第七章 干擾和噪聲

1、上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程第七章第七章 生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的干擾和噪聲干擾和噪聲張麒張麒上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程u 7.1 生理信號(hào)的基本特征u 7.2 人體電子測(cè)量的干擾u 7.3 抑制電磁場(chǎng)干擾的主要方法u 7.4 噪聲與低噪聲放大器上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 7.1 生理信號(hào)的基本特征o 頻率特性 頻帶寬(EMG:DC-10kHz) o 幅值特性 幅值微弱 EEG:幾微伏-幾百微伏 EMG:幾微伏-幾千微伏o 各類(lèi)生理信號(hào)常常復(fù)合交織在一起 采集心電(ECG)信號(hào)時(shí)，常?；祀s有頻帶復(fù)用（或部分復(fù)用）而強(qiáng)度更大的肌電(EMG

2、)信號(hào)以及其他無(wú)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)等。上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程在心電測(cè)量中的工頻干擾(a)及肌電干擾(b)上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的干擾和噪聲問(wèn)題：（1）被測(cè)信號(hào)是微弱信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)具有較高的靈敏度。靈敏度越高，對(duì)干擾和噪聲也就越敏感，即極易把干擾引入測(cè)試系統(tǒng)或者放大噪聲。（2）工頻50Hz干擾幾乎落在所有生物電信號(hào)的頻帶范圍之內(nèi)，而50Hz干擾又是普遍存在的。（3）生物體本身屬于電的良導(dǎo)體，而且“目標(biāo)”大，難以屏蔽并很容易接受外部干擾。上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程干擾和噪聲的區(qū)別干擾和噪聲的區(qū)別u干擾：描述一系統(tǒng)受另一系統(tǒng)的影響而在該系統(tǒng)中產(chǎn)生誤

3、差電壓和電流的現(xiàn)象u噪聲：被測(cè)信號(hào)中加入的隨機(jī)振動(dòng)，來(lái)自于測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)部，由構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)的材料與元器件產(chǎn)生u生物醫(yī)學(xué)信號(hào)測(cè)量 強(qiáng)干擾和噪聲背景下的微弱信號(hào)測(cè)量上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 電磁干擾的形成有三個(gè)條件：干擾源、耦合通道（即引入方式）與敏感電路（即接受電路）。 7.2 人體電子測(cè)量的干擾上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 7.2.1 干擾源 能產(chǎn)生一定的電磁能量而影響周?chē)娐氛９ぷ鞯奈矬w或設(shè)備稱(chēng)為干擾源。 包括自然界宇宙射線、太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的周期電振動(dòng)；周?chē)胀姎怆娮釉O(shè)備產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，如發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火繼電器觸電引起電弧照明電燈的輝光放電電容電感瞬變過(guò)程各種變壓器、廣播、電視

4、、雷達(dá)等傳播的電磁能上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程信號(hào)及干擾源的頻率分布上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程 7.2.2 干擾耦合的途徑耦合通道傳導(dǎo)耦合經(jīng)公共阻抗耦合電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合電容性耦合電感性耦合上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程經(jīng)公共阻抗耦合電源內(nèi)阻及電源線的公共阻抗公共接地電阻一個(gè)電路的干擾電流經(jīng)公共阻抗形成干擾壓降，立刻引入其它電路上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程干擾耦合路徑：電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合干擾耦合路徑：電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合u場(chǎng)的性質(zhì)取決于n場(chǎng)源的性質(zhì)n場(chǎng)源周?chē)慕橘|(zhì)n觀察點(diǎn)與源之間的距離 l以 為界區(qū)分近/遠(yuǎn)場(chǎng)u用波阻抗描述場(chǎng)源的性質(zhì)n遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，Rc等于介質(zhì)特性阻抗，空氣Rc為

5、377n近場(chǎng)時(shí)l場(chǎng)源為大電流低電壓，則Rc377 ；電場(chǎng)性質(zhì)/ 2/cRE H上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程場(chǎng)源場(chǎng)的特性場(chǎng) 源 的 性 質(zhì)場(chǎng)傳播時(shí)所通過(guò)的介質(zhì)/2近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)波阻抗電場(chǎng)E磁場(chǎng)H磁場(chǎng)(E/H377)(E/H=377)上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程在研究電磁場(chǎng)耦合形成干擾時(shí)，應(yīng)把以電場(chǎng)為主的干擾與以磁場(chǎng)為主的干擾區(qū)分開(kāi)電場(chǎng)通過(guò)電容性耦合引入干擾磁場(chǎng)通過(guò)電感性耦合引入干擾（1） 電容性耦合 在電子系統(tǒng)內(nèi)部元件和元件之間，導(dǎo)線和導(dǎo)線之間以及導(dǎo)線與元件，導(dǎo)線、元件與結(jié)構(gòu)件之間都存在著分布電容。一個(gè)導(dǎo)體上的電壓或干擾成分通過(guò)分布電容使導(dǎo)體上的電位受到影響，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電容性耦合。上

6、海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程平行導(dǎo)線容性耦合 若導(dǎo)線2為信號(hào)端，與放大器輸入端相連，那么便構(gòu)成敏感電路。由容性耦合形成的對(duì)敏感電路的干擾，在不考慮C1時(shí)為：（1） 電容性耦合增大R，并減小C2121()ssj CuujCCR干擾上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程電場(chǎng)干擾簡(jiǎn)單估算電場(chǎng)干擾簡(jiǎn)單估算uCd1為人體與50Hz、220V電源饋電線之間的分布電容uCd2為人體與大地間的分布電容uCd1 0dBu例：n放大器NF=6dB，輸出信噪比為10，通頻帶為10kHz，求輸入源的信號(hào)功率最小是多少（按室溫25度源電阻熱噪聲計(jì)算）n答：2116,440/40.6 10SISONINONItsSI

7、NFdB FPPFPPPURkT fPmW上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程噪聲匹配噪聲匹配uF經(jīng)過(guò)推導(dǎo)uF最小值時(shí)對(duì)應(yīng)Rs此時(shí)最小噪聲系數(shù)u調(diào)整源電阻，使其等于最佳源電阻，從而使噪聲系數(shù)最小，這一過(guò)程為電路的噪聲匹配22144NNSSUI RFkTRfkT f 0NSSNURRImin12NNU IFkT f 上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程多級(jí)放大器的噪聲系數(shù)多級(jí)放大器的噪聲系數(shù)u多級(jí)放大器n解釋?zhuān)旱谝患?jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)總噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)最大，第二級(jí)以后的噪聲系數(shù)都要除以功率增益，其影響逐級(jí)減小 n對(duì)設(shè)計(jì)放大器的指導(dǎo)意義：降低第一級(jí)噪聲系數(shù)是實(shí)現(xiàn)低噪聲多級(jí)放大器的原則 ；增加第一級(jí)的

8、功率增益，可減弱后續(xù)級(jí)的噪聲影響u三級(jí)放大器32111212(1)111nnFFFFFAPAPAPAPAPAP32111211FFFFAPAPAP上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程7.4.4 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)u低噪聲放大器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：n以低噪聲為關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)電路，放大器的增益、頻率響應(yīng)等非噪聲質(zhì)量的指標(biāo)，則可以在滿足噪聲要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。u設(shè)計(jì)步驟：上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程u噪聲性能指標(biāo)n等效輸入噪聲上海大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)傳感器與測(cè)量”課程u噪聲匹配n低噪聲放大器首先考慮的不是增益大小，而是選擇最佳源電阻時(shí)的Rsn傳感器與前置放大器直接連接，應(yīng)選擇適當(dāng)