第二章 信號測量的基本條件-2

1、生物醫(yī)學電子學生物醫(yī)學電子學生物醫(yī)學電子學第二章第二章 信號測量的基本條件信號測量的基本條件第一節(jié)第一節(jié) 人體測量的電磁干擾人體測量的電磁干擾 第二節(jié)第二節(jié) 測試系統(tǒng)的噪聲測試系統(tǒng)的噪聲 第三節(jié)第三節(jié) 低噪聲放大器設計低噪聲放大器設計 Biomedical Electronics生物醫(yī)學電子學 合理接地是抑制干擾的主要方法，把接地和屏蔽正確合理接地是抑制干擾的主要方法，把接地和屏蔽正確地結(jié)合使用能解決大部分干擾問題。接地指印刷板上的局地結(jié)合使用能解決大部分干擾問題。接地指印刷板上的局部電路中和測試系統(tǒng)整機中地線的布置。另一方面，在生部電路中和測試系統(tǒng)整機中地線的布置。另一方面，在生物醫(yī)學測量中

2、，從安全的角度考慮，合理的良好接地也是物醫(yī)學測量中，從安全的角度考慮，合理的良好接地也是十分重要的。在此，兩方面一并予以討論。十分重要的。在此，兩方面一并予以討論。 ( (一一) )合理接地合理接地 系統(tǒng)中的接地線分為兩類：系統(tǒng)中的接地線分為兩類：安全接地：安全接地：也稱為保護接地，保護地線必須是大地電位。也稱為保護接地，保護地線必須是大地電位。工作接地：工作接地：對信號電壓設立基準電位，工作地線的設計可對信號電壓設立基準電位，工作地線的設計可以是大地電位，也可以不是大地電位。以是大地電位，也可以不是大地電位。 當保護地線與工作地線配合不好時，就會產(chǎn)生干擾。當保護地線與工作地線配合不好時，就會

3、產(chǎn)生干擾。 2.1.2 2.1.2 合理接地與屏蔽合理接地與屏蔽生物醫(yī)學電子學 為安全起見，一般電氣設備機殼都應接地。在生物醫(yī)學為安全起見，一般電氣設備機殼都應接地。在生物醫(yī)學測量中，接地更加重要。接地可以在任何情況下，使人經(jīng)常測量中，接地更加重要。接地可以在任何情況下，使人經(jīng)常接觸的接觸的機殼保持零電位機殼保持零電位，避免大的電流流過人體造成電擊。，避免大的電流流過人體造成電擊。機殼的電位機殼的電位是由于雜散阻抗形成漏電通路或者產(chǎn)生絕緣擊穿是由于雜散阻抗形成漏電通路或者產(chǎn)生絕緣擊穿形成的。下圖描述發(fā)生宏電擊和微電擊的兩種情況。形成的。下圖描述發(fā)生宏電擊和微電擊的兩種情況。 1安全接地安全接地

4、生物醫(yī)學電子學 在生物醫(yī)學測量中，安全接地可分為三種：在生物醫(yī)學測量中，安全接地可分為三種：電源接電源接地，保護接地，等電位接地地，保護接地，等電位接地。相輔相成，達到絕對安全、。相輔相成，達到絕對安全、避免發(fā)生宏電擊的目的。避免發(fā)生宏電擊的目的。 （1 1）電源接地）電源接地 由于電源的負載由于電源的負載( (即儀器即儀器) )接地方式不接地方式不同，有以下三種供電方法，如圖所示。同，有以下三種供電方法，如圖所示。(a)把中線把中線( (零線零線) )或一條配電線接地，負載分別另行接地或一條配電線接地，負載分別另行接地。生物醫(yī)學電子學(b)(b)為中線和負載的地線合用，因此多數(shù)情況下中線存在

5、為中線和負載的地線合用，因此多數(shù)情況下中線存在電流，負載儀器的外殼電位被升高電流，負載儀器的外殼電位被升高 ( (為流經(jīng)中線電流與中線為流經(jīng)中線電流與中線電阻的乘積電阻的乘積) )(c)(c)為中線接地，另外再配備一條接地線，為中線接地，另外再配備一條接地線， 負載接地與其相負載接地與其相連，雖增加了一根配線，但更加安全，是醫(yī)療設施和測量連，雖增加了一根配線，但更加安全，是醫(yī)療設施和測量的合理的接地方法。的合理的接地方法。生物醫(yī)學電子學電源側(cè)接地的標準電阻值電源側(cè)接地的標準電阻值為為l0l0以下。接地電阻形以下。接地電阻形成的負載外殼電位稱為成的負載外殼電位稱為接接觸電位觸電位，其隨接地電阻的

6、，其隨接地電阻的變化如圖。變化如圖。接觸電壓限制在接觸電壓限制在12V12V以下，以下，接地電阻應在接地電阻應在1.51.5以下；以下；若限制在若限制在24v24v以下，接地以下，接地電阻須在電阻須在33以下。以下。 實際上取得如此低的接地電阻是非常不容易的，工實際上取得如此低的接地電阻是非常不容易的，工程上允許的接地電阻有的可達程上允許的接地電阻有的可達100100，這時接觸電壓達到，這時接觸電壓達到100v100v，等于沒有接地。如果取人體電阻為，等于沒有接地。如果取人體電阻為1k1k，會有，會有91v91v電壓施加于人體，造成宏電擊。因此，需采用輔助手段電壓施加于人體，造成宏電擊。因此，

7、需采用輔助手段才能夠確保安全，即采取各種形式的保護接地電路。才能夠確保安全，即采取各種形式的保護接地電路。生物醫(yī)學電子學 保護接地是為了把漏電流和絕緣失效時的事故電流，保護接地是為了把漏電流和絕緣失效時的事故電流，安全地流入大地而附加的接地保護。圖（安全地流入大地而附加的接地保護。圖（a a）為在人體與）為在人體與儀器外殼接觸時實現(xiàn)與人體儀器外殼接觸時實現(xiàn)與人體( (等效電阻為等效電阻為Rb)Rb)并聯(lián)小電阻并聯(lián)小電阻R R圖（圖（b b）為串聯(lián)一大電阻）為串聯(lián)一大電阻R R，達到保護接地的目的。，達到保護接地的目的。（2 2）保護接地）保護接地生物醫(yī)學電子學圖（圖（c c）為）為過流保護過流

8、保護，當發(fā)生接地，當發(fā)生接地事故時，有過大電流流過電路，使事故時，有過大電流流過電路，使過流保護器工作，切斷電路。但是，過流保護器工作，切斷電路。但是，如果通過接地點的接地回路阻抗不如果通過接地點的接地回路阻抗不夠小，過流保護器可能不工作，就夠小，過流保護器可能不工作，就達不到保護的作用。達不到保護的作用。圖（圖（d d）為）為漏電斷路保護，漏電斷路保護，斷路裝斷路裝置是利用電流之差檢測接地電流，置是利用電流之差檢測接地電流，是一種差動變壓器，正常時往返的是一種差動變壓器，正常時往返的電流相等，次級線圈沒有輸出電壓；電流相等，次級線圈沒有輸出電壓；負載一有接地時，負載一有接地時， 因往返的電流

9、因往返的電流不同，在次級線圈產(chǎn)生電壓，利用不同，在次級線圈產(chǎn)生電壓，利用這個輸出電壓經(jīng)過放大切斷電路，這個輸出電壓經(jīng)過放大切斷電路，使接觸電壓達不到危險的持續(xù)時間。使接觸電壓達不到危險的持續(xù)時間。 生物醫(yī)學電子學 如果產(chǎn)生的接地電位和人體的電位相等，那么電流也如果產(chǎn)生的接地電位和人體的電位相等，那么電流也不會通過人體，這種為了得到等電位的附加接地稱為不會通過人體，這種為了得到等電位的附加接地稱為等電等電位接地位接地。 安全標準中，規(guī)定要求離患者安全標準中，規(guī)定要求離患者2.5m2.5m以內(nèi)的范圍要取得以內(nèi)的范圍要取得等電位化，這是患者伸手或借助其他人所能接觸的范圍，等電位化，這是患者伸手或借助

10、其他人所能接觸的范圍，這一范圍稱為這一范圍稱為患者環(huán)境患者環(huán)境。 生物醫(yī)學側(cè)量中，大多數(shù)情況是數(shù)臺電子設備用于人生物醫(yī)學側(cè)量中，大多數(shù)情況是數(shù)臺電子設備用于人體，同時工作，這時應特別注意各設備的接地安全，防止體，同時工作，這時應特別注意各設備的接地安全，防止發(fā)生微電擊。數(shù)臺設備并用，其接地方式可能有以下三種：發(fā)生微電擊。數(shù)臺設備并用，其接地方式可能有以下三種：分別單獨進行接地；共用一條接地線；一點接地。分別單獨進行接地；共用一條接地線；一點接地。（3 3）等電位接地）等電位接地生物醫(yī)學電子學對于第一種方式，以兩臺為例，裝對于第一種方式，以兩臺為例，裝置置A A和裝置和裝置B B的地線分別接于人

11、體的的地線分別接于人體的a a點和點和b b 點，如圖點，如圖i iA A、i iB B為漏電流，為漏電流， R RA A、R RB B為接地電阻，由于為接地電阻，由于a a、b b的電的電位不同會產(chǎn)生電流，當位不同會產(chǎn)生電流，當a a接觸心臟接觸心臟時，電流超過時，電流超過10A10A就會產(chǎn)生微電擊，就會產(chǎn)生微電擊，在出現(xiàn)故障時，接地電流會變得更在出現(xiàn)故障時，接地電流會變得更大，還有產(chǎn)生宏電擊的危險。因此，大，還有產(chǎn)生宏電擊的危險。因此，單獨的接地方式，在生物醫(yī)學測量單獨的接地方式，在生物醫(yī)學測量中應避免。中應避免。下圖畫出了多臺設備接地的三種方式下圖畫出了多臺設備接地的三種方式（a）分別單

12、獨進行接地 （b）共用一條接地線 （c）一點接地生物醫(yī)學電子學對于第二種方式，對于第二種方式，a a、b b之間電之間電位取決于位取決于A A、B B間電流，如果事間電流，如果事故發(fā)生在故發(fā)生在B B設備，就會產(chǎn)生較設備，就會產(chǎn)生較大的接地電流，發(fā)生電擊事故。大的接地電流，發(fā)生電擊事故。但最根本的辦法是與患者相連但最根本的辦法是與患者相連的各臺設備的地線接到公共地的各臺設備的地線接到公共地線的同一點上，稱之為測量的線的同一點上，稱之為測量的一點接地方式。這是安全接地一點接地方式。這是安全接地的最好方的最好方 式，如圖所示。式，如圖所示。結(jié)結(jié) 論：在同一室內(nèi)，不允許存在不同系統(tǒng)的接地線；論：在同

13、一室內(nèi)，不允許存在不同系統(tǒng)的接地線；室內(nèi)的接地線采用一點接地。室內(nèi)的接地線采用一點接地。為了做到一點接地，在一個室內(nèi)，應設置接地母線，實現(xiàn)為了做到一點接地，在一個室內(nèi)，應設置接地母線，實現(xiàn)等電位接地。同室多位患等電位接地。同室多位患 者，也只能設置一個接地母線。者，也只能設置一個接地母線。 生物醫(yī)學電子學 接地設計應考慮兩點接地設計應考慮兩點（a a）所有導線都具有一定的阻抗，高頻時導線）所有導線都具有一定的阻抗，高頻時導線的表面呈現(xiàn)一定電抗，其值甚至超過導線電阻；的表面呈現(xiàn)一定電抗，其值甚至超過導線電阻；（b b）兩個分開的接地點不是等電位的，交流電）兩個分開的接地點不是等電位的，交流電源的

14、地線不能用作信號地線，一段電源地線兩點源的地線不能用作信號地線，一段電源地線兩點間會達到數(shù)百毫伏、甚至幾伏的電壓，對低電平間會達到數(shù)百毫伏、甚至幾伏的電壓，對低電平電路電路 ( (如生物信號放大器的前置級如生物信號放大器的前置級) )來說，這已是來說，這已是非常大的干擾。電源線接地線為了安全一非常大的干擾。電源線接地線為了安全一 般是般是一點接地方式。一點接地方式。2 2工作接地工作接地生物醫(yī)學電子學工作接地方式有兩種：一點接地和多點接地工作接地方式有兩種：一點接地和多點接地從抗干擾角度，圖從抗干擾角度，圖(a)(a)的共用地線方式最不適用，的共用地線方式最不適用，R Rl l、R R2 2、

15、R R3 3為為地線的等效電阻，地線的等效電阻，I I1 1、I I2 2、I I3 3是電路接地電流，則是電路接地電流，則A A點電位不等點電位不等零。零。 V VA A= =（I I1 1+I+I2 2+I+I3 3）R Rl l ，V VC C = =（I I1 1+I+I2 2+I+I3 3）R Rl l+ +（I I2 2+I+I3 3）R R2 2+I+I3 3R R3 3。這種方式雖不合理，但簡單、方便，在電路電平相差不多時，這種方式雖不合理，但簡單、方便，在電路電平相差不多時，仍可使用。仍可使用。注意注意低電平電路低電平電路( (如電路如電路1)1)放在距離接地點最近處放在距離

16、接地點最近處（如（如A A），使之最接近地電位。），使之最接近地電位。（1 1）一點接地的串聯(lián)形式和并聯(lián)形式）一點接地的串聯(lián)形式和并聯(lián)形式生物醫(yī)學電子學在生物信號測量中，由于是低頻信號，最適用的是圖在生物信號測量中，由于是低頻信號，最適用的是圖(b)(b)所示的所示的并聯(lián)接地方式并聯(lián)接地方式。A A、B B、C C點電位只與本電路的地點電位只與本電路的地電流、地線電阻有關。電流、地線電阻有關。并聯(lián)方式的一點接地，由于各電路之間形成耦合而不適用并聯(lián)方式的一點接地，由于各電路之間形成耦合而不適用于高頻。于高頻。高頻時要考慮地線的感抗和各地線之間的電感耦高頻時要考慮地線的感抗和各地線之間的電感耦合，

17、以及地線之間的分布電容形成耦合。當頻率升高，地合，以及地線之間的分布電容形成耦合。當頻率升高，地線長度是線長度是1/41/4的奇數(shù)倍時，地線阻抗會變得很高，地線就的奇數(shù)倍時，地線阻抗會變得很高，地線就成了天線，成了天線， 向外輻射干擾。所以向外輻射干擾。所以地線長度應短于信號波地線長度應短于信號波長的十分之一長的十分之一，以防止輻射，并降低地線阻抗。，以防止輻射，并降低地線阻抗。生物醫(yī)學電子學 電路中所用的地線分別連電路中所用的地線分別連到最近的低阻抗到最近的低阻抗地線排地線排，地線排，地線排一般用大面積的鍍銀銅皮。注意，一般用大面積的鍍銀銅皮。注意，由于高頻時的集膚效應，增加銅由于高頻時的集

18、膚效應，增加銅（2 2）多點接地方式）多點接地方式皮厚度并不能減小接地阻抗。由實驗得到，皮厚度并不能減小接地阻抗。由實驗得到，各接地點的間各接地點的間距應小于距應小于0.150.15。 長電纜多點接地有利于屏蔽層更接近地電位長電纜多點接地有利于屏蔽層更接近地電位，因為高，因為高頻時屏蔽層對地分布電容和自身阻抗影響較大，多點接地頻時屏蔽層對地分布電容和自身阻抗影響較大，多點接地能減小阻抗的影響，使屏蔽層保持在地電位，即使各接地能減小阻抗的影響，使屏蔽層保持在地電位，即使各接地點之間有電位差，產(chǎn)生的干擾電壓頻率遠低于信號頻率，點之間有電位差，產(chǎn)生的干擾電壓頻率遠低于信號頻率，容易濾除。測試系統(tǒng)里的

19、容易濾除。測試系統(tǒng)里的數(shù)字電路部分數(shù)字電路部分，尤其高速邏輯電，尤其高速邏輯電路中脈沖信號的寬度僅幾個毫微秒，頻譜范圍達幾十兆赫路中脈沖信號的寬度僅幾個毫微秒，頻譜范圍達幾十兆赫茲，分布在線路板的地線，以及板與板之間的地線，均茲，分布在線路板的地線，以及板與板之間的地線，均應應采用多點接地方式采用多點接地方式。 生物醫(yī)學電子學(1) 1MHz(1) 1MHz以下采用一點接地；頻率高于以下采用一點接地；頻率高于10MHz10MHz采用多點接采用多點接地；在地；在1MHz1MHz10MHz10MHz范圍，如用一點接地時，其地線長范圍，如用一點接地時，其地線長度不得超過波長的度不得超過波長的l/20

20、l/20，否則采用多點接地。，否則采用多點接地。(2) (2) 對于低頻電子系統(tǒng)，其接地設計是采用串聯(lián)并聯(lián)綜合對于低頻電子系統(tǒng)，其接地設計是采用串聯(lián)并聯(lián)綜合方式，即在符合干擾標準和簡單易行的條件下，統(tǒng)籌兼顧。方式，即在符合干擾標準和簡單易行的條件下，統(tǒng)籌兼顧。如生物信號的提取及預處理過程，從通過傳感器拾取生物如生物信號的提取及預處理過程，從通過傳感器拾取生物信號，到放大、處理、記錄或顯示，是典型的低頻測量系信號，到放大、處理、記錄或顯示，是典型的低頻測量系統(tǒng)。統(tǒng)。結(jié)論生物醫(yī)學電子學區(qū)分低電平電路、高電平電路以及功率相差很多、干區(qū)分低電平電路、高電平電路以及功率相差很多、干擾電平相差很大的電路，

21、其地線均應分別接地。擾電平相差很大的電路，其地線均應分別接地。系統(tǒng)中要有三個地線：系統(tǒng)中要有三個地線：低電平信號地線低電平信號地線；功率地線功率地線，包括繼電器、電動機、大電流驅(qū)動電源等大功率電路包括繼電器、電動機、大電流驅(qū)動電源等大功率電路及干擾源的地，又稱為干擾地；及干擾源的地，又稱為干擾地；機殼地線機殼地線，包括機架、，包括機架、箱體，又稱為金屬件地線，此地線與交流電源零線相箱體，又稱為金屬件地線，此地線與交流電源零線相接。三套地線自成系統(tǒng)，最后匯集于接地母線。接。三套地線自成系統(tǒng)，最后匯集于接地母線。按照干擾電磁能量把地線分類，把大功率與小功率、按照干擾電磁能量把地線分類，把大功率與小

22、功率、大電流與小電流、高電壓和低電壓電路分開，并把信大電流與小電流、高電壓和低電壓電路分開，并把信號電路配專門的接地回路，避免了大功率、大電流、號電路配專門的接地回路，避免了大功率、大電流、高電壓電路小信號回路的影響。也避免了屏蔽罩、機高電壓電路小信號回路的影響。也避免了屏蔽罩、機殼吸收的干擾對信號回路的影響。這樣三套地線的接殼吸收的干擾對信號回路的影響。這樣三套地線的接地方法，脈絡清晰、便于裝配和檢查。地方法，脈絡清晰、便于裝配和檢查。生物醫(yī)學電子學都經(jīng)功率地線接地，都經(jīng)功率地線接地，其中磁帶盤的電機控其中磁帶盤的電機控制電路最為靈敏，所制電路最為靈敏，所以設在距離接地點最以設在距離接地點最

23、近處。近處。此圖可作為一般低頻此圖可作為一般低頻系統(tǒng)接地設計參考。系統(tǒng)接地設計參考。 例子：九通道數(shù)字磁帶記錄儀的地線系統(tǒng)。例子：九通道數(shù)字磁帶記錄儀的地線系統(tǒng)。 地線設計采用三種地線分開的方法。（地線設計采用三種地線分開的方法。（1 1）信號地線）信號地線包括三條，九個讀出放大器是最靈敏的，所以用兩條地包括三條，九個讀出放大器是最靈敏的，所以用兩條地線。（線。（2 2）九個寫入放大器接受放大器放大后的信號，）九個寫入放大器接受放大器放大后的信號，電平較讀出放大器電平高，所以和接口電路、邏輯控制電平較讀出放大器電平高，所以和接口電路、邏輯控制電路共用一條信號接地線。（電路共用一條信號接地線。（

24、3 3）三個直流電動機及其）三個直流電動機及其控制電路、繼電器等控制電路、繼電器等生物醫(yī)學電子學（1 1）對干擾最敏感的是輸入回路。）對干擾最敏感的是輸入回路。輸入回路以及用屏蔽電纜、輸入回路以及用屏蔽電纜、屏蔽盒的接地設計對系統(tǒng)的抗干擾能力起重要作用。屏蔽盒的接地設計對系統(tǒng)的抗干擾能力起重要作用。用電極用電極拾取生物電信號時，從電極到前置放大器一般約拾取生物電信號時，從電極到前置放大器一般約1m1m，這樣信，這樣信號側(cè)的地和放大器的地電位不完全相等，如果用號側(cè)的地和放大器的地電位不完全相等，如果用多點接地多點接地，則有兩地之間電位差則有兩地之間電位差u uG G疊加在信號電壓疊加在信號電壓u

25、 uS S上上，R R1 1、R R2 2為導聯(lián)線為導聯(lián)線電阻，電阻， R RG G、u uG G為兩地之間電阻和電位差為兩地之間電阻和電位差( (干擾電壓干擾電壓) )，等效電，等效電路如右圖。路如右圖。3敏感回路的接地設計敏感回路的接地設計生物醫(yī)學電子學實際上有實際上有R R2 2 R R1 1+R+RS S+R+Rin in，則放大器輸入端干擾電壓為，則放大器輸入端干擾電壓為 GGsininNURRRRRRRU221如典型值如典型值R RG G =0.01=0.01，U UG G=100mV=100mV， R RS S = = 500500，R R1 1 = = R R2 2 =1=1，

26、 則則U UN N=95mV=95mV， 即即100mV100mV的地電位差幾乎全部都加到放大器的地電位差幾乎全部都加到放大器上。另外，上。另外，A A、B B兩點接地還能造成環(huán)路面積的磁場感性耦合，兩點接地還能造成環(huán)路面積的磁場感性耦合，加重干擾。加重干擾。 生物醫(yī)學電子學（2 2）若增加阻抗）若增加阻抗Z ZSGSG，減少干擾。，減少干擾。如圖，把信號源與地隔如圖，把信號源與地隔離起來，由于漏阻抗和分布電容的存在，離起來，由于漏阻抗和分布電容的存在，Z ZSGSG值較大，理想值較大，理想時可視為無窮大，實際上時可視為無窮大，實際上R R2 2 R R R2 2+R+RG G ，則放大器輸入

27、干擾電壓為則放大器輸入干擾電壓為如果如果Z ZSGSG1M1M，用上述典型值，用上述典型值， U UN N降為降為0.95V0.95V，比信號源，比信號源接地時改善了接地時改善了120dB120dB。在心電測量中，雖然右腿接地。在心電測量中，雖然右腿接地( (放大放大器側(cè)的地器側(cè)的地) )，但如果人體不懸浮，則干擾非常大，無法測量，但如果人體不懸浮，則干擾非常大，無法測量，就是由于就是由于Z ZSGSG太小的原因。太小的原因。GSGsininNUZRRRRRU21生物醫(yī)學電子學 a a、生物信號頻率遠小于、生物信號頻率遠小于1MHz1MHz，用屏蔽線時，屏蔽層，用屏蔽線時，屏蔽層也應一點接地。

28、也應一點接地。屏蔽層有一個以上接地點時將產(chǎn)生干擾電屏蔽層有一個以上接地點時將產(chǎn)生干擾電流，而且通過屏蔽層還將對地形成一個地環(huán)路，產(chǎn)生電感流，而且通過屏蔽層還將對地形成一個地環(huán)路，產(chǎn)生電感性耦合，在屏蔽層中產(chǎn)生干擾電流，經(jīng)過導線與屏蔽層之性耦合，在屏蔽層中產(chǎn)生干擾電流，經(jīng)過導線與屏蔽層之間的分布電容、分布電感耦合到放大器輸入回路形成干擾間的分布電容、分布電感耦合到放大器輸入回路形成干擾電壓。所以，電壓。所以，屏蔽層應對地絕緣，僅保持一點可靠接地屏蔽層應對地絕緣，僅保持一點可靠接地，這一點甚為重要，不可忽視。這一點甚為重要，不可忽視。 在磁場干擾不嚴重或出于其他考慮情況下，電路采用在磁場干擾不嚴重

29、或出于其他考慮情況下，電路采用兩點接地，這時導線屏蔽層也應兩點接地。兩點接地，這時導線屏蔽層也應兩點接地。（3 3）頻率遠小于）頻率遠小于1MHz1MHz時時生物醫(yī)學電子學一點接地一點接地時，放大器接地和信號源接地的情況時，放大器接地和信號源接地的情況（a a）U UG1G1為放大器公共端對地的電位，為放大器公共端對地的電位， U UG2G2為兩個接地點為兩個接地點之間的電位差，可以估算出，這時之間的電位差，可以估算出，這時U UG1G1、U UG1G1都對放大器輸都對放大器輸入沒有影響，不造成干擾電壓。入沒有影響，不造成干擾電壓。(b)(b)信號源公共端與屏蔽層相接，它比地電位高信號源公共端

30、與屏蔽層相接，它比地電位高U UG1G1，不造，不造成放大器輸入端附加干擾電壓。（成放大器輸入端附加干擾電壓。（a a）、（）、（b b）的接地點）的接地點是合理的。是合理的。生物醫(yī)學電子學b、采用屏蔽絞合電纜和同軸電纜屏蔽層接地方式，采用屏蔽絞合電纜和同軸電纜屏蔽層接地方式，如圖如圖所示，所示，A A到到D D表示表示一點接地一點接地。在信號源、放大器都接地時，。在信號源、放大器都接地時，干擾電壓由地環(huán)路形成對磁場的感性耦合。圖干擾電壓由地環(huán)路形成對磁場的感性耦合。圖F F中同軸電中同軸電纜的屏蔽層纜的屏蔽層兩端接地兩端接地，地環(huán)路電流流經(jīng)阻抗較低的電纜，地環(huán)路電流流經(jīng)阻抗較低的電纜屏蔽層而

31、不流經(jīng)芯線，圖屏蔽層而不流經(jīng)芯線，圖E E中芯線造成地環(huán)路電流的分流，中芯線造成地環(huán)路電流的分流，都減小對放大器輸入端的干擾電壓。都減小對放大器輸入端的干擾電壓。 生物醫(yī)學電子學頻率高于頻率高于1MHz1MHz或電纜長度超過波長的或電纜長度超過波長的1/201/20時，時，常采用常采用多點接地方式多點接地方式，以保證屏蔽層上等地電，以保證屏蔽層上等地電位，同時還可提供一定的磁屏蔽。電纜屏蔽層位，同時還可提供一定的磁屏蔽。電纜屏蔽層可以兩點接地，長電纜在每隔可以兩點接地，長電纜在每隔1/101/10波長處接地波長處接地一次。這時地電位差在電路中引起干擾電壓一次。這時地電位差在電路中引起干擾電壓(

32、 (工工頻及其諧波頻及其諧波) )， 由于頻率上的差別，容易濾除。由于頻率上的差別，容易濾除。（4 4）頻率高于）頻率高于1MHz1MHz 或電纜長度超過波長的或電纜長度超過波長的1/201/20時時生物醫(yī)學電子學幾乎所有生物電放大器的前置級都加裝屏蔽罩，這在減幾乎所有生物電放大器的前置級都加裝屏蔽罩，這在減小干擾方面，有十分明顯的效果。小干擾方面，有十分明顯的效果。屏蔽罩接地的原則是屏蔽罩接地的原則是確保屏蔽罩的電位與放大器輸入回路的地電位相等。確保屏蔽罩的電位與放大器輸入回路的地電位相等。 （ a a）圖表示）圖表示地電位差地電位差U UG G產(chǎn)生兩路電流，其中產(chǎn)生兩路電流，其中I I1

33、1經(jīng)經(jīng)R RS S、R Rl l、C C1G1G，I I2 2經(jīng)經(jīng)R R2 2、C C2G2G， 因電流流過的總阻抗不同而在因電流流過的總阻抗不同而在放大器輸入端形成電位差。放大器輸入端形成電位差。（5 5）屏蔽罩接地）屏蔽罩接地生物醫(yī)學電子學圖圖(b)(b)表示表示放大器裝在屏蔽罩內(nèi)放大器裝在屏蔽罩內(nèi)，且使屏蔽罩電位等于，且使屏蔽罩電位等于A A點點電位。屏蔽罩接于電纜的屏蔽層，屏蔽層另一端接電位。屏蔽罩接于電纜的屏蔽層，屏蔽層另一端接A A點，假點，假如如A A點與信號源公共端之間有干擾電壓，則屏蔽罩應直接接點與信號源公共端之間有干擾電壓，則屏蔽罩應直接接到信號源的公共端，這種接地方式也屬

34、于一點接地。注意到信號源的公共端，這種接地方式也屬于一點接地。注意屏蔽罩內(nèi)任意一點與屏蔽罩內(nèi)任意一點與B B點相連都會使屏蔽喪失作用點相連都會使屏蔽喪失作用，為此用，為此用兩層屏蔽罩兩層屏蔽罩，外罩接于，外罩接于B B點如圖點如圖(c)(c)所示，這樣才是安全的。所示，這樣才是安全的。生物醫(yī)學電子學舉一組實際參數(shù)，設舉一組實際參數(shù)，設R RS S=500=500，R R1 1=10k=10k，C C1G1G =C=C2G2G=100pF=100pF，U UG G=100mV=100mV，50Hz50Hz，不加屏蔽罩時不加屏蔽罩時，放大器，放大器輸入端有差動干擾電壓輸入端有差動干擾電壓U UN

35、N式中式中Z Z1G1G、Z Z2G2G為為C C1G1G、C C2G2G的容抗，由此式算出的容抗，由此式算出U UN N為為33v33v。 在加上屏蔽罩后在加上屏蔽罩后，每個輸入端對地電容實際減小為，每個輸入端對地電容實際減小為2PF2PF，則放大器輸入端干擾電壓降為則放大器輸入端干擾電壓降為0.66v0.66v，比不加屏蔽罩時改，比不加屏蔽罩時改善了善了34dB34dB。但隨著干擾頻率提高，干擾電壓將增大。但隨著干擾頻率提高，干擾電壓將增大。GGsGSNUZRRRRZRRU)(222111舉例生物醫(yī)學電子學注意，如果注意，如果屏蔽罩不接地或接地不良，放大器可能根本屏蔽罩不接地或接地不良，放

36、大器可能根本無法工作無法工作，如圖。放大器的屏蔽盒與放大器之間存在的，如圖。放大器的屏蔽盒與放大器之間存在的寄生電容寄生電容C C3S3S和和C C1S1S造成放大器輸出端到輸入端的通路，造成放大器輸出端到輸入端的通路，如果不予消除，則可能使放大器振蕩。因此如果不予消除，則可能使放大器振蕩。因此必須把屏蔽必須把屏蔽體接到放大器的公共瑞，使體接到放大器的公共瑞，使C C2S2S短路，中斷反饋通路短路，中斷反饋通路。生物醫(yī)學電子學 屏蔽屏蔽泛指在兩個空間區(qū)域加以金屬隔離，用以控制泛指在兩個空間區(qū)域加以金屬隔離，用以控制從一個區(qū)域到另一個區(qū)域電場或磁場的傳播。從一個區(qū)域到另一個區(qū)域電場或磁場的傳播。

37、用屏蔽體把干擾源包圍起來，使電磁場不向外擴散，稱為用屏蔽體把干擾源包圍起來，使電磁場不向外擴散，稱為主動屏蔽主動屏蔽， 如圖如圖(a)(a)。屏蔽體用以防止外界電磁輻射，稱。屏蔽體用以防止外界電磁輻射，稱為為被動屏蔽被動屏蔽，如圖，如圖(b)(b)。( (二二) ) 屏蔽屏蔽圖圖(c)(c)為腦電測量示意圖，為腦電測量示意圖，人體、電極連接箱及轉(zhuǎn)換人體、電極連接箱及轉(zhuǎn)換器置于屏蔽室內(nèi)。信號放器置于屏蔽室內(nèi)。信號放大、處理、記錄、電源等大、處理、記錄、電源等放置在屏蔽室外。這樣在放置在屏蔽室外。這樣在腦電信號提取過程中，可腦電信號提取過程中，可免受外界干擾源的干擾免受外界干擾源的干擾( (包括腦

38、電圖機本身電源包括腦電圖機本身電源造成的工頻干擾造成的工頻干擾) )。生物醫(yī)學電子學屏蔽體材料屏蔽體材料 通常采用金屬導體作為通常采用金屬導體作為屏蔽體材料屏蔽體材料，但屏，但屏蔽體材料、結(jié)構(gòu)的選擇取決于屏蔽性質(zhì)的類別和要求。蔽體材料、結(jié)構(gòu)的選擇取決于屏蔽性質(zhì)的類別和要求。屏蔽性質(zhì)的分類屏蔽性質(zhì)的分類 從要屏蔽的電磁場性質(zhì)來劃分，有電場屏蔽從要屏蔽的電磁場性質(zhì)來劃分，有電場屏蔽( (靜電場屏蔽及靜電場屏蔽及交變電場屏蔽交變電場屏蔽) )、磁場屏蔽、磁場屏蔽( (靜磁場屏蔽及交變磁場屏蔽靜磁場屏蔽及交變磁場屏蔽) )及及電磁場屏蔽電磁場屏蔽( (同時存在電場及磁場的同時存在電場及磁場的 輻射電磁

39、場的屏蔽輻射電磁場的屏蔽) )等。等。 從屏蔽體的結(jié)構(gòu)分類，可以分為完整屏蔽體屏蔽從屏蔽體的結(jié)構(gòu)分類，可以分為完整屏蔽體屏蔽( (屏蔽室或屏蔽室或屏蔽盒等屏蔽盒等) )、非完整屏蔽體屏蔽、非完整屏蔽體屏蔽( (帶有孔洞、金屬網(wǎng)、波導管帶有孔洞、金屬網(wǎng)、波導管及蜂窩結(jié)構(gòu)等及蜂窩結(jié)構(gòu)等) )以及編織帶屏蔽以及編織帶屏蔽( (電纜等電纜等) )。 生物醫(yī)學電子學 電場屏蔽電場屏蔽是為了消除或抑制由于電場耦合引起是為了消除或抑制由于電場耦合引起的干擾。的干擾。 （1 1）靜電場的屏蔽靜電場的屏蔽 如果將一個帶電荷的物如果將一個帶電荷的物體靠近另一個不帶電荷的物體，不帶電荷的物體靠體靠近另一個不帶電荷的

40、物體，不帶電荷的物體靠近帶電荷物體的一端會出現(xiàn)相反的電荷，這就產(chǎn)生近帶電荷物體的一端會出現(xiàn)相反的電荷，這就產(chǎn)生靜電感應現(xiàn)象靜電感應現(xiàn)象。設有一導體。設有一導體A A帶正電，則鄰近的導帶正電，則鄰近的導體體B B將感應帶負電，利用金屬屏蔽體對電場可以起將感應帶負電，利用金屬屏蔽體對電場可以起屏蔽作用，即可使導體屏蔽作用，即可使導體A A發(fā)出的電力線不能到達導發(fā)出的電力線不能到達導體體B B。但必須注意，。但必須注意，屏蔽體的屏蔽必須完善并良好屏蔽體的屏蔽必須完善并良好接地，否則不起屏蔽作用接地，否則不起屏蔽作用。 1. 1. 電場屏蔽電場屏蔽生物醫(yī)學電子學（2 2）交變電場的屏蔽交變電場的屏蔽

41、在一個放大器的輸入在一個放大器的輸入端引線端引線A A的附近，如果有一根帶著交變電勢的的附近，如果有一根帶著交變電勢的導線導線B B，那么，這個交變電勢將使引線，那么，這個交變電勢將使引線A A感應起感應起一個變動的電勢。這個變動的電勢與被測信號一個變動的電勢。這個變動的電勢與被測信號混合一起進入放大器，將影響被測信號的真實混合一起進入放大器，將影響被測信號的真實性。此時通過金屬屏蔽體進行屏蔽，即可使電性。此時通過金屬屏蔽體進行屏蔽，即可使電場局限在引線場局限在引線A A之外。之外。但也必須注意，如屏蔽體屏蔽不完善，或接地但也必須注意，如屏蔽體屏蔽不完善，或接地不良，也不能起屏蔽作用，或屏蔽效

42、果很差。不良，也不能起屏蔽作用，或屏蔽效果很差。 采用金屬屏蔽體進行采用金屬屏蔽體進行電場屏蔽應具備兩個條件：電場屏蔽應具備兩個條件：完善的屏蔽及良好接地完善的屏蔽及良好接地。生物醫(yī)學電子學磁場屏蔽磁場屏蔽是為了消除或抑制由于磁場耦合引起的干是為了消除或抑制由于磁場耦合引起的干擾。擾。（1 1）靜磁場靜磁場 電磁鐵或直流線圈產(chǎn)生的磁場均在空電磁鐵或直流線圈產(chǎn)生的磁場均在空間分布磁通，磁力線所通過的路徑稱為磁路。磁力間分布磁通，磁力線所通過的路徑稱為磁路。磁力線主要集中在低磁阻的磁路通過。因此對磁場的屏線主要集中在低磁阻的磁路通過。因此對磁場的屏蔽主要利用高磁導率的材料，如鐵、鎳鋼、坡莫合蔽主要

43、利用高磁導率的材料，如鐵、鎳鋼、坡莫合金等。這些高磁導率的材料具有很低的磁阻，這樣金等。這些高磁導率的材料具有很低的磁阻，這樣磁力線將磁力線將“封閉封閉”在屏蔽體內(nèi)，起了磁屏蔽的作用。在屏蔽體內(nèi)，起了磁屏蔽的作用。2. 2. 磁場屏蔽磁場屏蔽生物醫(yī)學電子學（2 2）低頻交變磁場低頻交變磁場 磁屏蔽的原理同靜磁屏蔽一磁屏蔽的原理同靜磁屏蔽一樣，利用高磁導率材料作屏蔽體，將磁場約束在屏樣，利用高磁導率材料作屏蔽體，將磁場約束在屏蔽體材料內(nèi)。蔽體材料內(nèi)。 磁場的屏蔽不同于電場的屏蔽，屏蔽體接地與磁場的屏蔽不同于電場的屏蔽，屏蔽體接地與否不影響磁屏蔽的效果，但磁屏蔽體對電場也起一否不影響磁屏蔽的效果，

44、但磁屏蔽體對電場也起一定的屏蔽作用，因此一般也接地。定的屏蔽作用，因此一般也接地。 為獲得好的磁屏蔽效果，為獲得好的磁屏蔽效果，必須保證磁路的暢通必須保證磁路的暢通，即小的磁阻。當屏蔽盒需要開狹縫時，狹縫不能切即小的磁阻。當屏蔽盒需要開狹縫時，狹縫不能切斷磁路，即狹縫只能與磁通的方向一致，而不能與斷磁路，即狹縫只能與磁通的方向一致，而不能與磁通的方向垂直，否磁通的方向垂直，否則將影響磁屏蔽的效果。則將影響磁屏蔽的效果。生物醫(yī)學電子學 （3 3）高頻磁場）高頻磁場 磁屏蔽則依據(jù)另一種原理。高頻磁場磁屏蔽則依據(jù)另一種原理。高頻磁場會在屏蔽殼體表面感生渦流，從而產(chǎn)生反磁場來抵消會在屏蔽殼體表面感生渦

45、流，從而產(chǎn)生反磁場來抵消穿過屏蔽體的原來的磁場，同時增強屏蔽體旁邊的磁穿過屏蔽體的原來的磁場，同時增強屏蔽體旁邊的磁場，使磁力線繞行而過，達到磁屏蔽作用。場，使磁力線繞行而過，達到磁屏蔽作用。 高頻磁場主要靠高頻磁場主要靠屏蔽殼體上感生的渦流屏蔽殼體上感生的渦流所產(chǎn)生的反所產(chǎn)生的反磁場起排斥原磁場的作用。渦流越大，屏蔽效果越好。磁場起排斥原磁場的作用。渦流越大，屏蔽效果越好。對于高頻磁場的屏蔽，選用良導體材料，如銅、鋁或?qū)τ诟哳l磁場的屏蔽，選用良導體材料，如銅、鋁或銅鍍銀等。隨著頻率增大，渦流亦增大，即磁屏蔽效銅鍍銀等。隨著頻率增大，渦流亦增大，即磁屏蔽效果越好。但當渦流產(chǎn)生的反磁場足以完全排

46、斥干擾磁果越好。但當渦流產(chǎn)生的反磁場足以完全排斥干擾磁場時，渦流不再增大，保持一個常值。此外，由于趨場時，渦流不再增大，保持一個常值。此外，由于趨膚效應，渦流只在材料的表面產(chǎn)生。因此，對于高頻膚效應，渦流只在材料的表面產(chǎn)生。因此，對于高頻磁場只要很薄的金屬材料就足以屏蔽。磁場只要很薄的金屬材料就足以屏蔽。生物醫(yī)學電子學磁屏蔽的分類 磁屏蔽可分為有源和無源兩種。磁屏蔽可分為有源和無源兩種。有源屏有源屏蔽蔽是指由一個線圈或線圈系統(tǒng)組成的磁屏蔽。儀是指由一個線圈或線圈系統(tǒng)組成的磁屏蔽。儀器磁體的線圈中通以正向電流，以產(chǎn)生所需的工器磁體的線圈中通以正向電流，以產(chǎn)生所需的工作磁場。屏蔽線圈中則通以反向電

47、流，以產(chǎn)生反作磁場。屏蔽線圈中則通以反向電流，以產(chǎn)生反向的磁場來抵消工作磁場的雜散磁場，從而達到向的磁場來抵消工作磁場的雜散磁場，從而達到屏蔽的目的。如果線圈排列合理或電流控制準確，屏蔽的目的。如果線圈排列合理或電流控制準確，屏蔽線圈所產(chǎn)生的磁場就有可能抵消雜散磁場。屏蔽線圈所產(chǎn)生的磁場就有可能抵消雜散磁場。無源屏蔽無源屏蔽使用鐵磁性屏蔽體，即上面所說的軟磁使用鐵磁性屏蔽體，即上面所說的軟磁材料罩殼，因不使用電流源而得名。根據(jù)屏蔽范材料罩殼，因不使用電流源而得名。根據(jù)屏蔽范圍的不同，無源磁屏蔽可分為下述三種：圍的不同，無源磁屏蔽可分為下述三種：生物醫(yī)學電子學 a.房屋屏蔽房屋屏蔽：即在磁體室的

48、四周墻壁、地即在磁體室的四周墻壁、地基和天花板等六面均鑲?cè)牖吞旎ò宓攘婢側(cè)?8mm厚的鋼板，厚的鋼板，構(gòu)成封閉的磁屏蔽間。這種屏蔽體的用材常達構(gòu)成封閉的磁屏蔽間。這種屏蔽體的用材常達數(shù)十噸甚至上百噸，價格昂貴。數(shù)十噸甚至上百噸，價格昂貴。 b.定向屏蔽定向屏蔽：如果雜散磁場的分布僅如果雜散磁場的分布僅在某個方向超出了規(guī)定的限度，則可只在對應在某個方向超出了規(guī)定的限度，則可只在對應方向的墻壁中安裝屏蔽物，形成雜散磁場的定方向的墻壁中安裝屏蔽物，形成雜散磁場的定向屏蔽。這種方法特別適用于向屏蔽。這種方法特別適用于MRI室和室和CT室室共用一建筑物的情形。共用一建筑物的情形。生物醫(yī)學電子學 c

49、.自屏蔽自屏蔽：自屏蔽是指僅在磁體周圍自屏蔽是指僅在磁體周圍安裝鐵磁材料屏蔽體的屏蔽方法。用這安裝鐵磁材料屏蔽體的屏蔽方法。用這種方法可以得到非常理想的屏蔽效果。種方法可以得到非常理想的屏蔽效果。如果再在屋頂加裝定向屏蔽，則它有可如果再在屋頂加裝定向屏蔽，則它有可能使主磁場完全限制在一般建筑物的樓能使主磁場完全限制在一般建筑物的樓層高度之內(nèi)。自屏蔽的缺點是其屏蔽體層高度之內(nèi)。自屏蔽的缺點是其屏蔽體重量往往多達數(shù)十噸。但是，它對外界重量往往多達數(shù)十噸。但是，它對外界磁干擾的屏蔽既有效又方便。磁干擾的屏蔽既有效又方便。生物醫(yī)學電子學 在遠離干擾源的情況下，單純的電場或磁場是很少在遠離干擾源的情況下，