現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì)課程第二版-第二章

復(fù)習(xí)總結(jié)第一章：概述醫(yī)用電子儀器；醫(yī)學(xué)儀器的結(jié)構(gòu)各工作方式；主要技術(shù)特性；醫(yī)學(xué)儀器的特殊性；生理系統(tǒng)的建模；醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)原則與步驟第二章生物信息測量中的噪聲和干擾

噪聲：內(nèi)部噪聲（人體內(nèi)部、測試設(shè)備內(nèi)部噪聲）；干擾：外部干擾生物信息的基本特征：微弱的低頻信號。（醫(yī)用儀器的特殊性――噪聲特性）。微弱信號――需要較大的放大倍數(shù)；（同樣噪聲也被放大）；低頻特性――50Hz工頻干擾幾乎落在所有生物電信號怕頻帶范圍內(nèi)；生物體本身屬良導(dǎo)體，而且“目標(biāo)”大，難以屏蔽，很容易受外部干擾。尤其是50Hz工頻干擾為所有生物體所攜帶。生物信息測量系統(tǒng)的主要噪聲和干擾：生物信息測量中測量系統(tǒng)對外界干擾十分敏感，其原因：第一節(jié)人體電子測量系統(tǒng)中的電磁干擾

干擾的引入干擾形成的三個條件：干擾源、耦合通道（即引入方式）與敏感電路（即接收電路）。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。

干擾源

耦合通道

敏感電路干擾耦合途徑傳導(dǎo)耦合：經(jīng)導(dǎo)線傳播把干擾引入測試系統(tǒng)。如：交流電源線、測試系統(tǒng)中的長線。經(jīng)公共阻抗耦合：前置級電路I電路IIVc1VcsRceRcs電場和磁場耦合近場：遠(yuǎn)場：

：電磁波波長電場干擾：主要以電容耦合引入。磁場干擾：主要以電感性耦合引入干擾。近場干擾：近場＜300m

近場＜10km。近場感應(yīng)耦合U1sCC2C1RCC2C1RU2sU1s（1）電容性耦合：敏感電路的影響與干擾源的頻率無關(guān)。

干擾在大小正比于C、R，且與干擾源的頻率有關(guān)。

c).干擾電壓與頻率的關(guān)系U2s減小電容耦合的方法：采用屏蔽導(dǎo)線。

（2）電感性耦合――磁耦合I1R1RR2M12M12RR2I1R1減小電感耦合的方法：遠(yuǎn)離干擾源；盡量減小耦合通路；采用雙絞線：感應(yīng)側(cè)被感應(yīng)側(cè)生物電測量中電場的容性耦合Cd1Cd2電源饋線（1）導(dǎo)聯(lián)線形成容性耦合（圖2－12）C1電源饋線C2Z1Z2ZG(2)人體表面形成電容性耦合（圖2-13）

人體內(nèi)位移電流通過右腿接地電阻ZG產(chǎn)生共模干擾，在理想情況下，共模干擾通過系統(tǒng)的高共模抑制比被克服。Cd1Cd2電源饋線Z1Z2ZGZ1Z2ZGIdZinZin生物電測量中磁場的電感性耦合(圖2-14)在人體和測試系統(tǒng)輸入回路構(gòu)成環(huán)路時(shí)，將在環(huán)路中感應(yīng)出干擾電壓，其幅度為：合理接地與屏蔽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。另一方面，在生物醫(yī)學(xué)測量中，從安全的角度考慮，合理的良好接地也是時(shí)分重要的。

（一）合理接地系統(tǒng)中的接地分為兩類：一類是安全接地，稱為保護(hù)接地；一類是工作接地，即對信號電壓設(shè)立基準(zhǔn)電位。保護(hù)地線必須是大地電位，而工作接地可以設(shè)計(jì)為大地電位，也可以不是大地電位。本節(jié)主要介紹工作接地。安全接地（第八章）工作接地接地設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到所有導(dǎo)線都具有一定的阻抗，高頻時(shí)導(dǎo)線表面呈現(xiàn)一定電抗，其值甚至超過導(dǎo)線電阻；交流電源的地線不能用作信號地線，一段電源地線兩點(diǎn)間會達(dá)到數(shù)百毫伏甚至幾伏的電壓，對電平電路（如生物信號放大器的前置級）來說，這已是非常大的干擾。為了安全，電源線接地線一般采用一點(diǎn)接地方式電路1電路2電路3R1R2R3I1I2I3（a）一點(diǎn)接地串聯(lián)形式ABC電路1電路2電路3R1R2R3I1I2I3（b）一點(diǎn)接地并聯(lián)形式ABC并聯(lián)方式的一點(diǎn)接地，由于各電路之間形成耦合而不適用于高頻。電路1電路2電路3I1I2I3R1R2R3L1L2L3圖2-16高頻電路的多點(diǎn)接地高頻時(shí)要考慮地線的感抗和各地線之間的電感耦合，以及地線之間的分布電容在地線相互間形成耦合。如圖所示：電路中所用的地線分別連到最近的低阻抗地線排上，地線排一般用大面積的鍍銀銅皮，但要注意，由于高頻時(shí)的集膚效應(yīng)，增加銅皮的厚度并不能減小接地阻抗。系統(tǒng)中至少要有三個分開的地線：三套地線分別自成系統(tǒng)，最后匯集于接地母線。敏感回路的接地設(shè)計(jì)圖2-18輸入回路兩點(diǎn)接地形成干擾（二）屏蔽效果屏蔽：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。其它抑制干擾的措施第二節(jié)測試系統(tǒng)的噪聲噪聲：系統(tǒng)內(nèi)部噪聲(為與外部干擾相區(qū)分)—測量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、材料、部件的物理因素產(chǎn)生的擾動稱為噪聲。可見噪聲是電路內(nèi)部固有的，不能用諸如屏蔽、接地等方法予以消除。測量某一生理參量時(shí)，其它生理信號的干擾也稱為噪聲。測試系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲不可能完全消除，但通過對噪聲過程的分析，進(jìn)行合理的低噪聲電路設(shè)計(jì)，可使噪聲降低到最低限度。噪聲的一般性質(zhì)噪聲電壓、電流是隨機(jī)的。隨機(jī)過程：不能用一個確定的時(shí)間函數(shù)來描述。服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。噪聲電壓概率密度P(u)：噪聲電壓在某一范圍內(nèi)的概率。——與時(shí)間t無關(guān)。熱噪聲和散粒噪聲電壓u(t)(或噪聲電流)概率密度服從高斯(正態(tài))分布：

噪聲服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,無法用頻譜描述,而用功率譜表示它的頻域特性。生物醫(yī)學(xué)測量中的主要噪聲類型

（一）1/f噪聲：低頻、超低頻噪聲，兩種材料不完全接觸，或兩個導(dǎo)體連接的地方產(chǎn)生。（二）熱噪聲(約翰遜噪聲或乃奎斯特噪聲)：由導(dǎo)體中載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動引起的。

（三）散粒噪聲：半導(dǎo)體中載流子產(chǎn)生與消失，引起電流瞬時(shí)漲落引起的噪聲。

描述放大器噪聲性能的參數(shù)

（一）Un、In參數(shù)放大器內(nèi)所有噪聲源貢獻(xiàn)的噪聲，用與輸入端串聯(lián)的阻抗為零的噪聲電壓發(fā)生器Un和與輸入端并聯(lián)的阻抗為無窮大的噪聲電流In以及二者的相關(guān)系數(shù)C來表示。

設(shè)Un、In不相關(guān)，即C＝0，則輸出電壓的均方值為不：

放大器噪聲性能指示：輸入端短路時(shí)放大器的固有噪聲Un。（二）噪聲系數(shù)分子、分母同除以放大器功率增益：調(diào)整信號源電阻使噪聲系數(shù)最小，稱為電路的噪聲匹配UniUnsUniRsoRsInRSUn圖2-30總輸入噪聲電壓Uni與源電阻Rs的關(guān)系由圖可知，當(dāng)Rs=Rso=Un/In時(shí)，放大器噪聲對源電阻的熱噪聲之比為最??；但當(dāng)Rs=0時(shí)，放大器總的等效輸入噪聲最??；在Rs低于Rso的一個范圍內(nèi)，Uni為常數(shù)，放大器以Un為主要噪聲源；當(dāng)源電阻超過Rso較大時(shí)，InRs成為主要噪聲源。（三）多級放大器的噪聲兩級放大后總輸出噪聲功率由三部分組成：

器件的噪聲第三節(jié)低噪聲放大器設(shè)計(jì)噪聲性能指標(biāo)低噪聲設(shè)計(jì)的目的是把總輸入噪聲減小到最低程度。通常為了統(tǒng)一，用輸入端短路時(shí)放大器的固有噪聲Uni作為放大器的噪聲性能指標(biāo)。由圖2-30可知，總等效輸入噪聲Uni對信號源內(nèi)阻Rs的依賴關(guān)系。在Rso附近，總輸入噪聲略大于內(nèi)阻熱噪聲。使源電阻