第三章信号处理

1、第三章第三章 信号处理信号处理 3.1 前置放大器电路设计前置放大器电路设计 3.2 保护电路及隔离级设计保护电路及隔离级设计 3.3 生理放大器滤波电路设计生理放大器滤波电路设计 3.1 前置放大器电路设计一、前置放大电路设计应满足一下基本要求： 在测量过程中不允许影响正常的生理过程； 测得的生理信号不得失真； 最大可能地将信号与各种干扰相分离； 一旦有电击事故等危险情况发生必须对病人提供有效的保护。 3.1 前置放大器电路设计前置放大电路的主要设计参数：输入阻抗（input impedance）共模抑制比（common mode rejection ratio,CMRR）偏置电流（bias

2、 current）输入失调电压（input offset voltage）输入噪声（input noise） 3.1 前置放大器电路设计 由于模拟集成技术的飞速发展，在生理前置放大电路的前端几乎都可直接采用专用仪用运算放大器（INA118，AD620等）。 3.1 前置放大器电路设计（1）输入阻抗差分输入阻抗在室温25。C时运放两输入端之间的阻抗共模输入阻抗在室温25。C时每一输入端与公共电源线之间的阻抗表 部分生理信号对输入阻抗要求 3.1 前置放大器电路设计（1）输入阻抗源 阻 抗信号频率的函数随频率增加而下降 输入阻抗不够高信号低频失真电极阻抗信号频率的函数随频率增加而下降 低幅度信号电

3、流密度小阻抗大生物电放大器的输入回路111111111ssTLTsLssRZRRRRRj R C 3.1 前置放大器电路设计222222222ssTLTsLssRZRRRRRj R C 3.1 前置放大器电路设计12()iioABdscmcmdsisiZZUUAUUUAZZZZioABdsdsiZUUAUAZZ 3.1 前置放大器电路设计（2）共模抑制比 放大器的开环差动增益Ad与共模增益Ac之比. CMRR= Ad /Ac CMR(db)=20log10(CMRR)（3）偏置电流从仪表运放的两个输入端到地有一个小的偏置电流（直流） 3.1 前置放大器电路设计（4）输入失调电压一般仪表运放两个

4、输入端电压差为零（两 端分别与地短接）时，其输出不为零。（5）输入噪声分电压噪声和电流噪声两种。 当放大器两输入端互相短接时，我们测出放大器的输出电压为Vno，若放大器的增益为G，则输入噪声电压为 VniVno/G。表 部分生理信号对放大器输入噪声要求 3.1 前置放大器电路设计二、差动放大电路分析方法 生物放大器的前置级通常采用差动放大电路结构。 图3-2 基本差分放大电路 差动放大电路的共模抑制能力受到放大电路的闭环增益、外电路电阻匹配精度以及放大器间本身的CMRRD等诸多因素的影响。 基本差动放大器的输入阻抗不能满足生物电放大器前置级的要求，应在电路结构上加以改造。 3.1 前置放大器电

5、路设计112iiciduuu212iiciduuu3312311231112idFFFFoicRRuRRRRuuRRRRRRRR0当无共模输出，且外部回路电阻匹配时当无共模输出，且外部回路电阻匹配时1oFdiduRAuR 3.1 前置放大器电路设计3112311oFFcicuRRRAuRRRR放大器共模增益放大器共模增益12341141/1 1/cFdARRA由外电路电阻失配限定的放大器的共模抑制比由外电路电阻失配限定的放大器的共模抑制比114ddRcAACMRRA电阻匹配误差越小，闭环差模增益越大，电阻匹配误差越小，闭环差模增益越大，放大器的共模抑制能力越大放大器的共模抑制能力越大 3.1

6、前置放大器电路设计DDCocicocicdicicDACMRRAuAuuuAuuCMRR 3.1 前置放大器电路设计在放大电路输出端产生的共模误差电压总共为在放大电路输出端产生的共模误差电压总共为icocclicdDuuA uACMRR放大电路总的共模增益为放大电路总的共模增益为11occcdicDuAAAuCMRR整个放大电路的共模抑制比整个放大电路的共模抑制比dDRcDRACMRRCMRRCMRRACMRRCMRR例题已知CMRRD=100dB，Ad=20，=0.1%因电阻失配造成的放大器的共模抑制比放大器总共模抑制比1525074.4()4dRACMRRdB34.99 1074()DRD

7、RCMRRCMRRCMRRdBCMRRCMRR 3.1 前置放大器电路设计三、差动放大应用电路I 同相并联结构 基本差动放大电路输入阻抗不够高的根本原因在于差动输入电压是从放大器同相端和反相端两侧同时加入的。 如果把差动输入信号都从同相侧送入，则能大大提高电路的输入阻抗。 图3-3 同相并联结构前置放大电路第一级放大的输出电压第一级放大的输出电压 3.1 前置放大器电路设计212121()FoooiiWRuuuuuR1dA第一级放大的共模抑制比第一级放大的共模抑制比121212CMRR CMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRR1 1和和CMRRCMRR2 2的数值是否高并不重要，重要的

8、数值是否高并不重要，重要的是他们的对称性。的是他们的对称性。 3.1 前置放大器电路设计两级放大电路的差动增益为两级放大电路的差动增益为12121FFdddWRRAA ARR两级放大电路的总共模抑制比为两级放大电路的总共模抑制比为11231312ddcdAACMRRCMRRCMRRAA CMRRCMRR同相并联的第一级电路并不要求外回路电阻有任何形式同相并联的第一级电路并不要求外回路电阻有任何形式的匹配来保证共模抑制能力，因此避免了电阻精确匹配的匹配来保证共模抑制能力，因此避免了电阻精确匹配的麻烦。的麻烦。电路共模抑制能力与外回路电阻是否匹配完全无关。电路共模抑制能力与外回路电阻是否匹配完全无

9、关。例例 3-1解：由电路图可知： 3.1 前置放大器电路设计三、差动放大应用电路I 同相并联结构 同相并联差动电路作为生物放大器前置级的设计步骤：器件选择；在影响共模抑制能力的诸因素中，第二级差动放大电路中电阻的匹配精度是主要的；前置级增益以及组成前置级的两级放大电路的增益分配，都影响总的CMRR值。 3.1 前置放大器电路设计三、差动放大应用电路三、差动放大应用电路I 同相并联结构同相并联结构 放大器各级增益的设计，实际受到低噪声性能的限放大器各级增益的设计，实际受到低噪声性能的限制。制。 多级放大器在第一级增益较高时，后边各级的噪声多级放大器在第一级增益较高时，后边各级的噪声系数（系数（

10、F）的影响相对减小，放大器总的噪声系数主要取）的影响相对减小，放大器总的噪声系数主要取决于第一级。决于第一级。 提高第一级增益，使信号质量改善，即提高了信噪提高第一级增益，使信号质量改善，即提高了信噪比，有利于实现低噪声性能。比，有利于实现低噪声性能。 3.1 前置放大器电路设计三、差动放大应用电路II 同相串联结构 为了获得高输入阻抗，并达到少用运算器件的目的，还可以采用同相串联结构形式的前置级设计。 图3-5 同相串联结构前置级 匹配公式为：差动闭环增益为差动信号从两个运算放大器的同相端送入，从差动信号从两个运算放大器的同相端送入，从而获得很高的输入电阻。差动输入电阻近似为而获得很高的输入

11、电阻。差动输入电阻近似为两个运算放大器的共模输入电阻之和。两个运算放大器的共模输入电阻之和。 和同相并联结构类似，为了减小电阻失配引起和同相并联结构类似，为了减小电阻失配引起的共模误差，提高闭环增益是十分有意义的。的共模误差，提高闭环增益是十分有意义的。 3.1 前置放大器电路设计四、前置级共模抑制能力的提高 通过电路技术使放大器获得更高的共模抑制能力，相对降低对器件参数的苛刻要求。 屏蔽驱动（图3-11）浮地跟踪 右腿驱动技术（图3-12）由于放大器，特别是作用于人体的前置级设计不当造由于放大器，特别是作用于人体的前置级设计不当造成对人体（包括仪器）的危害主要来自于两个方面：成对人体（包括仪

12、器）的危害主要来自于两个方面：q 前端进入前端进入临床使用的其他仪器（如高频电刀、临床使用的其他仪器（如高频电刀、除颤器）除颤器）q 后端进入后端进入供电部分（供电部分（220V/50Hz）的泄漏、击）的泄漏、击穿穿 3.2保护电路及隔离级设计一、从前端进入的保护措施图 在前放输入端接入保护电路 3.2保护电路及隔离级设计图 正常工作时，T1、T2呈高阻抗 3.2保护电路及隔离级设计一、从前端进入的保护措施 3.2保护电路及隔离级设计一、从前端进入的保护措施 3.2保护电路及隔离级设计二、交流电源端泄漏的保护措施二、交流电源端泄漏的保护措施浮地（浮置）浮地（浮置）信号传递过程中，不是利用一个公

13、共的接地点信号传递过程中，不是利用一个公共的接地点 逐级地往下面传送，而是利用诸如电磁耦合或逐级地往下面传送，而是利用诸如电磁耦合或 光电耦合等隔离技术。光电耦合等隔离技术。 信号从浮地部分传递到接地部分，两部分之间没有电路上的信号从浮地部分传递到接地部分，两部分之间没有电路上的直接联系，通过地线构成的漏电流完全被抑制。不但保障了人体直接联系，通过地线构成的漏电流完全被抑制。不但保障了人体的绝对安全，而且消除了地线中的干扰电流。的绝对安全，而且消除了地线中的干扰电流。实现电气隔离有两种方案：实现电气隔离有两种方案：q 通过电磁耦合，经变压器传递信号。通过电磁耦合，经变压器传递信号。q 通过光电

14、耦合，用光电器件传递信号。通过光电耦合，用光电器件传递信号。二、交流电源端泄漏的保护措施（1）光电耦合优点重量轻、应用电路结构简单、成本低 良好的线性和一定的转换速度 图3-17 ECG前置级光电耦合电路 （P80） 日本近期的ECG-6511前置级放大光电耦合级电路，所用的光电耦合器件为光电池二极管耦合器。 上述电路所用的光电耦合器件在国内不易获得，而且晶体管VTA本身的非线性特性更增加了整个耦合级的非线性。 3.2保护电路及隔离级设计二、交流电源端泄漏的保护措施（1）光电耦合 图3-18 互补方式光电耦合电路 (P81) 频带平坦区可达0-40Hz，完全能满足生物电信号的模拟量耦合的要求，

15、线性度可达到0.1以上。 优点能够通过选择芯片的对称性，提高电路的线性度。 3.2保护电路及隔离级设计二、交流电源端泄漏的保护措施（1）光电耦合 实现隔离的另一种可取的方案是在经过A/D变换之后，对量化的数字信号进行光电耦合。 图3-17 数字信号光电耦合 数字信号的光电耦合级可以采用简单的单级耦合电路。 图3-18 单级光电 3.2保护电路及隔离级设计二、交流电源端泄漏的保护措施（1）光电耦合 目前采用的光电耦合，其隔离电压值可达5000Vrms，当由于光电耦合电路的非线性特性，直接耦合会带来模拟信号较大失真，为确保线性不失真，传统的做法是增加电路的复杂度，而这又给电路调试带来很大的困难。

16、较好的解决办法是将信号调制到较高的频率后再耦合，如心电测量中采用脉宽调制（PWM）的方法，可确保心电信号经隔离后输出的品质，且调试十分便捷。 3.2保护电路及隔离级设计热敏电阻检测电路热敏电阻检测电路二、交流电源端泄漏的保护措施（2）电磁耦合 实现隔离的另外一种方法是采用电磁耦合，即变压器耦合。缺点工艺复杂、成本高、体积大、应用不便、频率响应不高优点线性度、共模抑制比都比光电耦合方式高、噪声性能较好 3.2保护电路及隔离级设计 3.3 滤波电路设计 一般生理信号都十分微弱，且伴有强大背景干扰与系统噪声，故生理放大器的核心技术集中于前置放大电路和滤波电路的设计中。 较适合生理信号特征的滤波器有：

17、 巴特沃兹（Butterworth）滤波器注重频度有较好截止特性 贝塞尔（Bessel）滤波器注重相位 陷波器工频（50Hz）干扰太过强烈信号处理滤波器设计信号处理滤波器设计 -基于基于Matlab和和Mathmatica的设计方法的设计方法 (英文版英文版) 电子工业出版社电子工业出版社 3.3 滤波电路设计（1）巴特沃兹（Butterworth）滤波器 由巴特沃兹设计的多阶有源滤波器是一种比简单滤波器的特性陡峭的高通或者低通滤波器。 一般说来，特性的截止陡度随滤波器阶数的增加而趋于理想特性。 3.3 滤波电路设计（1）巴特沃兹（Butterworth）滤波器 3.3 滤波电路设计（1）巴特

18、沃兹（Butterworth）滤波器 3.3 滤波电路设计（1）巴特沃兹（Butterworth）滤波器 3.3 滤波电路设计（1）巴特沃兹（Butterworth）滤波器 3.3 滤波电路设计（1）巴特沃兹（Butterworth）滤波器 3.3 滤波电路设计（2）贝塞尔（Bessel）滤波器 在要求不太高的场合，可考虑采用较为简单的带通滤波器。 其中一种是有源高通和有源低通滤波器的组合。 3.3 滤波电路设计（2）贝塞尔（Bessel）滤波器 3.3 滤波电路设计（3）陷波器）陷波器 在工频（我国为在工频（我国为50Hz）及其谐波分量干扰极其强烈）及其谐波分量干扰极其强烈的场合，且常规滤波电路又无能为力的情况下，可考的场合，且常规滤波电路