现代医学电子仪器原理与设计课件第二版_第二章

1MHz 以下 : 采用一点接地 10 MHz 以上 : 采用多点接地 1MHz 10 MHz : 如采用一点接地其线长不得超过波长的1 20 , 否则应采用多点接地.
系统中至少要有三个分开的地线：
低电平地线; 功率地线（ 又称为干扰地）： 继电器、 电动机、 大电流驱动电源等大功率电路； 机壳地线（ 又称为金属件地线）： 机架、 箱体
U
2 n
I R
2 n
2 s
当Rs 0时, 等效输入噪声电压 : U ni U n
式中，k 为波尔曼常数： .38 10 1
23
J / K； f为测量系统的频带宽度（Hz）
T为绝对温度（ 0 K 273.15 ℃）；
热噪声的谱密度S ( f )为 : S ( f ) 4kTR 可见, 热噪声的谱密度与工作频率f无关, 属于白噪声。
（三）散粒噪声：半导体中载流子产生与消失，引起 电流瞬时涨落引起的噪声。
串联形式 一点接地 工作接地 并联形式 多点接地： 低阻抗地线排（ 大面积敷铜镀银）
电路1 I1 电路2 I2 电路3 I3
R1
A
R2
B
R3
C
（a）一点接地串联形式
VA ( I1 I 2 I 3 ) R1 VC ( I1 I 2 I 3 ) R1 ( I 2 I 3 ) R2 I 3 R3
三套地线分别自成系统，最后汇集于接地母线。
2.
敏感回路的接地设计
图2-18 输入回路两点接地形成干扰
U G : 两地线之间的电位差； U s： 信号电压； R1、 R2： 导线电阻；R G : 两地线之间的电阻； R S：信号源内阻。 R2 Rin R1 RS
则放大器输入端电压 : U N
第二节 测试系统的噪声
噪声：系统内部噪声(为与外部干扰相区 分)—测量系统内部由器件、材料、部件的物 理因素产生的扰动称为噪声。 可见噪声是电路内部固有的，不能用诸如屏 蔽、接地等方法予以消除。测量某一生理参 量时，其它生理信号的干扰也称为噪声。 测试系统内部的噪声不可能完全消除，但通 过对噪声过程的分析，进行合理的低噪声电 路设计，可使噪声降低到最低限度。
生物信息测量系统的主要噪声和干扰：
测量系统内部噪声 : 其它生理信号噪声：（生理机能的自然性）测量某种生理 参数的同时，存在其它生理信号的噪声背景。 外部干扰：工频干扰、自然界噪声、周围电气设备干扰。
生物信息测量中测量系统对外界干扰十分敏感，其原因：
被测信号是微弱信号, 测试系统具有较高灵敏度。 灵敏度越高， 对干扰也就越敏感。 工频50 Hz 干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围内； 生物体本身属于电的良导体， 而且“ 目标”大， 难以屏蔽并很容易受到外部干扰。
(C C2 )
则 : U 2 S jRC U1S
干扰在大小正比于C、R，且与干扰源的频率有关。
c).干扰电压与频率的关系
C C2 C U 1s
U2s
RCU 1s
m

减小电容耦合的方法：采用屏蔽导线。
（2）电感性耦合――磁耦合
R1 R2
I1
M12
R I1
R
R1
M12
R2
u S B S cos
粉红噪声 : S ( f )随频率增大而减小
两种源自文库声同时作用于同一系统时, 总噪声均方电压 : U
2
U 1 U 2 2CU 1 U 2
2 2 2 2
U 1 ，U
2
两种噪声电压均方值；C 为相关系数。
二． 生物医学测量中的主要噪声类型
（一）1/f噪声：低频、超低频噪声，两种材料不完全 接触，或两个导体连接的地方产生 。
第一节 人体电子测量系统中的电磁干扰
一． 干扰的引入
干扰形成的三个条件：干扰源、耦合通道（即引 入方式）与敏感电路（即接收电路）。
干扰源 耦合通道 敏感电路
a)
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。
自然界的干扰 外界干扰源： 周围电气、电子设备的干扰 50Hz工频干扰
b)
I.
干扰耦合途径
传导耦合：经导线传播把干扰引入测试系统。 如：交流电源线、测试系统中的长线 。 经公共阻抗耦合： Rcs
Vc1 Vcs
II.
前 置 级
电 路 I
电 路 II
Rce
III.
电场和磁场耦合 远场： 近场： 2 2
：电磁波波长 电场干扰：主要以电容耦合引入。 磁场干扰：主要以电感性耦合引入干扰。 近场干扰： 1MHz 近场＜300m 30kHz 近场＜10km。
一般病室中B cos 3.2 10 Wb / m 则50 Hz 感应电压 100 S ( V )。 回路面积限定在0.1m 以下方可使电感耦合干扰电压小于10V
2 7 2
二．合理接地与屏蔽 合理接地是抑制干扰的主要方法，把接地和
屏蔽正确地结合使用能解决大部分干扰问题。 另一方面，在生物医学测量中，从安全的角 度考虑，合理的良好接地也是时分重要的。 （一）合理接地 系统中的接地分为两类：一类是安全接地， 称为保护接地；一类是工作接地，即对信号 电压设立基准电位 。 保护地线必须是大地电位，而工作接地可以 设计为大地电位，也可以不是大地电位。本 节主要介绍工作接地。安全接地（第八章）
一． 噪声的一般性质
噪声电压、电流是随机的。 随机过程：不能用一个确定的时间函数来描 述。服从一定的统计规律。 噪声电压概率密度P(u)：噪声电压在某一范 围内的概率。——与时间t无关。 热噪声和散粒噪声电压u(t)(或噪声电流)概率 密度服从高斯(正态)分布：
P( u ) 1 2
( u u )
S( f )
K f
f 1 f 2 带内噪声电压均方值 : U
2 f


f2
f1
S ( f ) df

f2
f1
K f
df K ln
f2 f1
（二）热噪声(约翰逊噪声或乃奎斯特噪声)：由导体 中载流子的随机热运动引起的。
电阻R中的热噪声电压均方值： U t 4kTR f
2
S ( f ) 4 kTR
1. 工作接地 接地设计应考虑到所有导线都具有一定的阻
抗，高频时导线表面呈现一定电抗，其值甚 至超过导线电阻；交流电源的地线不能用作 信号地线，一段电源地线两点间会达到数百 毫伏甚至几伏的电压，对电平电路（如生物 信号放大器的前置级）来说，这已是非常大 的干扰。为了安全，电源线接地线一般采用 一点接地方式
A
U n : U o2 U n
Zi Rs Z i
A
I n : U o3 I n ( Rs // Z i ) A
设Un、In不相关，即C＝0，则输出电压的均方值 为不：
U no U o1 U o 2 U o 3
2 2 2 2
放大器等效输入噪声U ni为 : U
2 ni
U
2 ns
放大器内所有噪声源贡献的噪声，用与输入端串 联的阻抗为零的噪声电压发生器Un和与输入端并 联的阻抗为无穷大的噪声电流In以及二者的相关系 数C来表示。
设放大器输出端噪声为U no , 是由U ns , U n 和I n 造成， 它们各自对U no的贡献：
U ns : U o1 U ns
Zi Rs Z i
电源馈线 Z1
Cd1
Z1 Z2 Id Z2
Zin
Zin
ZG
Cd2 ZG
人体内位移电流通过右腿接地电阻ZG产生共模 干扰，在理想情况下，共模干扰通过系统的高共 模抑制比被克服。
VI.
生物电测量中磁场的电感性耦合(图2-14)

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： SB cos
: 角频率；B：
磁通密度；S：
闭合回路面积；
： 闭合回路面积与磁通密度夹角。
uS M12 I1
I 20
M 12 : 互感系数
减小电感耦合的方法：
远离干扰源； 尽量减小耦合通路； 采用双绞线：
感应侧 被感应侧
V.
生物电测量中电场的容性耦合
Cd1为人体与电源馈线(50 Hz ,220V )之间的分布电容, Cd 2为人体与大地之间的分布电容 通常Cd1 Cd 2, 取Cd 2 10Cd1 则 : U CM Cd 1 Cd 1 Cd 2
散粒噪声电流均方值 : I
式中, q为电子电荷 : q 1.59 10 f为测量系统的频带宽度。
2
2qI DC f
19
C; I DC 为器件的平均直流电流( A);
谱密度 : S ( f ) 2qI DC R； 散粒噪声属于白噪声。
三． 描述放大器噪声性能的参数
（一）Un、In参数
复 习 总 结
第一章：概述 医用电子仪器； 医学仪器的结构各工作方式； 主要技术特性； 医学仪器的特殊性； 生理系统的建模； 医学仪器设计原则与步骤
第二章 生物信息测量中的噪声和干扰 噪声：内部噪声（人体内部、测试设备内部 噪 声）； 干扰：外部干扰 生物信息的基本特征：微弱的低频信号。 （医用仪器的特殊性――噪声特性）。 微弱信号――需要较大的放大倍数；（同样 噪声也被放大）； 低频特性――50Hz工频干扰几乎落在所有 生物电信号怕频带范围内； 生物体本身属良导体，而且“目标”大，难 以屏蔽，很容易受外部干扰。尤其是50Hz 工频干扰为所有生物体所携带。
Cd1
电源馈线
220 20(V )
Cd2
（1）导联线形成容性耦合（图2－12）
电源馈线 C1 Z1 C2
Z2
ZG
如果 : Z1 Z 2 , C1 C2 , 即导联条件完全对称, 则位移电流形成的电压互相抵消, 不形成干扰。 但实际上总存在不平衡。
(2)人体表面形成电容性耦合（图2-13）
如上典型值 : Z SG 1M， 则 : U N 0.095V
（二）屏蔽效果 屏蔽：泛指在两个空间区域加以金属隔离，用以 控制从一个区域到另一个区域电场或磁场的传播。
主动屏蔽： 屏蔽干扰源， 使电磁场不向外扩散。 屏蔽 被动屏蔽： 防止外界电磁辐射。
三． 其它抑制干扰的措施
光电隔离 隔离(第三章) 变压器隔离 去耦 : 用RC , RL 滤波环节消除直流电源因负载变化起的干扰； 滤波： 专用电源滤波器(低通滤波器), 消除高频干扰; 系统内部干扰的抑制 : 吸收电路, 耗能电路.
Rin Rin R1 RS

R2 R2 RG
U G
如典型值 : RG 0.01, U G 100mV , RS 500, R1 R2 1 则 : U N 95mV
则放大器输入端电压 : U N
Rin Rin R1 RS

R2 Z SG
U G
2
e
( 2 )
2
u : 为噪声电压平均值, 一般为零;
: 为噪声电压u的均方值;
2
噪声服从一定的统计规律,无法用频谱描述, 而用功率谱表示它的频域特性。

P

S ( f ) df
P : 噪声功率
S ( f ) : 为功率谱密度, 它表示单位频带内噪声功率随频率的变化。
白噪声 : S ( f ) k 有色噪声 : S ( f ) k 蓝噪声 : S ( f )随频率增大而增大
电路1 I1
电路2 I2
电路3 I3
R1
A R2 B R3 （b）一点接地并联形式 C
并联方式的一点接地，由于各电路之间形成耦合而不 适用于高频。
电路1 I1 R1
电路2 I2 R2
电路3 I3 R3
L1
L2
L3
图2-16
高频电路的多点接地
高频时要考虑地线的感抗和各地线之间的电感耦合， 以及地线之间的分布电容在地线相互间形成耦合。 如图所示：电路中所用的地线分别连到最近的低阻 抗地线排上，地线排一般用大面积的镀银铜皮，但 要注意，由于高频时的集肤效应，增加铜皮的厚度 并不能减小接地阻抗。
IV. 近场感应耦合
（1）电容性耦合：
R C
U1s
C1
C2
C
U1s
C1
C2
R
U2s
U 2s
jC 1 R j (C C 2 )
U 1s
a ).若 : R
1
(C C2 )
则 : U 2S
C C C2
U 1S
敏感电路的影响与干扰源的频率无关。
1
b).若 : R