是由于两个导线在长距离平行架设中形成干扰电压。
数台设备情况

一点并联接地，避免各设备单独接地或串联接地
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(2)工作接地
指电子设备系统的各个电路部分其接地也应遵
循一点接地原则
保持各电路同参考零电位
(否则将引起工频干扰的加剧)
对于高频电路

由于辐射性强，要求各引线尽可能短

优先考虑引线短，再考虑一点接地
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信号及干扰源的频率分布
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§ 7.2.2 干扰耦合的途径
传导耦合
耦 合 通 道
经公共阻抗耦合
电容性耦合
电场和磁场耦合 电感性耦合
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电源内阻及电源线的 公共阻抗
一个电路的干扰电流经 公共阻抗形成干扰压降， 立刻引入其它电路

S ( f ) 2QI DC

与流过半导体PN结位垒的电流有关，所以二极管、 晶体管、集成运算放大器都存在散粒噪声，一般导 体无此噪声
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第七章 生物医学测量的 干扰和噪声
张麒
上海大学
通信与信息工程学院
§
7.1 生理信号的基本特征
§
§
7.2 人体电子测量的干扰
7.3 抑制电磁场干扰的主要方法
§
7.4 噪声与低噪声放大器
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§ 7.1 生理信号的基本特征
o 频率特性
电场E 磁场H
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在研究电磁场耦合形成干扰时，应把以电场为主 的干扰与以磁场为主的干扰区分开
电场通过电容性耦合引入干扰
磁场通过电感性耦合引入干扰
（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分通 过分布电容使导体上的电位受到影响，这种现象称 为电容性耦合。
信号源与放大器的地隔离原则
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屏蔽线、屏蔽罩的一点接地
电容与放大器形成反馈电路， 可能引起放大器振荡无法工 作
屏蔽线和屏蔽罩如果不接地或接地不良， 特别是内部装有前置放大器的屏蔽罩不接地， 可能根本无法工作
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7.3.2 电磁场屏蔽
功率谱密度
S( f ) K / f
2 f f2
噪声电压均方值 U S ( f )df K ln f 2 f1 f1
例：若K=5*10-10V2/Hz, 则在100-200Hz范围，1/f噪 声电压均方根值为18.6uV
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热噪声

由导体中载流子的随机热运动引起
抑制容性耦合常用的方法：
提高输入阻抗R 采用屏蔽导线(需减小干扰源导线和屏蔽伸出导 线间耦合电容C) 在印制电路板内破坏电容耦合最关键的部位，是 处在前置级的第一个运放； 减小共模干扰
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在印制板布线时，应在运放的两输入管脚处， 布一圈地线，以达到屏蔽的目的。
电场干扰简单估算
Cd1为人体与50Hz、220V电源馈
电线之间的分布电容
Cd2为人体与大地间的分布电容 Cd1
<< Cd2 = Cd2
若取100Cd1
则耦合到人体的50Hz工频电压) UCM= Cd1 *220/(Cd1 + Cd2 )=2V
足以完全淹没微弱的生物 电信号
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合理接地是抑制电场干扰的最好方法
原则：正确的一点接地
三方面考虑

仪器供电系统的安全接地，即保护接地
所设计的电路系统的工作接地 输入回路或敏感回路的接地
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(1)安全接地
220V、50Hz交流电供电
必须有接大地的引线端
将机器外壳和电源地都接入大地
多导心电图、脑电图等测量时，要求将导线收紧为一束
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§ 7.2.3 接受干扰的敏感电路
敏感电路：电极连接导线和输入放大器

(1) 电极导联线造成电容性耦合干扰
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(2) 人体表面形成电容性耦合干扰
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生物医学测量的干扰和噪声问题：
（1）被测信号是微弱信号，测试系统具有较高的灵敏度。灵敏 度越高，对干扰和噪声也就越敏感，即极易把干扰引入测试系 统或者放大噪声。 （2）工频50Hz干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围之内， 而50Hz干扰又是普遍存在的。 （3）生物体本身属于电的良导体，而且“目标”大，难以屏蔽 并很容易接受外部干扰。
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干扰和噪声的区别
干扰：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
噪声：被测信号中加入的随机振动，来自于测
量系统的内部，由构成测量系统的材料与元器 件产生
生物医学信号测量
强干扰和噪声背景下的微弱信号测量
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7.4.1 噪声的统计量
噪声电压或电流是随机的，服从于一定的统计规律。 噪声的基本特性可以用统计量来描述： 均方值σ 2——噪声的强度
概率密度p(U)——噪声在幅度域里的分布密度 一般服从高斯（正态）分布
功率谱密度S(f)——噪声在频域里的特性 白噪声：在很宽的频率范围内，噪声具有恒定的S(f)， 为常数 1/f噪声：S(f)随f升高而下降
电路2中的感应电压：
U s BA cos
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（2）电感性耦合（磁耦合） 抑制电感耦合的常用方法： 远离干扰源，减小干扰源的影响； 采用绞合线的走线方式； 尽量减小耦合通道(回路闭合面积A和cosθ值)
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（2）电感性耦合（磁耦合）
频带宽(EMG:DC-10kHz)
o 幅值特性
幅值微弱 EEG:几微伏-几百微伏 EMG:几微伏-几千微伏
o 各类生理信号常常复合交织在一起
采集心电(ECG)信号时，常常混杂有频带复用（或部分复用）而强 度更大的肌电(EMG)信号以及其他无规律的运动干扰信号等。
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在心电测量中的工频干扰(a)及肌电干扰(b)
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（1） 电容性耦合
若导线2为信号端，与放大器输入端相连，那么便构 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时为：
u2 s jC 1 j (C C2 ) R u1s
增大R， 并减小C
干扰
平行导线容性耦合
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谱密度在各个频率几乎相等，属于白噪声
S ( f ) 4kT

电压均方值 U t2 4kTRf 削弱热噪声方法：

降低温度（如超低温技术） 减小频带宽度 减小传感器电阻
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散粒噪声

半导体器件中载流子扩散到基区不一致，使流过的 载流子数目发生起伏，从而引起电流的无规则变化 属于白噪声
原理：将干扰磁通限制在低磁阻屏蔽层内，使其不进 入工作区内
材料：高磁导率材料 厚度：应具有足够的厚度以减小磁阻，可采用两层或 多层结构
接地：良好接地
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7.3.3 抑制干扰的其它措施
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§ 7.4 噪声和低噪声放大器