生物信息测量中的噪声

生物信息测量中的噪声第1页，课件共71页，创作于2023年2月生物信息测量中的噪声和干扰高灵敏度良导体为什么要研究噪声和干扰？外界干扰第2页，课件共71页，创作于2023年2月生物信息测量中的噪声和干扰学习方法：分析噪声和干扰的产生教学目的： 通过分析生物信息测量中的噪声和干扰，得到生物信息测量系统的强抗干扰能力和低噪声电子设计方法。了解噪声和干扰进入的途径找寻抑制干扰和降低噪声的方法第3页，课件共71页，创作于2023年2月几个基本概念：干扰：能够采取防护措施消除或控制的无用信号称为干扰。噪声：把电子元件中带电质子杂乱波动所引起的难以完全控制或消除的无用信号称为噪声。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。生物信息测量中的噪声和干扰第4页，课件共71页，创作于2023年2月几个常用专业词汇EMC（Electro-MagneticCompatibility）电磁兼容性：指设备或系统在其运行电磁环境中符合要求运行并且不对其环境中的任何其它设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。EMI（Electro-MagneticInterference）电磁干扰性：指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰。

EMS（Electro-MagneticSusceptibility)电磁敏感性。指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即设备抵御外界干扰的能力。第5页，课件共71页，创作于2023年2月第一节人体电子测量中的电磁干扰一.干扰的类型：磁场干扰源：自然界的宇宙射线、太阳辐射、太阳黑子产生的周期电扰动等。电场干扰源：发动机点火、继电器触点的开闭、旋转电机的电刷火花、电容电感的过渡过程的瞬变电压、瞬变电流等。高频电磁场干扰源：无线电广播、电视、雷达等所传播的电磁能。第6页，课件共71页，创作于2023年2月生物信号及干扰源的频率分布ECG心电EEG脑电EMG肌电EOG眼电ENG眼震颤电图ERG视网膜PCG心音VEP视觉诱发SEP大脑体感诱发电位AEP听觉诱发电位0.11101001K10K100K1M10M100M1G雷电电刷火化灯管放电无线电宇宙噪声医用遥测高频治疗、超声诊断、手术电刀、电疗第7页，课件共71页，创作于2023年2月人体电子测量中的电磁干扰二.干扰耦合途径：

直接途径间接途径电容性耦合电感性耦合传导耦合经公共阻抗耦合第8页，课件共71页，创作于2023年2月干扰耦合的途径传导耦合：经导线传播把干扰引入测试系统市电干扰生理信号医学仪器第9页，课件共71页，创作于2023年2月干扰耦合的途径经公共阻抗耦合：电流流经公共阻抗形成压降造成干扰。前置级电路一电路二RceRcsVcsVcl第10页，课件共71页，创作于2023年2月干扰耦合的途径电容性耦合（电场）：一个导体上的电压或干扰成分通过分布电容使其他导体上的电位受到影响。ABZ1Z2ZGID1ID2ID1+ID2GC1C2干扰源导联线的容性耦合ABZ1Z2ZGGC1干扰源人体表面的容性耦合第11页，课件共71页，创作于2023年2月干扰耦合的途径电感性耦合（磁场）：系统内部（外部）干扰电流产生的磁通随时间变化而在系统内部形成干扰电压。ABZ1Z2ID1ID2干扰源I引线环路面积引线环路面积干扰源I电极引线的环路面积引入的干扰第12页，课件共71页，创作于2023年2月总结大电流、低电压的情况小电流、高电压的情况I干扰源导线导线IU电容性耦合（电场）电感性耦合（磁场）干扰源第13页，课件共71页，创作于2023年2月抑制干扰的方法隔离去藕滤波耗能电路抑制直接途径的干扰：抑制间接途径的干扰：合理接地屏蔽第14页，课件共71页，创作于2023年2月抑制直接途径的干扰隔离：信号在传递过程中，没有直接的电路上的联系，而是通过电磁耦合或光电耦合进行传递。光电耦合隔离放大调制解调前极后极变压器耦合隔离IinVcc第15页，课件共71页，创作于2023年2月血液透析复用机的电源部分第16页，课件共71页，创作于2023年2月光电耦合光电耦合的特点：1.实际是电流控制器件，只有通过一定电流才能发光。2.具有良好的线性和一定的转换速度，既可以作为模拟信号的转换，也可以作为数字信号的转换。3.输入阻抗很低，输入/输出间的电容很小，绝缘电阻又非常大。4.密封在管壳内，不受外界影响。

5.可以实现与TTL电路的兼容。第17页，课件共71页，创作于2023年2月光电耦合器件的种类：光电二极管耦合光电晶体管耦合达林顿光电晶体管耦合VccVccUiU0RFR1RLA2RRi单极光电耦合光电耦合器件的工作条件：第18页，课件共71页，创作于2023年2月过零检测的可控硅驱动光耦高速、逻辑门驱动光耦达林顿驱动的驱动光耦大电流输出MOSFET驱动的光耦第19页，课件共71页，创作于2023年2月ECG前置级光电耦合电路第20页，课件共71页，创作于2023年2月隔离法在医疗设备中的应用前级后级前后级隔离输入、输出隔离第21页，课件共71页，创作于2023年2月数字信号的光电隔离前置放大主放大ADC耦合级浮地电源ui第22页，课件共71页，创作于2023年2月第23页，课件共71页，创作于2023年2月抑制直接途径的干扰去藕：为了去除电源线中的干扰经传导耦合进入测量系统，用RC或RL滤波环节消除直流电源因负载变化引起的干扰。电源去藕防止级间藕合+VCC第一级放大第二级放大RCC第24页，课件共71页，创作于2023年2月抑制直接途径的干扰滤波：为了去除电网中的干扰，可以用低通滤波器，消除频率较高的干扰，对于50Hz交流电的市电干扰，可用50Hz陷波电路进行消除。RCRC无源滤波器有源滤波器第25页，课件共71页，创作于2023年2月贝塞尔低通滤波器巴特沃兹低通滤波器适合生理信号放大的有源滤波器电路第26页，课件共71页，创作于2023年2月中级放大信号45K45K45K0.068u0.068u0.068u0.068u50Hz干扰抑制双T有源陷波器第27页，课件共71页，创作于2023年2月文氏桥式陷波器634K634K634K0.0047u0.0047uV1V2634K第28页，课件共71页，创作于2023年2月抑制直接途径的干扰耗能电路：耗能电路主要抑制医学仪器内部的各种继电器、接触器、电动机等有接触点的开启和闭合产生瞬时击穿，造成高频辐射和引起电源电压、电流冲击的干扰。RLCRLRCLR支路交直流耗能电路RC支路交直流耗能电路RC支路接点保护电路LDLRDLDD支路直流耗能电路RD支路直流耗能电路D支路接点保护电路第29页，课件共71页，创作于2023年2月抑制间接途径的干扰措施之一合理接地：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。合理接地是抑制干扰的主要方法。

安全接地（保护接地）工作接地第30页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量中的安全接地第三级等电位接地中线接地，另外再配备一条接地线，负载接地与其相连。把仪器周围的所有导电部分和仪器外壳连接在一起，形成等电位。在人体与仪器接触时实现与人体并联小电阻或串联大电阻；或在基础绝缘的外边，再加上一层绝缘；或通过过流保护和漏电切换电路实施保护为什么?第一级电源接地

第二级保护接地第31页，课件共71页，创作于2023年2月中线火线地线仪器安全接地之一——电源接地N仪器N仪器N分别保护接地兼用方式保护接地××√第32页，课件共71页，创作于2023年2月仪器小电阻仪器大电阻仪器基础绝缘安全接地之二——保护接地第33页，课件共71页，创作于2023年2月abABiABRabABiiAiB分别接地公共接地abABi正确的一点接地安全接地之三——等电位接地第34页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量中的工作接地工作接地：即对信号电压设立基准电位。工作地线可以设计为大地地线，也可以不是大地地线工作接地的工作方式： 一点接地

多点接地工作接地的主要分类： 低电平信号地线

功率地线

机壳地线第35页，课件共71页，创作于2023年2月电路1电路2电路3I1I2I3R1R2R3ABC电路1电路2电路3I3R1R2R3ABCI1I2I3电路1电路2电路3R1R2R3L1L2L3哪一种接地最好？工作接地第36页，课件共71页，创作于2023年2月工作接地工作接地方式：高频信号的多点接地低频信号的一点接地一般说来1MHz以下可以采用一点接地，频率高于10MHz时应采用多点接地。在1MHz至10MHz范围，如用一点接地，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应多点接地。第37页，课件共71页，创作于2023年2月低频测量系统的综合接地信号地线功率及机壳地线接口电路数控电路电动机及控制电路电源电源地线读出放大器写入放大器第38页，课件共71页，创作于2023年2月ABZ1Z2ID1ID2心电信号采集过程中工作接地分析实例△V为什么测量心电时要睡在床上？▽V=95mv▽V=0.095μv第39页，课件共71页，创作于2023年2月抑制间接途径的干扰措施之二屏蔽：所谓屏蔽，泛指在两个空间区域加以金属隔离，用以控制从一个区域到另一个区域电场或磁场的传播。屏蔽包括主动屏蔽和被动屏蔽。干扰源无内场主动屏蔽被动屏蔽+v传导屏蔽第40页，课件共71页，创作于2023年2月抑制间接途径的干扰——屏蔽屏蔽特性：

金属屏蔽实际是对电磁波的衰减。一是从金属表面反射回来，称之为反射损耗；二是穿过金属层并被衰减，称之为吸收损耗。电场干扰磁场干扰第41页，课件共71页，创作于2023年2月把巨大的金属网安装在绝缘座上﹐当给笼壁加上高电压时﹐笼内的电场处处为零﹐所以在笼内的人十分安全。另外将笼子接地﹐也可以使笼外电场为零﹐笼内带电体不影响外界物体。这种笼子既可以保护它里面的空间不受外界电场影响﹐也可以使笼里带电体不影响外界物体。电磁屏蔽第42页，课件共71页，创作于2023年2月反射损耗特性：

与屏蔽壳体的阻抗特性、电磁场的性质及频率有关。10-1100101102103f/Hz302575100125150175(dB)10-2铜σ=1.00铝σ=0.61钢σ=0.10屏蔽壳体阻抗越低，反

射损耗越大。对于远场电磁波，频率

越低，反射损耗越大。对于近场电磁波，电场

反射损耗高，磁场反射

损耗低。电磁波的波阻抗屏蔽材料的阻抗反射损耗第43页，课件共71页，创作于2023年2月吸收损耗特性：与屏蔽壳体的厚度、壳体的材料及电磁场的频率有关。0.20.40.60.81.0204060801001.2吸收损耗(dB)进入深度102103104105106f/Hz502575100125150175(dB)铜板(厚3mm)钢板(厚3mm)铜板(厚0.5mm)钢板(厚0.5mm)吸收损耗集肤深度入射距离(mm)第44页，课件共71页，创作于2023年2月抑制间接途径的干扰远场：反射损耗——低频

衰减损耗——高频近场：反射损耗——电场

衰减损耗——磁场

选择屏蔽体材料的原则是：屏蔽电场和远场的平面波时，宜选择铜、铝、钢等高导电率材料；低频磁场的屏蔽，宜选锰合金、磁钢、铁等高导磁率材料。第45页，课件共71页，创作于2023年2月第二节测量系统的噪声什么是噪声？把测量系统内部有器件、材料、部件的物理因素产生的自然扰动称为噪声。噪声与干扰的区别：对于生物医学测量仪器，干扰指测量仪器外部的各种影响因素。噪声指测量仪器内部自身的各种影响因素。第46页，课件共71页，创作于2023年2月第二节测量系统的噪声1.

噪声的一般性质：1）噪声电压或噪声电流是随机的，不可能用一个确定的时间函数来描述，但噪声服从一定的统计规律。2）在幅度域里，能通过表示噪声过程的概率密度P(u)而得知噪声电压落在某一范围内的概率。一般噪声的概率密度服从高斯（正态）分布。3）在频域里，可用单位频带内噪声功率随频率的变化的功率谱密度来描述。4）噪声的强度可以用均方根值表示。第47页，课件共71页，创作于2023年2月第二节测量系统的噪声噪声强度的描述：噪声电压或噪声电流是随机的，不可能用一个确定的时间函数来描述。噪声的强度可以用均方根值表示。功率谱密度噪声电压的均方根值是它在一欧姆电阻上产生的平均功率单位频带内噪声功率随频率的变化第48页，课件共71页，创作于2023年2月均方根值RMS(RootMeanSquare)也称作有效值，它的计算方法是先平方、再平均、然后开方。均方根值的理解比如幅度为100V而占空比为0.5的方波信号，如果按平均值计算，它的电压只有50V，而按均方根值计算则有70.71V。

例：一组100伏的电池组带动10Ω电阻，每次供电10分钟之后停10分钟，供电的10分钟产生10A的电流和1000W的功率，停电时电流和功率为零。那么在20分钟的一个周期内其平均功率为500W，这相当于70.71V的直流电向10Ω电阻供电所产生的功率。而50V直流电压向10Ω电阻供电只能产生250W的功率。第49页，课件共71页，创作于2023年2月概率密度的理解0P（u）uu10u8/jpkc/gccsjs/956_web_course_lab/weblab.html第50页，课件共71页，创作于2023年2月功率谱的理解

功率谱密度反映信号的频域结构，这一点和幅值谱相似，但是功率谱密度所反映的是信号幅值的平方，因此其频域结构特征更为明显。

粉红色噪声：谱密度随频率减小而上升。白噪声：噪声具有恒定的功率谱密度蓝噪声：谱密度随频率升高而增加。bacS(f)f第51页，课件共71页，创作于2023年2月第二节测量系统的噪声2.生物医学测量系统中的主要噪声类型：

1/f噪声（低频噪声）热噪声散粒噪声第52页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量系统中的主要噪声类型什么是1/f噪声？凡是两种材料之间不完全接触，形成起伏的电导率便产生1/f噪声。1/f噪声的产生：外部：开关、继电器或晶体管、二极管的不良接触。内部：元件内部不同材料之间的接触面或点。如电流流过合成碳质电阻的不连续介质。特点：噪声电压随频率的降低而增加。第53页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量系统中的主要噪声类型什么是热噪声？热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起的。热噪声的产生：导体中电子的随机热运动导致导体中出现电流的波动，在每一瞬间，这些波动产生的电流平均值并不为零，从而在导体两端产生压降形成噪声电压。特点：热噪声属于白噪声，其电压与工作频带，电阻阻值及温度成正比。第54页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量系统中的主要噪声类型什么是散粒噪声？在半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动着的载流子数目发生波动，时多时少，由此而引起电流瞬时涨落。特点：散粒噪声属于白噪声，主要表现为电流噪声。第55页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量系统中的主要噪声类型3.

描述放大器噪声性能的参数：（1）Un

、In参数

Un：阻抗为零的噪声电压发生器

In

：阻抗为无穷大的噪声电流发生器UnoAUnUnsUSInRSZi串联并联第56页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量系统中的主要噪声类型（2）噪声系数噪声系数是放大器引起的信号质量（信噪比）恶化程度的量度。3.

描述放大器噪声性能的参数：用分贝表示，噪声系数的对数形式NF为：NF=10lgF第57页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量系统中的主要噪声类型4.

器件的噪声：（1）电阻的噪声

a）电阻中都存在热噪声，为主要噪声。

b）由于电阻的构成材料和工艺，有的电阻还存在较大的1/f噪声，如合成炭膜电阻等。所以：生物电信号提取电路里多采用金属膜电阻

第58页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量系统中的主要噪声类型4.

器件的噪声：（2）电容器的噪声

a）电容器的漏电，使电容中存在热噪声。

b）电容器在工作时，存在1/f噪声，其影响远比热噪声大。所以：生物电信号提取电路的大容量电容应选择钽电解电容。第59页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量系统中的主要噪声类型4.

器件的噪声：（3）耦合变压器的噪声效应

a）变压器的磁性材料磁化的不连续性，呈现出磁起伏噪声。

b）变压器的耦合作用引入外界的干扰噪声。所以：采用好的磁性材料，外加良好的磁屏蔽是很重要的。第60页，课件共71页，创作于2023年2月（4）场效应管的噪声沟道中多数载流子的随机热运动产生热噪声栅极产生的散粒噪声不同材料的结构产生1/f噪声第61页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量系统中的主要噪声类型4.

器件的噪声：（4）场效应管的噪声

a）由于场效应管是以多数载流子形成放大功能，所以存在沟道热噪声。

b）栅极的漏电流、空穴的运动等各种因素形成了管内的散粒噪声。

c）由于场效应管的构成，在低频段，场效应管的1/f噪声将成为主要危害。第62页，课件共71页，创作于2023年2月（5）双极晶体管的噪声不同材料形成1/f噪声IB、IC产生散粒噪声及基区扩散电阻产生的热噪声第63页，课件共71页，创作于2023年2月生物医学测量系统中的主要噪声类型4.

器件的噪声：（5）双极晶体管的噪声

a）基区扩散电阻的热噪声

b）基极电流和集电极起伏产生的散粒噪声

c）基极电流流经基极-发射极的耗尽层所产生的1/f噪声。所以；在低频段应用时，为了减少1/f噪声，应相应减少基区电阻并选择尽可能低的静态工作状态。第64页，课件共71页，创作于2023年2月LM324内部结构AD620内部结构（6）运算放大器的噪声第65页，课件共71页，创作于2023年2月生物