生物医学信息提取过程中的干扰与噪声

生物医学信息提取过程中的干扰与噪声第1页/共193页第2页/共193页电磁干扰1.干扰的引入干扰的形成包括：干扰源、耦合通道（即引入方式）、敏感电路（即接受电路）。

第3页/共193页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叫干扰源。自然界的宇宙射线、太阳辐射、太阳黑子产生的周期电扰动。周围电气、电子设备的各种放电现象电容电感过渡过程的瞬变电压…...最主要的是220v交流电源的50Hz干扰源。因为生物电大都包含50Hz频率成分。（1）干扰源第4页/共193页生物医学设备本身就是强的电磁干扰源。如：高能量的治疗机和精密的测量仪器并用时，治疗机产生强的干扰可造成精密测量仪器的误动作、误输出。如电刀、激光刀、除颤器等。第5页/共193页（2）干扰耦合途径1.传导耦合经导线传播把干扰引入测试系统，称为传导耦合。交流电源线、测试系统中的长线都能引起传导耦合。它们都具有天线的效果，能够广泛拾取空间的干扰引入测试系统。第6页/共193页2.经公共阻抗耦合在测试系统内部各单元间，或两种测试系统之间存在公共阻抗。

第7页/共193页当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。

第8页/共193页由接地公共阻抗以及传输导线或金属机壳的天线效应等因素在地回路中形成共模干扰电压，该电压通过各种地回路感应到受害电路的输入端，而形成地回路干扰。

第9页/共193页接地公共阻抗产生的干扰两个不同的接地点之间有一定的电位差，称为地电压，这是由于两接地点间总有一定的阻抗，地电流在该公共阻抗上产生了地电压，该电压直接加到电路上在为共模干扰电压。第10页/共193页图中所示的干扰回路和被干扰回路之间存在一个共有阻抗Zi，在该阻抗上所产生的电压Ui=ZiI1+ZiI2，对回路2而言ZiI1是电磁干扰压降

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消除公共阻抗耦合的途径有两个

一个是减小公共地线部分的阻抗，这样公共地线上的电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合。使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线。第12页/共193页可以将电路按照强信号，弱信号，模拟信号，数字信号等分类，然后在同类电路内部用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地。（详述见后）

第13页/共193页3.电场和磁场耦合在场源附近，场的特性主要取决于场源的性质。在远离场源的地方，场的性质主要取决于场传播时所经过的介质。设为波长，当距离大于，称为远场，小于此称为近场。第14页/共193页近场感应耦合由于电荷运动产生电磁场，所以凡带电的元件、导线都能形成电磁场。第15页/共193页电容性耦合

在电子系统内部元件和元件之间，导线和导线之间、导线和元件之间都存在分布电容。一个导体上电压或干扰成分通过分布电容使其他导体电位受到影响，这种现象叫做电容性耦合。第16页/共193页容性耦合电磁环境中，通过电场干扰源与人体之间的分布电容，使人体本身携带干扰电压。主要为工频50Hz电磁场：测试系统所用市电，病房和手术照明等。第17页/共193页可见人体携带的50Hz干扰电压，完全淹没生物电信号。第18页/共193页减少电容性耦合的常用的方法是采用屏蔽导线。第19页/共193页当电流I在一个闭合回路中流动时，将产生与电流成正比的磁通。，L为电感。L的大小取决于回路的几何形状及周围介质的导磁系数。当一个回路的电流产生的磁通穿过另一个电路回路时，产生互感。即回路1的电流在回路2中产生磁通。如果这个磁通随时间变化，那么电路中变感应出电压。两个回路的电感性耦合又叫磁耦合。电感性耦合第20页/共193页感应电压大小与闭合回路面积A呈正比，为磁通与面积法线的夹角。为了减小，采用绞合线的走线方式，每个绞合结构的微小面积所引起的感应电压大体相等，由于绞合结构方向相反，而使局部的感应电压相互抵消。尽量减小面积A和.尽量使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。第21页/共193页抑制干扰：合理接地与屏蔽合理接地与屏蔽是抑制干扰的主要方法。接地指印刷板上的局部电路中和测试系统整机中地线的布置。从安全的角度考虑，合理接地也是十分重要的。第22页/共193页系统中的接地线分为两类。一是安全接地，称为保护接地；保护地线必须是大地地位。一是工作接地，即对信号电压设立基准电位。工作地线可以是大地地位也可以不是。第23页/共193页一般电子仪器设备，为了安全，机壳都应接地。目的是使人经常接触的机壳保持零电位。机壳的电位是由于杂散阻抗形成漏电通路甚至产生绝缘击穿的偶然情况形成的。第24页/共193页生物医学测量中，大多情况是数台电子设备用于人体同时工作。数台同时并用，接地可能是：分别单独接地，或者共用一条接地线。第25页/共193页接地方式

第26页/共193页浮地浮地是指设备地线系统在电气上与壳体构件的接大地系统相互绝缘，一种情况是使接地系统上的电磁干扰就不会传导到设备。另一种情况是在有些电子设备中，为了防止机箱上的干扰电流直接耦合到信号电路，有意使电路单元的信号线与设备机箱绝缘。采用浮地的设备、单元容易受空间耦合干扰，注意采用电磁屏蔽技术。

第27页/共193页共用地线串联一点接地

电路1、电路2、电路3各自到接地面的接地线长短不同（接地阻抗不同），各电路的接地点的电位均不为零且各不相同，且受其他电路电流影响。最不适用。但由于该电路比较简单，用的场合仍然较多，当各电路的电平相差不大时可以使用。若各电路的电平相差很大，则不能使用，因为高电平电路将产生很大的地电流，形成大的地电位差并干扰到低电平电路。使用该接地方式时，要把低电平电路放在距接地点最近的地方。第28页/共193页独立地线并联一点接地优点是各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关，不受其它电路的影响。缺点：第一，需要多根地线，比较麻烦。由于分别接地，势必会增加地线长度，从而增加了地线阻抗。会造成各地线相互间的耦合，且随着频率增加，地线阻抗、地线间的电感及电容耦合都会增大；

第29页/共193页第二，只适用于低频，不适用于高频。如果系统的工作频率很高，以致工作波长λ=c/f缩小到可与系统的接地平面的尺寸或接地引线的长度比拟时，就不能再用这种接地方式了。因为：当地线的长度接近于λ/4时，它就象一根终端短路的传输线，此时不仅起不到接地作用，而且地线将有很强的天线效应向外辐射干扰信号，所以一般要求地线长度不应超过信号波长的1/20。第30页/共193页多点接地这种接地方式的优点是接地线较短，适用于高频情况，其缺点是形成各种地线回路，造成地环路干扰，这对设备内同时使用的具有较低频率的电路会产生不良影响。

第31页/共193页混合接地方式如果电路的工作频带很宽，在低频情况需采用单点接地，而在高频时又需采用多点接地，此时，可采用混合接地方式。在低频时，电容的阻抗较大，故电路为单点接地方式，但在高频时，电容阻抗较低，故电路成为两点接地方式，因此这种接地方式适用于工作于宽频带的电路。

第32页/共193页总的来说，单点接地适用于低频，多点接地适用于高频。一般情况，频率在1MHz以下采用单点接地方式；频率高于10MHz采用多点接地方式；频率在1MHz~10MHz之间，采用混合接地，如采用单点接地，其地线长度不得超过0.05λ(波长)。

第33页/共193页电磁兼容的接地要求a．接地面应是零电位，它作为设备/系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。b．接地线、接地面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的宽度和厚度，接地线应短而粗、接地面的面积应尽可能大，以保证在所有频率（尤其是高频部分）上它的两边之间均呈现低阻抗。c．良好的接地要求尽量减低多电路公共接地阻抗上所产生的干扰电压，同时还要尽量避免形成不必要的地回路。d．数字信号地与模拟信号地分开设计，大电流信号地与逻辑小信号地分开设计。

第34页/共193页第35页/共193页第36页/共193页第37页/共193页第38页/共193页信号提取中的噪声把系统内部由器件、材料、不见的物理因素产生的自然扰动叫噪声。是电路内固有的，不能用屏蔽、接地等方法消除。通过对噪声过程的分析，进行合理的低噪声电路设计，可使噪声降到最低限度。第39页/共193页主要噪声类型1.1/f噪声（低频噪声）接触噪声凡两种材料之间不完全接触，形成起伏的导电率便产生1/f噪声。第40页/共193页2热噪声热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起的。任何处于绝对零度以上的导体中，电子都在做随机热运动。每个电子都携带电荷，因此电子的随机热运动表现为导体中电流的波动。长时间看来，这些波动产生的电流为0，但某一瞬时，并不为0，因此在导体两端产生压降，称做噪声电压。第41页/共193页3散粒噪声半导体器件中，载流子的产生与消失的随机性，使得流动的载流子数目发射功能波动，从而引起电流瞬时涨落，称为散粒噪声。第42页/共193页热噪声的抑制电气设备内部的元器件在工作时会产生热量而使设备内部温度升高，反过来环境温度的升高促使元器件产生更大的噪声电压。产生噪声电压的元器件有电阻器、半导体器件、变压器、电感线圈、发光器件等。针对热噪声的产生机理，我们可以采取如下几种措施：第43页/共193页（1）热屏蔽热屏蔽就是把发热点用一种特殊的导热性能良好的材料做成的屏蔽罩“包围”（就像电磁屏蔽一样）起来，使其所产生的热量和散发的热量达到平衡使温度场恒定，从而达到减小（或没有）温度的变化，以抑制因温度的变化所带来的噪声干扰。第44页/共193页（2）热隔离热隔离就是把那些易产生热量的元器件与那些对温度变化比较敏感的元器件用绝热性能好的材料隔离开。例如，若在同一控制箱内具有较大发热量的元器件和对温度较敏感的元器件的情况下，可在这二者之间加装隔热板，降低热辐射及热传导，以达到抑制因温度升高而引起的噪声干扰。第45页/共193页（3）强制散热强制散热就是采用人工的方法，强制降低电气设备内部及其大功率器件的温度。一般来说，对于功率半导体器件应加装散热器。对于发热较大的电气设备应进行强制通风，以达到降低温度从而起到抑制热噪声的作用。第46页/共193页散粒噪声的抑制散粒噪声是由元器件的固有性能所决定的，，是一个客观存在，设计人员只有更多地掌握元器件信息，不断地反复试验，在实践中总结经验，选择性价比最高的元器件，以取得最佳的抑制噪声的效果。第47页/共193页接触噪声的抑制接触噪声的抑制仍然是一个实践性很强的问题，只有不断地实践摸索，才能够总结出抑制接触噪声的经验，才能够把接触噪声降到最低点。第48页/共193页放大是生物信息处理中的基本环节生物信息无论是直接还是间接的，大多比较微弱，甚至淹没在噪声中，必须用微弱信号检测技术。微弱信号被检测后需要经过放大后才能显示读出。生物医学信号放大第49页/共193页一、生物电信号特性一般电信号的三大特性：幅度、频谱、信号源阻抗除掉以上三大特性外，还计及:

干扰电压、极化电压第50页/共193页以心电信号为例①频谱：

R波频率稍高，可延伸到100Hz。一般对于P-R段，S-T段表现为十分之几赫兹。0.2~100Hz。②振幅值：

P波0.1mV；R波较高,1~2mV，最高到达8mV③源阻抗：指人体内阻。加上电极和皮肤接触电阻，可达几kΩ~几十kΩ，甚至几百kΩ。第51页/共193页④干扰电压伴随着肌电或皮电。极化电压，电极板-导电液-皮肤三者引入的一种缓慢变化的电压。100mv量级，处理得好可减小到100μv量级。50Hz市电感应电压。数v量级。第52页/共193页幅值频谱Hz信号源阻抗KΩ极化电压工频干扰电压心电0.1~8mv0.2~100100~101±

300mv数v脑电10μV~1mV1~60同上±

100mv同上皮电50μV~0.2mV1~100同上±

300mv同上肌电20μV~30mV10~3000同上±

300mv同上眼电50μV~200mVDC~20同上101mv同上胃电50μV~2mV0.001~20同上100mv同上细胞电100μV~100mVDC~104103100mv同上胎心电20μV~100μV5~60同上101mv同上第53页/共193页二、源阻抗和极化电压在生物电测量中的影响第54页/共193页（一）源阻抗使生物电测量引入失真

从上式看出，通过增大放大器输入阻抗Zi，可减小由Zs引入的失真。第55页/共193页

（二）源阻抗及其差异使抗共模干扰能力下降假定：则：第56页/共193页上式说明:由于△Zs的存在，使感应的共模信号在放大器的输入端引入了差模电压△Ui，其有时会淹没被检测的微弱的生物电信号。

如果△Zs为5k欧（典型值），对于10mv的共模干扰电压，若打算限制在10μv以下，则放大器输入阻抗应在5M欧以上。第57页/共193页定量说明CMRR的下降：其中：Uco为放大器输出端的共模电压Uco1为放大器本身共模输出Uc△为输入回路引入的△Ui经放大后的输出电压，即：从上式看出，增大Zi，可提高CMRR。提高Ad也可提高CMRR。第58页/共193页如何估计信号源的阻抗利用负载实验法首先用一个输入阻抗足够大的放大器测出生物信号的波形，然后逐步减小放大器的输入阻抗，当生物信号的幅值减小到原来的一半时，此时放大器的输入阻抗就是信号源阻抗。第59页/共193页（二）极化电压在生物电测量中的影响极化电压的共模部分可略去不计；其差值部分成为一个很大的背景电压，一般比有用的生物电信号大几百倍到几千倍。极化电压直流部分可用隔直电容隔掉，但其缓变部分隔不掉，引起基线漂移。第60页/共193页三、放大器设计要求1.高输入阻抗从上述讨论看出：减小源阻抗引起的信号失真。高CMRR的必要条件第61页/共193页高共模抑制比CMRR减小共模干扰信号作为极性相反的差模信号被放大。而干扰作为共模信号被抑制。第62页/共193页还需要：低噪声低漂移合适的频带宽度和动态范围。第63页/共193页低噪声高阻抗源本身就带有可观的热噪声，使输入信号质量很差。放大器的低噪声性能主要取决于前置级。按照低噪声原则设计：多级放大器总的噪声系数主要取决于第一级。一般来说，在满足其他条件的情况下，第一级放大器设计时增益应尽可能提高。还要采用严格的装配工艺。第64页/共193页直流放大器零点漂移生物电信号中有频率很低的成分，因此要用直流放大器。直流放大器的特点是：无论信号源与放大器的耦合，放大器级间耦合，放大器与负载的耦合，都采用直接耦合，而不是电容耦合。因此，将输入短对地短路时候，放大器输出端电压也不为0，而有缓慢变化。叫直流放大器的零点漂移。第65页/共193页温度漂移引起零点漂移的因素有：电源电压的变化，环境温度的改变，元件的老化。以温度变化所引起的零点漂移最为突出。称为温漂。第66页/共193页减小温漂的措施电路输入级用差动式。温漂作为共模信号被抑制。元器件的挑选。安装工艺。参数互相配合。前一级和后一级温漂方向可以相反，互相抵消。引入共模负反馈。不仅能抑制温度漂移，对其他共模干扰也可抑制。第67页/共193页集成电路放大器传统的放大器是分立元件的。随着半导体制造技术快速发展，20世纪60年代初出现了集成电路放大器。所谓集成电路就是把电路中的所有元器件及连接导线都制作在一块硅片上，构成具有特定功能的电子电路。提高了电子设备的可靠性，重量减少，体积缩小，功耗降低。第68页/共193页差动放大电路差动放大电路:

信号作为极性相反的差模信号被放大。而干扰作为共模信号被抑制。生物电放大器前置级通常采用差动放大电路结构。第69页/共193页生物电放大器的前置级，大都采用差动放大电路结构。能够用一个基本的差动放大器构成生物电放大器的前置级？能否达到生物电放大要求的指标？分析一个简单的基本差动放大电路。第70页/共193页

由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，为了便于分析，常将其理想化——理想运放。理想运放的条件放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。运放工作在线性区的特点集成运放虚短路虚开路第71页/共193页反相比例运算放大器_++R2R1RPuiuoi1i2第72页/共193页_++R2R1RPuiuo电路的输入电阻小：Ri=R1平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。第73页/共193页同相比例运算放大器_++R2R1RPuiuo输入电阻高第74页/共193页电压跟随器_++R2uiuo输入电阻大第75页/共193页差动放大器_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：第76页/共193页_++R2R1R1ui2uoR2ui1差动信号放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（2R1）

为了提高输入阻抗，要加大R1,

但是加大R1，失调电流及其漂移的影响必将加剧。因此，R1的加大是有限的。一般限定在100k欧以内。这种输入阻抗是不能满足生物电放大器前置级输入阻抗的要求的。第77页/共193页如果把差动输入信号从同相侧送入，则能大大提高电路的输入阻抗。或者在差动放大电路前加一级缓冲级（同相电压跟随器），实现阻抗变换。如图。第78页/共193页上述即三运放电路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+第79页/共193页uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚开路：由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。第80页/共193页uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+第81页/共193页Rt=f(T°C)uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtui由三运放放大器组成的温度测量电路第82页/共193页上述电路中第一级也可用场效应管构成。Page161放大电路例子。

1.场效应管源极跟随器。

2.双端输入、单端输出的差动放大器。增益可调。

3.低通有源滤波器。截止频率可调。以下参数测量：第83页/共193页CMRR：差模增益测量将放大器输入端一端接地，另一端输入一中间频率、1mv（有效值）的正弦信号。用示波器监视输出波形。输出端毫伏表的指示值与输入信号1mv的比值，就是差模增益Ad。第84页/共193页CMRR：共模增益测量两输入端相连，输入一中间频率、1mv（有效值）的正弦信号。用示波器监视输出波形。输出端毫伏表的指示值与输入信号1mv的比值，就是共模增益Ac。计算CMRR：第85页/共193页短路噪声测量将输入端接地短路。用示波器观察输出噪声的蜂蜂值。在用正弦波信号输入示波器比较，调整正弦波所占格子与噪声相同。正弦波的大小除上差模增益，就是短路噪声。第86页/共193页隔离级设计为了人体安全，通常生物电测量技术采用浮地形式，以便实现人体与电气设备的隔离。第87页/共193页所谓浮地（或浮置），即信号在传递过程中，不是利用一个公共的接地点逐级的往下传送。而是利用诸如电磁耦合或光电偶合等隔离技术。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直接联系，通过地线产生的漏电流被抑制。不但保障人体的安全，而且消除了地线中的干扰电流。第88页/共193页两种方式1.电磁耦合，经变压器传递信号。2.光电耦合，用光电器件传递信号。使用较多。第89页/共193页电磁耦合第90页/共193页其原理是将与病人相连的心电放大器的前置部分完全与地绝缘，从而使得病人与大地之间没有漏电流。保护病人安全。因为变压器不可能传递低频、直流信号。所以先通过调制电路，把低频信号调制在高频载波上，经过变压器耦合，再解调，恢复信号。第91页/共193页光电耦合辐射部件发光二极管辐射探测器为光电晶体管（如图），也可为光电二极管。第92页/共193页光电耦合重量轻、成本低廉，所以应用广泛。第93页/共193页心电放大器设计（一）心电信号源及其等效电路第94页/共193页

考虑到引线电阻对于实际情况：RB1，RB2较小，主要取决于RF,Rs。两支路的内阻抗不平衡：各电极的极化电势大小不一：联系上述已讲的信号源内阻和极化电压对测量的影响第95页/共193页（二）心电放大器输入阻抗和频率响应1.输入阻抗

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输入阻抗Zi愈大，增益稳定性愈高联系上述已讲放大器高输入阻抗的必要性。第97页/共193页2.频率响应心电信号的高频截止频率一般定在100Hz，100Hz以上的谐波分量太小。高频心电图可到2KHz。低频截止频率一般定在， 时间常数

第98页/共193页三、心电测量中的干扰1、50Hz磁场感应

各种仪器的电源变压器均是50Hz磁场源，它对心电引线组成的环路可感应出电势。第99页/共193页1、50Hz磁场感应

设在一般病房中，第100页/共193页50Hz的磁场感应电势是一个差动电势，它将与心电信号有同样倍率的放大。因此要尽量减小其值的大小。第101页/共193页如果心电信号为1mV，要将ξm限制在心电信号的1%以下，即

ξm<1mV/100=10μV，代入上式解出S<10/100=0.1米2，也就是

32cm×32cm为了减小环路面积，可将引线相互绞合。第102页/共193页当然高频磁场也会引起干扰。但由于频率远远高于放大器高频截止频率，因此可以被放大器抑制。第103页/共193页2、50Hz电场影响 由于50Hz电线与人体及信号引线间存在分布电容，因此可以将50Hz位移电流引入人体及引线。由于大地宽广且靠近人体，通常CD2>CD1。第104页/共193页CD1和CD2构成了分压电路，在放大器两端引入了一个共模的干扰电压共模电压若CD1=0.2pF，CD2=2pF，则由于这个电压过大，会超出心电放大器的输入动态范围，必须消除第105页/共193页可采用右腿接地，则人体与地面间的耦合电容视作CD2=∞被短路，强迫人体处于地位。但是人体右腿接地存在接地阻抗，因此无法彻底消除50Hz共模干扰电压右腿接地时，50Hz位移电流由引线引入的位移电流和人体引入的位移电流之分。第106页/共193页1）引线引入的位移电流Z1和Z2为皮肤接触阻抗，ZG为接地阻抗。第107页/共193页50Hz差动干扰电压50Hz共模干扰电压例如，当ID1=ID2=6nA,Z1-Z2=5k欧，UAB=30μv同样ZG不为0，所以UC不为0。所以右腿接地不完全消除共模干扰。第108页/共193页由此可知，尽量使Z1=Z2，而与ID2一般是相等的，这样差动干扰电压UAB约等于0。另外为了减小共模干扰电压UC，则要减小ZG。引线采用电屏蔽层，可将位移电流引入大地，而不进入人体。第109页/共193页（2）人体引入的位移电流第110页/共193页由于放大器的输入阻抗很高，人体引入的位移电流只能经由接地阻抗ZG流入大地。若两臂间有位移电流ID，则差动干扰电压

共模干扰电压当ID=0.1uA,Z1=Z2=400欧，Ud=80uvZL，ZR为两臂内阻第111页/共193页综上，50Hz位移电流是引进50Hz差动和共模干扰的主要原因。

对于差动干扰：采用屏蔽引线使人体远离馈电线。对于共模干扰：认真清理和湿润皮肤表面或涂上导电胶，降低皮肤接触阻抗和不平衡程度。接地良好，减小接地阻抗，从而抑制共模干扰第112页/共193页肌电干扰肌电信号是由于信号伸缩时，肌肉细胞产生的复合电位。而人体各部位运动常是不规则的。因此对于心电信号，肌电是随机干扰信号。为消除肌电干扰，被测试者要安静舒适地躺在台上，呼吸也要求平缓，尽可能使肌肉处于静息状态，以减小动作电位。第113页/共193页（四）放大器共模抑制比抑制共模干扰，方法有两种1）提高CMRR。2）右腿共模反馈法。第114页/共193页CMRR的提高增大Zi提高Ad(除了上述源阻抗以外，分析差动电路电阻失配的影响）共模干扰电压引线屏蔽层第115页/共193页差动电路电阻失配对CMRR的影响为失配度CMRR第116页/共193页随着电阻失配度的增大，CMRR下降。而提高Ad则可增大CMRR。第117页/共193页引线屏蔽层与芯线间的电容Cs1,Cs2。大约为200-300pF,在50Hz下容抗为几个兆欧，与放大器输入阻抗大小接近。若接地，Cs1,Cs2的分流效应明显减小放大器输入阻抗。此外，分流效应不均衡，将使得放大器CMRR大大下降。第118页/共193页若不接地，而用取自放大器的反馈共模电压来驱动引线屏蔽层。则Cs1,Cs2两端均承受共模电压Uc，结果使Cs1,Cs2对共模电压不产生分流效应。如下图。第119页/共193页第120页/共193页2、右腿共模反馈前面已讲述，虽然右腿接地了，但由于接地阻抗ZG的存在，还不能完全消除共模电压Uc如果设法将输入至心电放大器的共模电压倒相后反馈至右腿，以抵消右腿上的共模电压Uc，结果可消除Uc。如下图。第121页/共193页四个电极的平均电压，即人体共模干扰电压。通过反相，加到人体右腿。与人体共模干扰电压相抵消。第122页/共193页滤波器滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。第123页/共193页1.按信号性质分类3.按电路功能分类:

低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器2.按所用元件分类模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器4.按阶数分类:

一阶，二阶…

高阶滤波器第124页/共193页传递函数：幅频特性相频特性滤波器传递函数的定义第125页/共193页第126页/共193页第127页/共193页RCR1.一阶RC低通滤波器(无源)传递函数幅频特性一.低通滤波器第128页/共193页010.7070截止频率此电路的缺点：1、带负载能力差。2、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。幅频特性、幅频特性曲线第129页/共193页RR1RFC+-+2.一阶有源低通滤波器RC传递函数中出现的一次项,故称为一阶滤波器第130页/共193页幅频特性：RR1RFC+-+幅频特性及幅频特性曲线01+RF/R10.707(1+RF/R1)0传递函数RC第131页/共193页1、时：有放大作用3、运放输出，带负载能力强。2、时：幅频特性与一阶无源低通滤波器类似电路特点:第132页/共193页3.二阶有源低通滤波器RR1RFC+-+CRP，A0=1+RF/R1传递函数中出现的二次项,故称为二阶滤波器，第133页/共193页幅频特性曲线第134页/共193页二.高通滤波器RR1RFC+-+高通1.一阶有源高通滤波器第135页/共193页幅频特性及幅频特性曲线幅频特性：0

01+RF/R10.707(1+RF/R1)0RR1RFC+-+第136页/共193页2.二阶有源高通滤波器由此绘出频率响应特性曲线

(1)通带增益(2)频率响应其中：，第137页/共193页频率响应特性曲线

第138页/共193页

可由低通和高通串联得到必须满足低通特征角频率高通特征角频率三.有源带通滤波器第139页/共193页

可由低通和高通并联得到必须满足有源带阻滤波器第140页/共193页有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。第141页/共193页心电放大滤波器1、50Hz有源带阻滤波器在心电放大器中是用于抑制50Hz市电的干扰。第142页/共193页阻容元件按下式匹配：调节电位器P，可改变滤波器的Q值。即右图所示频响曲线的平坦程度。实线为高Q值第143页/共193页用带阻滤波器，不仅滤去了50Hz干扰，也使得R波失真。设计时不轻易使用。第144页/共193页2、有源带通滤波器这种滤波电路的作用是只允许某一段频带内的信号通过，而此通频带下限频率低和比上限频率高的信号都被阻断。第145页/共193页心电电极为了降低心电电极的极化电压和接触阻抗，目前已采用性能优良的银—氯化银电极来取代旧式的镀银铜电极。此外，还采用了更新更优良的电极。第146页/共193页1、带有缓冲放大器的电极一般将缓冲放大器装置在电极内，有如下三个优点：(1)消除了电极—皮肤接触电阻对放大器抗干扰能力的影响。引线引入的位移电流ID流经缓冲放大器的输出阻抗Z01和Z02，而不是流经电极—皮肤接触电阻Z1和Z2。Z01和Z02小到几欧姆，Z01-Z02就更小，所以在心电放大器输入端A、B间的差动干扰电压ID(Z01-Z02)就很小。即消除了电极—皮肤接触电阻Z1和Z2过大或不平衡对放大器抗干扰能力的影响。第147页/共193页（2）引线晃动会改变Z1和Z2

，由于缓冲级的存在，Z1和Z2的改变不会影响心电放大器的抗干扰能力，因为与心电放大器连接的是Z01和Z02

。（3）由于加入了缓冲级，使心电放大器输入端信号源内阻变成Z01和Z02

，而不是Z1和Z2

，因此设计时心电放大器的输入阻抗可大大下降，使，从而消除Cs的不平衡对CMRR的影响。因此在实用上，引线的长短影响不大。第148页/共193页2、电容式绝缘电极缓冲放大器也是在电极内的，电极与皮肤间是完全绝缘的，相当于电极与皮肤间有一个5000PF的电容，为了获得2秒的时间常数，缓冲放大器的输入阻抗应高于400兆欧。第149页/共193页可消除电极极化电压。第二章p.40。第150页/共193页读出装置生物信息提取放大后的电信号,必须给予显示记录,以便于观察.这种显示记录信号的器件叫做读出装置（readoutdevice)。显示记录方式概括为：模拟式指针指示记录曲线数字式数码显示数字式打印记录第151页/共193页技术指标读出装置与测量装置一样，具有技术指标：输入信号范围频率响应输入阻抗失真度第152页/共193页

一、数码显示数码显示就是通过电子线路和器件把被测信号的量的大小用十进制的数字直接显示出来。适用于不需观察其变化过程，只要显示其瞬间数值大小的地方。例如用数字式仪表测量人的体温、血压、脉搏等。

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（一）辉光数码管

辉光放电:

辉光放电是低气压下的气体放电。放电管中的残余正离子在极间电场的作用下被加速，于是得到足够的动能撞击阴极而产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使得气体导电。因此放电管两极间所需电压较高，一般都在10千伏以上，但辉光放电的电流很小，温度不高。

第154页/共193页字形重叠式显示：在玻璃管内充有惰性气体，外形与普通电子管相似，内有1个公共阳极和10个互相分开的阴极。一个字符做成一个完整的字型，0～9十个字重叠放置，作为10个相互绝缘的电极，另有一个公共电极，当某个电极相对于公共电极加上电压时，使阴极附近的气体电离，产生辉光放电现象，从而发出桔红色辉光，此阴极相应的数码字样发亮。第155页/共193页

字形美观、富有艺术感，亮度也较高，适合于体积较大的设备。缺点是体积较大，机械强度差，工作电压高。第156页/共193页发光二极管(LED)由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成。LED内部有一个具有发光特性的PN结，当PN结正向导通时，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，当电子和空穴复合时会释放出能量并以发光的形式表现出来。它属于电流控制型器件，其正向压降及发光亮度均与工作电流有关。其发光颜色则取决于管心材料。

（二）半导体（发光二极管)(lightemittingdiode，LED

）第157页/共193页七段数字显示：发光段组合它有共阳、共阴两种接法。共阳接法的数码管（显示器），各段发光二极管阳极相接，则阴极电位低者亮。共阴接法恰好相反。分段式显示：第158页/共193页图LED显示(a)是共阴式LED数码管的原理图。(b)是其表示符号。(c)使用时，公共阴极接地，7个阳极a-g由相应的BCD七段译码器来驱动(控制)。第159页/共193页优点：工作电压小(仅几伏)

，驱动电路简单，功耗小缺点：成本高，分辨率差，发光强度较低,难以形成高强度点光源，不可能取代目前的高强度气体放电灯；PN结电流-电压特性对温度非常敏感；不能设计任意光谱的LED，只有红色、橙色、绿色以及接近蓝色几种第160页/共193页（三）荧光数码管

(VFD，VacuumFluorescenceDisplay，真空荧光显示)

这是一种电真空器件。在玻璃管壳内装有一个阴极（由灯丝兼作）、一个网状的栅极和七个或八个阳极（即字段）。可见也是分段显示。数码管的阴极为直热式阴极，表面涂有一层逸出功很小的氧化物，受热后易于发射大量电子。栅极为网状，工作时加20V的正电压。阳极有8个，表面涂有一层荧光粉，组成数码管的笔画要素，工作时也加正电压。由于数码管栅极和阳极都加正电压，致使从阴极表面发出的大量电子加速，穿过网状栅极打到所要显示的分段阳极上，该段阳极便发出绿色荧光。第161页/共193页通过译码器控制各个阳极字段电压的高低，使各个阳极字段的发光有规律的组合，便可显示出0，1，2，9十个数字。要显示多位数字，同样需要多个数码管和驱动电路。

荧光数码管的优点是工作电压低，驱动电流小，显示清晰，字形较亮、稳定可靠。主要缺点是需加热灯丝，因而功耗较大、灯丝老化快、外壳易碎。第162页/共193页（四）液晶数码管

（LiquidCrystalDisplay，ＬＣＤ）

液晶显示器属于被动发光型显示器件，它本身不发光，只能反射或透射外界光线，因此环境亮度愈高，显示愈清晰。液晶是一种特殊的有机化合物。在一定温度范围内，它既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性和某些光学特性，其透明度和颜色能随电场、磁场、温度等外界条件的改变而变化。液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。

第163页/共193页如果把相对的两个电极也按数码的笔划要素做成分段式的，则只有加上电压的那段笔划间的一条液晶产生散射，从而显示出那段笔划。这样就可在译码电路的控制下，显示出应当显示的数码。分段式显示：第164页/共193页液晶显示的显著特点是驱动电压低（一般为3V～6V），驱动电流小（几微安），微功耗（几微瓦至几十微瓦），耗电极省，且易制成点阵式。体积小、重量轻，像素尺寸小，分辨率高。为便于夜间观察，可采用由LED器件构成的背景光源。响应速度较慢，工作频率低，工作温度范围较窄（通常为0～50℃）。温度过高液晶会发生液化，甚至气化，温度低于0℃则会发生固化，都会降低寿命。此外还应避免在强烈日光下使用而导致早期失效（液晶屏变黑）。

第165页/共193页二、荧屏显示

荧屏显示是通过电子线路和器件将所获取的生物医学信号在荧光屏上以图像的形式显示出来。常用于:观察信号随时间的连接变化情形，如心电图、脑电图等，即波形显示。组织、器官的生理、病理解剖结构的变化特点，如各种形式的医学影像，即图象显示。第166页/共193页

（一）波形显示所谓波形，即指信号电压随时间的变化曲线。如心电仪、脑电仪、监护仪等设备的终端显示。第167页/共193页(二)图像显示

通过荧光屏把人体组织、器官的形象或解剖结构显示出来，即为图像显示。

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图像显示的基本原理在于:要把所获得的组织结构形象的信号转变为与之相对应的电子束强弱不同的信号，使其打在荧光屏上产生辉度不同的光点组成的图像。

一幅医学图像，是由数目众多的，明暗程度不同的光点组成，每一光点称为一个像素。要传递显示人体不同组织或脏器的投影画面，首先必须将整个画面分解成若干个与像素对应的单元，通过不同方式，将每一单元的某个参数(如对射线的吸收率等)的变化转换成幅度随时间变化的电信号，这种电信号就称为图像信号。第169页/共193页示波器

示波器的核心部分是示波管。主要由电子枪、偏转板和荧光屏三部分构成。电子枪由灯丝、阴极K、栅极G、加速极A1(第一阳极)、聚焦极A2(第二阳极)等构成。电子枪的主要作用是产生一束直径细、速度快的电子束射线，用以轰击荧光屏而发光。偏转板有两对，靠近电子枪一侧的是垂直(Y)偏转板，另一对是水平(X)偏转板。它们的作用是使电子束上下、左右移动。荧光屏是在屏面玻璃的内壁上，涂上一层均匀的荧光剂(即磷光物质)，形成荧光膜。荧光膜在电子束的轰击下发光而产生光点。光点的颜色则与荧光剂的成份和激活剂有关。如锰激活的硅酸锌发绿光，银激活的硫化锌发蓝色光。第170页/共193页由管脚接通电源后，加热灯丝，阴极发射电子。栅极加上相对于阴极的负电压，它的作用是：一方面调节栅压的大小来控制阴极发射电子的强度，故栅极也称控制极；另一方面栅极电压和第一阳极电压构成一定的空间电势分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一个交叉点（实际上是一个最小截面）。第一阳极和第二阳极的作用除了使电子加速外，还需要构成一个聚焦电场，使得经过第一交叉点又发散了的电子在聚焦电场的作用下又会聚起来。高速电子打在荧光屏上，屏上荧光物质在高速电子轰击下发出荧光，屏上的发光亮度取决于到达荧光屏的电子数目和速度，改变栅压和加速电压的大小都可控制光点的亮度。横、纵偏转板是两对互相垂直的平行板，偏转板上加以不同的电压，用来控制荧光屏上亮点的位置。因此可用示波器观察各种电压信号的波形。示波管的内表面涂有石墨导电层，称作屏蔽电极，它与第二阳极连在一起，使荧光屏受电子束轰击而产生的二次电子由导电层流入供电回路，避免荧光屏附近电荷积累。第171页/共193页8*8点阵共需要64个发光二极管组成，每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一列置1电平，某一行置0电平，则相应的二极管就点亮。

LED芯片在制作过程中受诸多因素影响形成发光的不一致性，制成显示屏后就会产生显示区域之间颜色和亮度的不均匀，使画面产生斑驳感，形同马赛克墙贴。LED显示屏在视觉上留给人们颗粒感、刺目感和斑驳感。

LED点阵显示屏第172页/共193页点阵液晶显示器液晶点阵显示器是近年来迅速发展起来的新型显示器件，它是以微型液晶为像素，按照行与列的形式排列组合而成的。它具有分辨率高（像素尺寸最小可达0.28mm×0.28mm）、显示清晰、功耗低、体积小、重量轻等优点，适用于智能仪器、笔记本电脑、手机和彩色电视。目前，PC机的显示器以及彩电的显像管，正逐步被液晶点阵显示器等新型显示终端所取代。第173页/共193页是目前应用最广泛的显示器之一，CRT纯平显示器具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等LCD显示器难以超过的优点，价格比LCD显示器便宜。缺点：体积大、耗电多CRT显示器第174页/共193页CRT显示器

是一种使用阴极射线管（CathodeRayTube）的显示器。阴极射线管主要有五部分组成：电子枪（ElectronGun），偏转线圈（Defiectioncoils），荫罩(Shadowmask)，荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳。阴极射线管有静电式（示波管）和磁偏转式（显像管）两种，两者的基本结构相同。主要区别是前者采用电场偏转，而后者采用磁偏转系统。电子板的作用是发射高速且很细的电子束。偏转系统的作用是控制电子束，使其随外加电压的变化而偏转。磁偏转便于得到电子束的大角度偏转，更适合于大屏面的需要。因此显象管往往采用磁偏转。但是，偏转线圈的电感与较大的分布电容，不利于高频使用，而且体积和重量较大，都不及电偏转系统。所以示波管往往采用电偏转。第175页/共193页经典的CRT显像管使用电子枪发射高速电子，经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度，最后高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光，通过电压来调节电子束的功率，就会在屏幕上形成明暗不同的光点形成各种图案和文字。第176页/共193页彩色显像管屏幕上的每一个像素点都由红、绿、蓝三种涂料组合而成。由三束电子束分别激活这三种颜色的磷光涂料，以不同强度的电子束调节三种颜色的明暗程度就可得到所需的颜色。倘若电子束瞄准得不够精确，就可能会打到邻近的磷光涂层，这样就会产生不正确的颜色或轻微的重像，因此必须对电子束进行更加精确的控制。

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三、记录仪器通常采用两种形式:笔式记录磁记录

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(一)笔式记录1、笔偏转式记录器（描笔偏转式记录器）:用经过放大器放大的被测信号控制描笔，直接在记录纸上沿时间轴进行记录。描笔也叫电动笔。第179页/共193页在永久磁铁的磁场中放一个可动线圈，线圈和记录笔连在一起。当有被测信号电流通过线圈时，线圈受到转动力矩作用产生偏转，偏转角度决定于信号电流大小。在线圈转动的同时，与转轴相连的游丝立即产生一个反力矩，当两个力矩平衡时，线圈停止转动。记录纸则匀速地在描笔下运动，记录纸的运动方向与描笔运动方向互相垂直，因此记录纸的运动方向代表时间轴，描记的图线即为被测信号随时间的变化曲线。第180页/共193页墨水笔式记录器：在使用时，描笔由墨水壶供给墨水，在专用记录纸上记录。热笔式描笔：它的笔尖是用电阻丝做的，通电使它加热。当热笔在特制的涂有一层腊膜的记录纸上描记时，在热笔与记录纸接触处腊膜融化，便留下描笔的运动热迹。第181页/共193页

2、自动平衡记录仪

这种记录器是由被测信号控制描笔或指针移动，而不是偏转，它实际是一个随动系统。根据补偿方式的不同，这种记录仪可分为电位差型自动平衡记录仪电桥型自动平衡记录仪

XY记录仪第182页/共193页

(1)电位差型自动平衡记录仪

调制放大器的一端接被测信号Ui，另一端接到电位器R的滑动臂上。直流电源E与电位器R组成电位差计式补偿电路。输入信号与电位器有一公共端，因此放大器的实际输入为Ui-Ur