第七章 干扰和噪声

1、上海大学“生物医学传感器与测量”课程 第七章第七章 生物医学测量的生物医学测量的 干扰和噪声干扰和噪声 张麒张麒 上海大学 通信与信息工程学院 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 u 7.1 生理信号的基本特征 u 7.2 人体电子测量的干扰 u 7.3 抑制电磁场干扰的主要方法 u 7.4 噪声与低噪声放大器 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 7.1 生理信号的基本特征 o 频率特性 频带宽(EMG:DC-10kHz) o 幅值特性 幅值微弱 EEG:几微伏-几百微伏 EMG:几微伏-几千微伏 o 各类生理信号常常复合交织在一起 采集心电(ECG)信号时，常常混杂有频带复用（或部分复用

2、）而强 度更大的肌电(EMG)信号以及其他无规律的运动干扰信号等。 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 在心电测量中的工频干扰(a)及肌电干扰(b) 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 生物医学测量的干扰和噪声问题： （1）被测信号是微弱信号，测试系统具有较高的灵敏度。灵敏 度越高，对干扰和噪声也就越敏感，即极易把干扰引入测试系 统或者放大噪声。 （2）工频50Hz干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围之内， 而50Hz干扰又是普遍存在的。 （3）生物体本身属于电的良导体，而且“目标”大，难以屏蔽 并很容易接受外部干扰。 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 干扰和噪声的区别干扰和噪声的区别

3、 u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 u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 u生物医学信号测量 强干扰和噪声背景下的微弱信号测量 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 电磁干扰的形成有三个条件：干扰源、耦 合通道（即引入方式）与敏感电路（即接受电 路）。 7.2 人体电子测量的干扰 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 7.2.1 干扰源 能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常工作 的物体或设备称为干扰源。 包括自然界宇宙射线、太阳辐射产生的周期电振动； 周围普通电气电子设备产生的放电现象，如 发动机

4、点火 继电器触电引起电弧 照明电灯的辉光放电 电容电感瞬变过程 各种变压器、广播、电视、雷达等传播的电磁能 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 信号及干扰源的频率分布 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 7.2.2 干扰耦合的途径 耦合通道 传导耦合 经公共阻抗耦合 电场和磁场耦合 电容性耦合 电感性耦合 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 经公共阻抗耦合 电源内阻及电源线的 公共阻抗 公共接地电阻 一个电路的干扰电流经 公共阻抗形成干扰压降， 立刻引入其它电路 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 干扰耦合路径：电场和磁场耦合干扰耦合路径：电场和磁场耦合 u场的性质取决于 n场源的性质

5、 n场源周围的介质 n观察点与源之间的距离 l以 为界区分近/远场 u用波阻抗描述场源的性质 n远场时，Rc等于介质特性阻抗，空气Rc为377 n近场时 l场源为大电流低电压，则Rc377 ；电场性质 / 2 / c RE H 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 场源 场的特性 场 源 的 性 质 场传播时所通过的介质 /2 近场远场 波阻抗 电场E 磁场H 磁场(E/H377) (E/H=377) 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 在研究电磁场耦合形成干扰时，应把以电场为主 的干扰与以磁场为主的干扰区分开 电场通过电容性耦合引入干扰 磁场通过电感性耦合引入干扰 （1） 电容性耦合 在电

6、子系统内部元件和元件之间，导线和导线 之间以及导线与元件，导线、元件与结构件之间都 存在着分布电容。一个导体上的电压或干扰成分通 过分布电容使导体上的电位受到影响，这种现象称 为电容性耦合。 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 平行导线容性耦合 若导线2为信号端，与放大器输入端相连，那么便构 成敏感电路。由容性耦合形成的对敏感电路的干扰，在 不考虑C1时为： （1） 电容性耦合 增大R， 并减小C 21 2 1 () ss j C uu jCC R 干扰 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 电场干扰简单估算电场干扰简单估算 uCd1为人体与50Hz、220V电源馈 电线之间的分布电容 uC

7、d2为人体与大地间的分布电容 uCd1 0dB u例： n放大器NF=6dB，输出信噪比为10，通频带为 10kHz，求输入源的信号功率最小是多少（按室温 25度源电阻热噪声计算） n答： 2 11 6,4 40 /4 0.6 10 SISO NINO NIts SI NFdB F PP F PP PURkT f PmW 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 噪声匹配噪声匹配 uF经过推导 uF最小值时对应Rs 此时最小噪声系数 u调整源电阻，使其等于最佳源电阻，从而使噪 声系数最小，这一过程为电路的噪声匹配 22 1 44 NNS S UI R F kTRfkT f 0 N SS N U R

8、R I min 1 2 NN U I F kT f 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 多级放大器的噪声系数多级放大器的噪声系数 u多级放大器 n解释：第一级放大器的噪声系数对总噪声系数的贡献最大， 第二级以后的噪声系数都要除以功率增益，其影响逐级减小 n对设计放大器的指导意义：降低第一级噪声系数是实现低噪 声多级放大器的原则 ；增加第一级的功率增益，可减弱后续 级的噪声影响 u三级放大器 32 1 11212(1) 111 n n FFF FF APAPAPAPAPAP 32 1 112 11FF FF APAPAP 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 7.4.4 低噪声放大器的设计低噪声放大器的设计 u低噪声放大器的设计特点： n以低噪声为关键指标进行分析、计算和设计电路，放大器的 增益、频率响应等非噪声质量的指标，则可以在满足噪声要 求的基础上进行调整。 u设计步骤： 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 u噪声性能指标 n等效输入噪声 上海大学“生物医学传感器与测量”课程 u噪声匹配 n低噪声放大器首先考虑的不是增益大小，而是选择 最佳源电阻时的Rs n传感器与前置放大器直接连接，应选择适