第二章 生物信息测量中的噪声与干扰

第二章生物信息测量中的噪声和干扰§2.1人体电子测量中的电磁干扰§2.2测试系统的噪声§2.3低噪声放大器设计§2.1人体电子测量中的电磁干扰

频率特性

低频段(DC-10kHz)

频带宽(ECG:20Hz-1kHzEMG:DC-10kHz)

幅值特性幅值微弱

EEG:几微伏-几百微伏

EMG:几微伏-几千微伏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），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。§2.1人体电子测量中的电磁干扰图2-1在心电测量中的工频干扰(a)及肌电干扰(b)§2.1人体电子测量中的电磁干扰

在测量某一种生理参数的同时，存在着其他生理信号的噪声背景；此外，生物信号对来自测量系统（包括人体）之外的干扰还十分敏感，这是因为：（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，对干扰也就越敏感，即极易把干扰引入测试系统。（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。§2.1人体电子测量中的电磁干扰

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）。

抑制干扰就可以从这三个方面找到相应的措施。图2-2干扰的引入§2.1人体电子测量中的电磁干扰——I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。

干扰形成危害的严重程度，主要取决于抑制方法的难易。EMC——Electro-MagneticCompatibility图2-3信号及干扰源的频率分布§2.1人体电子测量中的电磁干扰——I干扰源§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制耦合通道与抑制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图2-4经公共阻抗耦合§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制场源场的特性场源的性质场传播时所通过的介质λ/2π近场远场波阻抗＝电场E磁场H磁场(E/H<377Ω)电场(E/H>377Ω)(E/H=377Ω)§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制（1）电容性耦合

在电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，这种现象成为电容性耦合。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制图2-6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：公式(2-1)§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制（1）电容性耦合抑制容性耦合常用的方法：采用屏蔽导线；在印制电路板内破坏电容耦合最关键的部位，是处在前置级的第一个运放；减小共模干扰。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制（1）电容性耦合

在印制板布线时，应在运放的两输入管脚处，布一圈地线，以达到屏蔽的目的。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制（1）电容性耦合图电源系统与人体之间的分布电容产生共模电压VcmVcm=idb×ZG§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制（1）电容性耦合（2）电感性耦合（磁耦合）

干扰电流产生的磁通能随时间变化而形成的干扰电压。在系统内部，线圈或变压器的漏磁是形成干扰的主要原因；在系统外部，多数是由于两个导线在长距离平行架设中形成干扰电压。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制抑制电感耦合的常用方法：远离干扰源，减小干扰源的影响；采用绞合线的走线方式；尽量减小耦合通道。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制（2）电感性耦合（磁耦合）

每个绞合结的微小面积所引起的感应电压大体相等，由于相邻的绞合结方向相反，而使局部的感应电压相互抵消。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制（2）电感性耦合（磁耦合）减小耦合通道——减小面积A和cosθ值可采取尽量使信号回路平面与干扰回路平面垂直，并使信号线贴近地平面布线，以减小回路的闭合面积等。多导心电图、脑电图等测量时，要求将导线收紧为一束的原因。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——II耦合通道与抑制（2）电感性耦合（磁耦合）§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽

合理接地是抑制干扰的主要方法，把接地和屏蔽正确地结合使用能解决大部分干扰问题。

接地指印刷板上的局部电路中和测量系统中地线的布置。另一方面，在生物医学测量中，从安全的角度考虑，合理的良好接地更是十分重要的。系统中的接地线分为两类：一类是安全接地，称为保护接地（必须是大地电位）；另一类是工作接地，即对信号电压设立基准电压。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（1）安全接地为了安全起见，一般电子电器设备的机壳都应接地。在生物学测量中，这一点更加重要。机壳接地的目的是为了在任何情况下，使人经常接触的机壳保持零电位。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（1）安全接地电源接地——通常有三种供电方法保护接地——为了使漏电流和绝缘失效时的事故电流安全地流入大地而附加的接地保护。等电位接地——为了得到等电位的附加接地。（在第八章第三节介绍）§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（2）工作接地工作接地方式有两种：一点接地和多点接地。一般来说，1MHz一下可以采用一点接地；频度高于10MHz时采用多点接地。在1－10MHz范围，如用一点接地时，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（2）工作接地

系统首先应该区分低电平电路和高电平电路以及功率相差很多、干扰电平相差很大的电路，其地线均应分别接地。

系统中至少要有三个分开的地线：(1)低电平信号地线；(2)功率地线；(3)机壳地线。三套地线分别自成系统，最后汇集于地母线。此外数字地和模拟地也应该分开各自联结后再接地。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（2）工作接地P37图2-17九通道数字磁带记录仪的地线系统

地线设计采用三种地线分开的方法，图2-17可作为一般低频系统接地设计的参考。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（3）敏感回路的接地设计

对干扰最敏感的是输入回路。输入回路以及用屏蔽电缆或屏蔽盒时的接地设计对系统的抗干扰能力起重要作用。P28图2-23输入回路两点接地形成干扰§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（4）屏蔽设计

生物信号本身频率远小于1MHz，所以用屏蔽线时，屏蔽层应对地绝缘，仅保持一点可靠接地，这一点甚为重要，不可忽视。在磁场干扰不严重或处于其他考虑的情况下，电路采用两点接地，这时导线屏蔽层也应两点接地。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（4）屏蔽设计屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽电磁波入射到金属表面时所产生的损耗有两种：反射损耗吸收损耗电磁波通过介质时，其幅度一指数方式衰减，这种衰减表示为式中，E、H为入射波在介质内l距离处的场强；δ为集肤深度，可表示为式中，μ为磁导率，σ为电导率§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（4）屏蔽设计场的反射损耗为：式中，Zw为波阻抗，Zs为屏蔽阻抗金属体的屏蔽阻抗为远场（平面波）波阻抗等于自由空间的特性阻抗Z0（377Ω），则§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（4）屏蔽设计结论：低频平面波的大量衰减是来自反射损耗，在高频时的大量衰减是来自吸收损耗。选择屏蔽材料的原则是，屏蔽电场或远场的平面波（辐射场），宜选择高电导率的材料。低频磁场的屏蔽，宜选择高磁导率的材料。应注意μ在高频时会降低，且要注意温度、震动等对μ的影响。屏蔽体最重要的是形成缝隙的地方应严格保证紧密接触，不形成缝隙§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（4）屏蔽设计§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（4）屏蔽设计

几乎所有生物放大器的前置级都加装屏蔽，这在减小干扰有十分明显的效果。屏蔽罩接地的原则是确保屏蔽罩的电位与放大器输入回路的地电位相等。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（5）其他抑制干扰的措施a、隔离

用隔离的方法使两部分电路互相独立，不成回路，从而切断从一个电路进入另一个电路的干扰的通路。通常在生物信号测量中，电源采用浮地，信号采用光电耦合或变压器耦合实现隔离。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（5）其他抑制干扰的措施b、去耦

为了去除电源线中的干扰经传导耦合进入测量系统，可用RC或RL滤波环节消除直流电源因负载变化引起的干扰。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（5）其他抑制干扰的措施d、系统内部干扰的抑制医学设备内部的各种继电器、接触器、电动机等有接点的器件和设备开启和闭合，产生瞬时击穿，造成高频辐射和引起电源电压、电流的冲击，这种干扰的抑制是电磁兼容性的一个重要任务。c、滤波通常采用专用的电源滤波器，在安装时要确保滤波器外壳接地良好，并且使输入输出严格隔离以防止输入输出之间的耦合。§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（5）其他抑制干扰的措施d、系统内部干扰的抑制§2.1人体电子测量中的电磁干扰——III合理接地与屏蔽（5）其他抑制干扰的措施d、系统内部干扰的抑制§2.2电磁干扰与系统噪声噪声——测量系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的固有的自然扰动称为噪声（电压或电流）。系统内部噪声往往成为测量精度的限制性因素。测试系统的噪声不可能完全被消除，但是通过对噪声过程的分析，进行合理的低噪声设计，可以使噪声降到最低限度，从而使信号在传输过程中保持较高的质量。§2.2电磁干扰与系统噪声噪声电压或电流是随机的，服从于一定的统计规律。噪声的基本特性可以用统计平均量来描述：均方值——噪声的强度概率密度——噪声在幅度域里的分布密度功率谱密度——噪声在频域里的特性§2.2电磁干扰与系统噪声噪声可以用功率谱表示它的频域特性。噪声电压或电流的均方值是它在1Ω电阻上产生的平均功率P，即式中，S(f)为功率谱密度，它表示单位频带内噪声功率随频率的变化。白噪声：噪声具有恒定的功率谱密度，即S(f)为一常数。有色噪声：S(f)不为常数。功率谱密度单位：w/Hz§2.2电磁干扰与系统噪声生物医学测量系统中，主要的噪声类型是：

1/f噪声（闪烁噪声）热噪声散粒噪声§2.2电磁干扰与系统噪声1/f噪声（闪烁噪声）

1/f噪声（闪烁噪声）当取α=1时，1/f噪声的功率谱密度S(f)可表示为K为f等于1Hz时的谱密度值，是由具体器件决定的常数§2.2电磁干扰与系统噪声热噪声热噪声是由导体中载流子的随即热运动引起的。电阻R中的热噪声电压均方值为式中，k为波尔兹曼常数，1.38×10-23J/K，T为绝对温度，Δf为测量系统的频带宽度。热噪声的谱密度S(f)为可见，热噪声的功率谱密度与工作频率f无关，属于白噪声§2.2电磁干扰与系统噪声描述放大器噪声性能的参数对测量系统的噪声性能的要求，主要集中在信号提取放大部分。提取放大的信号的质量，用信号幅度与噪声均方根值得比-----信噪比(SNR)来描述§2.2电磁干扰与系统噪声描述放大器噪声性能的参数噪声系数F的定义为Ni为源电阻的噪声功率，Si/So为放大器功率增益的倒数。P49:例题2-2，2-3§2.2电磁干扰与系统噪声电阻的噪声电阻元件R可以等效成一个无噪声的电阻R和一个噪声电压源相串联，或无噪声电阻R和噪声电流源相并联。如图2-32所示，pp51电容的噪声电阻电容器实际存在介质损耗，机电容器的漏电，相当于理想电容器两端并联一个电阻Rp。电容器的质量通常用损耗角δ表示:漏电小的电容器Rp很大、δ很小。§2.2电磁干扰与系统噪声场效应管的噪声（三种）沟道热噪声用与沟道并联的噪声电流源表示为用与沟道串联的噪声电压源表示为式中，gm为场效应管的跨导§2.2电磁干扰与系统噪声场效应管的噪声（三种）栅极散粒噪声由栅极泄漏电流或耗尽层电阻、空穴的运动等各种因素所造成。等效为散粒噪声电流源为式中，q为电子电荷；IG为栅极漏电流。§2.2电磁干扰与系统噪声场效应