生物医学电子设备学第2章ppt课件

.,第一节生物电放大器前置级原理第二节隔离级设计,第三节生物电放大器设计第四节生理信号放大器,第二章生物医学信号放大,为了对生物信号进行各种处理、记录、显示，必须首先把信号放大到所要求的强度。放大器的核心是前置放大，前置级的设计是重点。,.,2.1生物电放大器前置级原理,2.1.1基本要求,2.1.2差动放大电路分析方法2.1.3差动放大应用电路,2.1.4前置级共模抑制能力的提高,生物电常常对两点间的电位差进行放大，因此生物电放大器前置级采用差动电路结构。,.,一、高输入阻抗,2.1.1基本要求,为什么1、生物信号源本身是高内阻的微弱信号源，通过电极提取又呈现出不稳定的高内阻源性质；信号源阻抗因人而异、因生理状态而异，而且与电极的安放位置、电极本身的物理状态有关，源阻抗的不稳定性将使放大器电压增益不稳定；2、源阻抗和电极阻抗随频率增加而降低，如果放大器输入阻抗不够高，则造成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真。3、电极阻抗还随电极中电流密度的大小变化，都将导致电信号在放大器输出端产生干扰。,.,一、高输入阻抗,生物电放大器的输入级有：,前置级电极人体,2.1.1基本要求,.,:放大器输入阻抗。,:电极与皮肤电容，,:电极极化电位，,:人体阻抗，,:生物信号电压源。,2,2,R1,R2,100pF。,1pF,C,C,1000mV，差,1mV,E1,E,1k150k。,U,RL1,RL2:输入端保护电阻,S2,S1,RS1,RS2:电极与皮肤接触阻抗，,RT1,RT,s,Ad1CMRR3,CMRRAd1.CMRR3意义:总共模抑制比决定于：第一级增益，第二级CMRR3,3、第一、二级的差模增益,),RFR1,2RFRW,Ad=Ad1.Ad2=(1+,4、第一、二级的共模增益,.,例题p81-图2.4：一种ECG前置级电路,.,1电极阻抗不平衡造成共模电压向差模电压转化；2如果严格选择器件，使得A1与A2的共模抑制比精确对称，则第一级共模抑制比CMRR=,在输出端不会产生共模误差；3只需要计算由于电极电阻不平衡引起的共模输出和A3组成的第二级的共模抑制比产生的共模输出,.,.,同相并联差动放大电路共模抑制能力的诸限制因素的分析，得到这种结构作为生物电放大器前置级的设计步骤：1、器件选择：确定共模抑制比严格对称的A1，A2以及高共模抑制比的A3;2、第二级差动放大电路中电阻匹配精度是主要的:电阻精度从0.2%提高到0.1%，总共模抑制比有6dB的改善；3、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：Ad1取得高一些有利于总的共模抑制能力提高；,.,2.1.4前置级共模抑制能力的提高除了正确设计电路参数(Ad,CMRR)提高共模抑制比外，还可以通过电路技术使放大器获得更高的共模抑制能力。这样可以相对降低对器件参数的苛刻要求。1、屏蔽驱动：1米的导联引线采用屏蔽电缆在芯线和屏蔽层之间有分布电容,.,解决方法：缓冲放大器驱动屏蔽层。导联线屏蔽层不接地，而接共模电压，使得引线屏蔽层分布电容不起衰减的作用，两端电压保持相等Uic。,.,2、浮地跟踪：GND为电源地,对于共模电压的抑制能力，除了提高放大器的CMRR外，还可以设法减小共模输入在输出端造成的误差。可以把输入前的接地端浮置（即不把电源回路接地）并跟踪共模电压（即相当于器件的偏置电压都跟踪共模输入电压），这样共模电压就不能随信号一起被放大，从而削弱输出端产生的共模误差电压。,.,2、浮地跟踪：GND为电源地,.,为了安全的目的，可以通过浮地形式，实现人体与电气设备的隔离。所谓浮地（也称浮置），即信号在传递的过程中，不是利用一个公共的接地点逐级地往下面传送(如阻容耦合、直接耦合等)，而是利用诸如电磁耦合或光电耦合等隔离技术。优点:(1)保障安全。（2）消除地线漏电流干扰。,2.2,隔离级设计,.,浮置部分由浮置电源供电，接地部分由工频市电供电，构成两个独立的供电系统。实现电气隔离，即隔离级设计，一是通过电磁耦合，经变压器传递信号；二是通过光电耦合，用光电器件传递信号。浮置放大器使得共模抑制比进一步提高。,.,光电耦合器件具有重量轻、应用电路结构简单、成本低等优点，它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，能实现与TTL电路的兼容性设计，在生物医学电子技术中得到广泛的应用。,.,1、光电耦合,光电二极管、光电三极管、光电达林顿管。,.,2、电流转换特性图2.13,非线性-要求线性特性,in,Ic,I,=,.,.,所用光电耦合器件为光电池二极管耦合器，其中DB,DC为光电池。光电池在短路时其电流和光照近似为正比例关系。在发光二极管DA有电流通过发光时，DB,DC中产生反向电流。通过光电耦合的电压转换比率为：,.,RFRi,Ui,=,则Uo,3、互补形式的耦合级图2.15由于有很大的非线性，利用PH1和PH2对称，提高耦合级电路的线性度。耦合输入级I1=Ii=Ui/R1I1=1ID耦合输出级I2=2ID=IFUo=RFIF如1=2,.,2.2.2电磁耦合（即变压器耦合）,实现隔离的另一种方法，就是电磁耦合即变压器耦合。注意：变压器不能传递低频、直流信号，所以需要通过调制电路把低频信号调制到高频载波上经过变压器耦合再解调恢复生物低频信号。如图：p93-2.20,光电耦合：频率响应高、结构简单、成本低廉、良好的线性度、能实现与TTL电路的兼容性设计电磁耦合：线性度更好、共模抑制比高、低噪声、频率响应相对低、成本高、结构复杂,.,2.3生物电放大器设计,目前生物电放大器的特点：集成化：采用集成器件，例如高性能集成放大器。低噪声：集成运放本身的噪声比分立元件大，因此限制了前置级的低噪声性能；场效应晶体管低噪声性能更佳。采用缓冲放大作为输入级：对改善后的信号进行差动放大，去除共模成分，这是经常选用的设计方案；需要相应的数字电路完成控制功能：例如导联切换、放大器工作状态选择、cpu控制等,.,2.3.1心电放大器设计,生物电信号心电信号最强,.,心电放大器结构：,标准导联和胸前导联共九个心电信号,变成稳定的低内阻心电信号,去除电极电位与R构成高通滤波器,差动放大,光电耦合,标准信号校准,置零,.,输入/缓冲,前置放大,Wilson网络屏蔽驱动,右腿驱动,导联选择,主放/增益调节,定标,复零,隔直,滤波,人体,光电耦合可在前置级之后,.,限幅保护：氖泡和双向并联二级管,.,1、输入级保护设计：,仪器对人体安全：仪器损坏时，不能伤及人体外界对仪器：外界的冲击对仪器破坏。,措施：,氖泡：将冲击减小到60-70V内。无源滤波：将电流限制在3mA以内,R=22k，C=220p。,并联二级管：使输入电压小于1V.缓冲级：实现阻抗匹配。（可选）,一、输入回路设计,.,2、Wilson网络设计导联选测:数字逻辑、模拟开关,10K,10K,RF,L,RRF,II,F,R,III,F,LRF,10K,I10K,10K,10K,Test10K,10K,.,10K,10K,R,LFRF,20K20K,aVL10K,L,20K20K,RFRF,V1-V6,30K30K30KV1-V6,RLFRF,aVR10K,F,20K20KaVF,RLRF,.,.,2.3.2脑电放大器,基本要求（脑电信号更加微弱，噪声背景复杂，测量难度更大）,.,输入/缓冲阻抗检查,前置放大,定标,复零,增益控制高通控制,增益控制50Hz限波,隔直主放,脑电放大基本框图：,.,脑电放大基本框图：,监视电极与放大器之间的接触是否良好,各个脑区的固定部位电位的提取,去除电极电位,A2（5），A3（150），A5（150）同相放大、灵敏度调节,低通滤波器（设定频段：153000Hz）,高通滤波器（设定频段:0.0035Hz）,50HZ陷波（带阻滤波器：wo=50Hz）,提高负载能力，抗干扰,差动放大：去除共模交流干扰,.,T1,T2与运放A0组成同相跟随器（实现低噪声和高输入阻抗）,输出信号通过motage选择送入+-IN,混合式差动放大：三个晶体管和运放A1；Ad=14,c1去除电极电位,A2（5），A3（150），A5（150）同相放大、微机控制灵敏度调节,低通滤波器（设定频段：153000Hz）,高通滤波器（设定频段:0.0035Hz）,50HZ陷波（带阻滤波器：wo=50Hz）,A1差动放大：去除共模交流干扰,.,放大器总增益分配为：A2为5，A3为150，A5为150；总增益最高可达1000000,.,2肌电、诱发电位放大器,基本要求p3p74（1）肌电不仅有运动单元的动作电位，还有神经电位。动作电位的幅度在几十微幅到几毫幅，约达到60dB的变化；神经单元信号在1V以下。放大器增益达1000000以上。（2）频带频谱很宽：2Hz10kHz（3）肌电放大器输入阻抗须大于（100M）（电极与皮肤接触面积小仅有0.07mm2,接触电阻高达1M）（4）低噪声、低漂移、高共模抑制比要求比EEG,ECG更高,诱发电位与肌电都属于生物电信号中快变化信号。具有良好高频特性的肌电放大器通常也适用于诱发电位的放大、测量。,.,阻抗变换,阻抗变换,隔离级设计,频率上限调节,频率下限调节,.,1、同相并联放大形式，A1与A2CMRR对称（差值须小于0.5dB）CMRR(A3)高-CMRR高2、选择场效应输入的低噪声运放器件构成前置级，满足低噪声性能要求，选op27-p1063、合理的增益分配：第一级增益高为100；第二级增益为2，前置级增益为200,.,前置级低噪声设计总结：1、选择场效应输入的低噪声运放器件构成前置级，例如选择op27；2、合理的增益分配：第一级电压增益高；3、低噪声运放器件的输入端（如A1，A2）不允许附加任何额外电阻，否则信号端电阻将引入噪声电压，地端电阻产生附加噪声电流；4、前置级中输入级各反馈电阻RFRW产生热噪声，阻值尽可能小；5、去极化电压电容C1位于信号传输主通道，本身噪声将成为放大器的重要噪声源，应在动态范围允许的情况下尽可能设置在放大电路的后一部分，削弱其噪声危害.,.,2.4生理信号放大器,生理放大器包括：压力（血压）放大器心音放大器呼吸放大器,应当注意生理信号的特殊处理方式。,.,2.4生理信号放大器一、压力（血压）放大器：调制式放大器通过压力换能器把压力信号变为应变电阻的变化从而输出与压力相对应的电压信号。(例如：血压)压力换能器:压力-应变电阻-电桥-电信号放大及定标：80mmHg/160mmHg解调：高频调幅波-低频信号血压监测中：需要得到血压的变化和变化率，应展宽频带,.,心室收缩时，主动脉压急剧升高，在收缩期的中期达到最高值。这时的动脉血压值称为收缩压。心室舒张时，主动脉压下降，在心舒末期动脉血压的最低值称为舒张压。收缩压和舒张压的差值称为脉搏压，简称脉压。一个心动周期中每一个瞬间动脉血压的平均值，称为平均动脉压。简略计算，平均动脉压大约等于舒张压加1/3脉压。,.,压力放大基本框图：,调制载波由5KHz正弦波发生器提供,收缩压,舒张压,峰值电压表：,.,整形电路,压力传感器惠更斯电桥（由于电阻参数的分散性、分布电容影响使得无压力情况下B3输出不为0-需要平横桥）,定标开关：调整电位器获得放大器的80mmHg和160mmHg的定标输出,T7，T8触发开关门：将已调制波的正负半周交替交替的送达A4的同相端和反相端，从而还原已调波,A1A2A3三级放大Ad=16，总增益为5000,k2a控制四种状态对应四种截止频率,A5阻抗变换,阻断电阻,a-b期间导通,收缩压：峰值电压表显示,舒张压,.,二、心音放大器,心音及心音图（PCG）。图2。37,.,特点：,心音很微弱，接近人耳的听觉阈值频率范围：0.1Hz800Hz,第一心音：70Hz100Hz第二心音：100Hz150Hz第三/四心音：0.02秒,人耳对高频敏感，对低频不敏感,心音和心杂音随频率平方成反比例减小,.,心音滤波器：,.,心音放大基本框图：图2.40图2.41,换能器,前置级电路,心音滤波器,高通,放大,心音,直接输出（监听）,绝对值,低通,95Hz调制,带通,低通加法,100Hz为限,.,心音放大:T9(低频），T10（高频），,输入盒（隔离、减小噪声）增益为25倍,增益粗调开关,放大、低通滤波1KHz,A1A2