第七章干扰和噪声详解.ppt

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 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 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 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 场源为大电流低电压，则Rc377 Ω；磁场性质 场源为小电流高电压，则Rc377 Ω；电场性质 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 若取100Cd1 = Cd2 则耦合到人体的50Hz工频电压)UCM= Cd1 *220/(Cd1 + Cd2 )=2V 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 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 (2) 人体表面形成电容性耦合干扰 § 7.3 抑制电磁场干扰的主要方法 7.3.1 合理接地 7.3.2 电磁屏蔽 7.3.3 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 7.3.1 合理接地 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 (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 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 (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 对于低频电路 （常见情况） 首先考虑一点接地 (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 造成两点接地 信号源与放大器的地隔离原则 屏蔽线、屏蔽罩的一点接地 7.3.2 电磁场屏蔽 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? 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 7.3.3 抑制干扰的其它措施 7.4.1 噪声的统计量  噪声带宽 噪声带宽Δf：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 功率增益正比于电压增益Ku的平方，所以 例：求一阶RC低通电路的噪声带宽 fC为高频截止频率(即3dB带宽) 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 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 功率谱密度 噪声电压均方值 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 热噪声 由导体中载流子的随机热运动引起 谱密度在各个频率几乎相等，属于白噪声 电压均方值 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 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 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 7.4.3 运算放大器噪声性能参数 带噪声的运算放大器 理想运算放大器 + 等效噪声参数 放大器内所有噪声源产生的噪声，用UN、IN参数表示 UN:与输入端串