第七章 干擾和噪聲

第七章生物醫(yī)學(xué)測量的干擾和噪聲張麒上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院§7.1生理信號的基本特征§7.2人體電子測量的干擾§7.3抑制電磁場干擾的主要方法§7.4噪聲與低噪聲放大器§7.1生理信號的基本特征頻率特性頻帶寬(EMG:DC-10kHz)

幅值特性幅值微弱

EEG:幾微伏-幾百微伏

EMG:幾微伏-幾千微伏

各類生理信號常常復(fù)合交織在一起

采集心電(ECG)信號時，常常混雜有頻帶復(fù)用（或部分復(fù)用）而強(qiáng)度更大的肌電(EMG)信號以及其他無規(guī)律的運(yùn)動干擾信號等。在心電測量中的工頻干擾(a)及肌電干擾(b)

生物醫(yī)學(xué)測量的干擾和噪聲問題：（1）被測信號是微弱信號，測試系統(tǒng)具有較高的靈敏度。靈敏度越高，對干擾和噪聲也就越敏感，即極易把干擾引入測試系統(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。干擾和噪聲的區(qū)別干擾：描述一系統(tǒng)受另一系統(tǒng)的影響而在該系統(tǒng)中產(chǎn)生誤差電壓和電流的現(xiàn)象噪聲：被測信號中加入的隨機(jī)振動，來自于測量系統(tǒng)的內(nèi)部，由構(gòu)成測量系統(tǒng)的材料與元器件產(chǎn)生生物醫(yī)學(xué)信號測量

強(qiáng)干擾和噪聲背景下的微弱信號測量電磁干擾的形成有三個條件：干擾源、耦合通道（即引入方式）與敏感電路（即接受電路）?！?.2人體電子測量的干擾§7.2.1干擾源能產(chǎn)生一定的電磁能量而影響周圍電路正常工作的物體或設(shè)備稱為干擾源。包括自然界宇宙射線、太陽輻射產(chǎn)生的周期電振動；

周圍普通電氣電子設(shè)備產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，如發(fā)動機(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程各種變壓器、廣播、電視、雷達(dá)等傳播的電磁能信號及干擾源的頻率分布§7.2.2干擾耦合的途徑耦合通道傳導(dǎo)耦合經(jīng)公共阻抗耦合電場和磁場耦合電容性耦合電感性耦合經(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，立刻引入其它電路干擾耦合路徑：電場和磁場耦合場的性質(zhì)取決于場源的性質(zhì)場源周圍的介質(zhì)觀察點(diǎn)與源之間的距離以為界區(qū)分近/遠(yuǎn)場用波阻抗描述場源的性質(zhì)遠(yuǎn)場時，Rc等于介質(zhì)特性阻抗，空氣Rc為377Ω近場時場源為大電流低電壓，則Rc<377Ω；磁場性質(zhì)場源為小電流高電壓，則Rc>377Ω；電場性質(zhì)場源場的特性場源的性質(zhì)場傳播時所通過的介質(zhì)λ/2π近場遠(yuǎn)場波阻抗＝電場E磁場H磁場(E/H<377Ω)電場(E/H>377Ω)(E/H=377Ω)在研究電磁場耦合形成干擾時，應(yīng)把以電場為主的干擾與以磁場為主的干擾區(qū)分開電場通過電容性耦合引入干擾磁場通過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。一個導(dǎo)體上的電壓或干擾成分通過分布電容使導(dǎo)體上的電位受到影響，這種現(xiàn)象稱為電容性耦合。平行導(dǎo)線容性耦合若導(dǎo)線2為信號端，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敏感電路的干擾，在不考慮C1時為：（1）電容性耦合增大R，并減小C干擾電場干擾簡單估算Cd1為人體與50Hz、220V電源饋電線之間的分布電容Cd2為人體與大地間的分布電容Cd1<<Cd2若取100Cd1=Cd2則耦合到人體的50Hz工頻電壓)

UCM=Cd1*220/(Cd1+Cd2)=2V足以完全淹沒微弱的生物電信號抑制容性耦合常用的方法：提高輸入阻抗R采用屏蔽導(dǎo)線(需減小干擾源導(dǎo)線和屏蔽伸出導(dǎo)線間耦合電容C)在印制電路板內(nèi)破壞電容耦合最關(guān)鍵的部位，是處在前置級的第一個運(yùn)放；減小共模干擾在印制板布線時，應(yīng)在運(yùn)放的兩輸入管腳處，布一圈地線，以達(dá)到屏蔽的目的。針對50Hz工頻干擾的抑制方法心電圖測量右腿驅(qū)動電路腦電、肌電測量屏蔽、合理接地、濾波器（2）電感性耦合（磁耦合）干擾電流產(chǎn)生的磁通隨時間變化而形成干擾電壓。在系統(tǒng)內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁是形成干擾的主要原因；在系統(tǒng)外部，多數(shù)是由于兩個導(dǎo)線在長距離平行架設(shè)中形成干擾電壓。電路2中的感應(yīng)電壓：抑制電感耦合的常用方法：遠(yuǎn)離干擾源，減小干擾源的影響；采用絞合線的走線方式；盡量減小耦合通道(回路閉合面積A和cosθ值)（2）電感性耦合（磁耦合）每個絞合結(jié)的微小面積所引起的感應(yīng)電壓大體相等，由于相鄰的絞合結(jié)方向相反，而使局部的感應(yīng)電壓相互抵消。（2）電感性耦合（磁耦合）減小耦合通道——減小面積A和cosθ值可采取盡量使信號回路平面與干擾回路平面垂直，并使信號線貼近地平面布線，以減小回路的閉合面積等。多導(dǎo)心電圖、腦電圖等測量時，要求將導(dǎo)線收緊為一束（2）電感性耦合（磁耦合）敏感電路：電極連接導(dǎo)線和輸入放大器(1)電極導(dǎo)聯(lián)線造成電容性耦合干擾§7.2.3接受干擾的敏感電路(2)人體表面形成電容性耦合干擾§7.3抑制電磁場干擾的主要方法7.3.1合理接地7.3.2電磁屏蔽7.3.3其它措施即嚴(yán)格遵守電磁兼容性(electro-magneticcompatibility,EMC)原則，實(shí)現(xiàn)不互相干擾、協(xié)調(diào)共同工作的設(shè)計(jì)考慮7.3.1合理接地合理接地是抑制電場干擾的最好方法原則：正確的一點(diǎn)接地三方面考慮儀器供電系統(tǒng)的安全接地，即保護(hù)接地所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)的工作接地輸入回路或敏感回路的接地(1)安全接地220V、50Hz交流電供電必須有接大地的引線端將機(jī)器外殼和電源地都接入大地數(shù)臺設(shè)備情況一點(diǎn)并聯(lián)接地，避免各設(shè)備單獨(dú)接地或串聯(lián)接地(2)工作接地指電子設(shè)備系統(tǒng)的各個電路部分其接地也應(yīng)遵循一點(diǎn)接地原則保持各電路同參考零電位

(否則將引起工頻干擾的加劇)對于高頻電路由于輻射性強(qiáng)，要求各引線盡可能短優(yōu)先考慮引線短，再考慮一點(diǎn)接地對于低頻電路（常見情況）首先考慮一點(diǎn)接地(3)敏感回路的接地兩點(diǎn)接地帶來干擾從電極到前置放大器一般有大于1m的屏蔽電纜信號源一側(cè)的地與后面放大器的地電位不可能完全相等造成兩點(diǎn)接地不滿足一點(diǎn)接地將造成很大干擾干擾電位差信號源與放大器的地隔離原則屏蔽線、屏蔽罩的一點(diǎn)接地屏蔽線和屏蔽罩如果不接地或接地不良，

特別是內(nèi)部裝有前置放大器的屏蔽罩不接地，

可能根本無法工作電容與放大器形成反饋電路，可能引起放大器振蕩無法工作7.3.2電磁場屏蔽在測量系統(tǒng)工作區(qū)域加以金屬封閉隔離層，以屏蔽從其它區(qū)域傳播來的電場或磁場輻射干擾各單元部件或整個系統(tǒng)都可進(jìn)行屏蔽全屏蔽、局部屏蔽高頻電磁場屏蔽原理：渦流反磁場作用材料：高電導(dǎo)率材料厚度：沒有要求，滿足機(jī)械強(qiáng)度接地：需要接地，防止靜電積累低頻電磁場屏蔽原理：將干擾磁通限制在低磁阻屏蔽層內(nèi)，使其不進(jìn)入工作區(qū)內(nèi)材料：高磁導(dǎo)率材料厚度：應(yīng)具有足夠的厚度以減小磁阻，可采用兩層或多層結(jié)構(gòu)接地：良好接地7.3.3抑制干擾的其它措施§7.4噪聲和低噪聲放大器噪聲——測量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、材料、部件的物理因素產(chǎn)生的固有的自然不穩(wěn)定擾動稱為噪聲（電壓或電流）。系統(tǒng)內(nèi)部噪聲往往成為測量精度的限制性因素。測試系統(tǒng)的噪聲不可能完全被消除，但是通過對噪聲過程的分析，進(jìn)行合理的低噪聲設(shè)計(jì)，可以使噪聲降到最低限度，從而使信號在傳輸過程中保持較高的質(zhì)量。對于生物體而言，所測量生物體信號以外的其它生物信號也可視為噪聲。但本章只討論測量系統(tǒng)內(nèi)部固有的自然擾動這類噪聲。噪聲電壓或電流是隨機(jī)的，服從于一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。噪聲的基本特性可以用統(tǒng)計(jì)量來描述：均方值σ2——噪聲的強(qiáng)度概率密度p(U)——噪聲在幅度域里的分布密度一般服從高斯（正態(tài)）分布功率譜密度S(f)——噪聲在頻域里的特性白噪聲：在很寬的頻率范圍內(nèi)，噪聲具有恒定的S(f)，為常數(shù)1/f噪聲：S(f)隨f升高而下降7.4.1噪聲的統(tǒng)計(jì)量

噪聲帶寬噪聲帶寬Δf：噪聲功率增益KP曲線對頻率f的積分除以最大功率增益KP0功率增益正比于電壓增益

Ku的平方，所以例：求一階RC低通電路的噪聲帶寬

fC為高頻截止頻率(即3dB帶寬)7.4.2生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)主要噪聲類型1/f噪聲（閃爍噪聲）熱噪聲散粒噪聲1/f噪聲凡兩個材料之間不完全接觸，形成起伏的

電導(dǎo)率便產(chǎn)生1/f噪聲發(fā)生在兩個導(dǎo)體連接的地方，如開關(guān)、繼電器或

晶體管、二極管的不良接觸……低頻噪聲，500-2kHz功率譜密度噪聲電壓均方值

例：若K=5*10-10V2/Hz,則在100-200Hz范圍，1/f噪聲電壓均方根值為18.6uV熱噪聲由導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動引起譜密度在各個頻率幾乎相等，屬于白噪聲電壓均方值削弱熱噪聲方法：降低溫度（如超低溫技術(shù)）減小頻帶寬度減小傳感器電阻散粒噪聲半導(dǎo)體器件中載流子擴(kuò)散到基區(qū)不一致，使流過的載流子數(shù)目發(fā)生起伏，從而引起電流的無規(guī)則變化屬于白噪聲與流過半導(dǎo)體PN結(jié)位壘的電流有關(guān)，所以二極管、晶體管、集成運(yùn)算放大器都存在散粒噪聲，一般導(dǎo)體無此噪聲帶噪聲的運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器+等效噪聲參數(shù)放大器內(nèi)所有噪聲源產(chǎn)生的噪聲，用UN、IN參數(shù)表示UN:與輸入端串聯(lián)的阻抗為零的噪聲電壓發(fā)生器IN:與輸入端并聯(lián)的阻抗為無窮大的噪聲電流發(fā)生器7.4.3運(yùn)算放大器噪聲性能參數(shù)UNS為信號源內(nèi)阻Rs熱噪聲電壓均方根值運(yùn)放的等效輸入噪聲UNI為信噪比和噪聲系數(shù)信噪比噪聲系數(shù)放大器輸入的信噪比與輸出的信噪比的比值理想放大器本身無噪聲，源電阻的熱噪聲經(jīng)放大器后不會增加，因此NF=0dB，但實(shí)際由于放大器有噪聲源存在，因此NF>0dB例：放大器NF=6dB，輸出信噪比為10，通頻帶為10kHz，求輸入源的信號功率最小是多少（按室溫25度源電阻熱噪聲計(jì)算）答：噪聲匹配F經(jīng)過推導(dǎo)F最小值時對應(yīng)Rs

此時最小噪聲系數(shù)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，這一過程為電路的噪聲匹配多級放大器的噪聲系數(shù)多級放大器解釋：第一級放大器的噪聲系數(shù)對總噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)最大，第二級以后的噪聲系數(shù)都要除以功率增益，其影響逐級減小對設(shè)計(jì)放大器的指導(dǎo)意義：降低第一級噪聲系數(shù)是實(shí)現(xiàn)低噪聲多級放大器的原則；增加第一級的功率增益，可減弱后續(xù)級的噪聲影響三級放大器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)特點(diǎn)：以低噪聲為