第二章信号测量基本条件

1、第二章信号测量基本条件 生物医学电子学生物医学电子学 第二章第二章 信号测量的基本条件信号测量的基本条件 第一节第一节 人体测量的电磁干扰人体测量的电磁干扰 第二节第二节 测试系统的噪声测试系统的噪声 第三节第三节 低噪声放大器设计低噪声放大器设计 Biomedical Electronics 第二章信号测量基本条件 合理接地是抑制干扰的主要方法，把接地和屏蔽正确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 部电路中和测试系统整机中地线的布置。另一方面，在生部电路中和测试系统整机中地线的布置

2、。另一方面，在生 物医学测量中，从安全的角度考虑，合理的良好接地也是物医学测量中，从安全的角度考虑，合理的良好接地也是 十分重要的。在此，两方面一并予以讨论。十分重要的。在此，两方面一并予以讨论。 ( (一一) )合理接地合理接地 系统中的接地线分为两类：系统中的接地线分为两类： 安全接地：也称为保护接地，保护地线必须是大地电位。安全接地：也称为保护接地，保护地线必须是大地电位。 工作接地：对信号电压设立基准电位，工作地线的设计可工作接地：对信号电压设立基准电位，工作地线的设计可 以是大地电位，也可以不是大地电位。以是大地电位，也可以不是大地电位。 当保护地线与工作地线配合不好时，就会产生干扰

3、。当保护地线与工作地线配合不好时，就会产生干扰。 2.1.2 2.1.2 合理接地与屏蔽合理接地与屏蔽 第二章信号测量基本条件 为安全起见，一般电气设备机壳都应接地。在生物医学为安全起见，一般电气设备机壳都应接地。在生物医学 测量中，接地更加重要。接地可以在任何情况下，使人经常测量中，接地更加重要。接地可以在任何情况下，使人经常 接触的机壳保持零电位，避免大的电流流过人体造成电击。接触的机壳保持零电位，避免大的电流流过人体造成电击。 机壳的电位是由于杂散阻抗形成漏电通路或者产生绝缘击穿机壳的电位是由于杂散阻抗形成漏电通路或者产生绝缘击穿 形成的。下图描述发生宏电击和微电击的两种情况。形成的。下

4、图描述发生宏电击和微电击的两种情况。 1安全接地安全接地 第二章信号测量基本条件 在生物医学测量中，安全接地可分为三种：电源接在生物医学测量中，安全接地可分为三种：电源接 地，保护接地，等电位接地。相辅相成，达到绝对安全、地，保护接地，等电位接地。相辅相成，达到绝对安全、 避免发生宏电击的目的。避免发生宏电击的目的。 （1 1）电源接地）电源接地 由于电源的负载由于电源的负载( (即仪器即仪器) )接地方式不接地方式不 同，有以下三种供电方法，如图所示。同，有以下三种供电方法，如图所示。 (a)把中线把中线( (零线零线) )或一条配电线接地，负载分别另行接地或一条配电线接地，负载分别另行接地

5、。 第二章信号测量基本条件 (b)(b)为中线和负载的地线合用，因此多数情况下中线存在为中线和负载的地线合用，因此多数情况下中线存在 电流，负载仪器的外壳电位被升高电流，负载仪器的外壳电位被升高 ( (为流经中线电流与中线为流经中线电流与中线 电阻的乘积电阻的乘积) ) (c)(c)为中线接地，另外再配备一条接地线，为中线接地，另外再配备一条接地线， 负载接地与其相负载接地与其相 连，虽增加了一根配线，但更加安全，是医疗设施和测量连，虽增加了一根配线，但更加安全，是医疗设施和测量 的合理的接地方法。的合理的接地方法。 第二章信号测量基本条件 电源侧接地的标准电阻值电源侧接地的标准电阻值 为为l

6、0l0以下。接地电阻形以下。接地电阻形 成的负载外壳电位称为接成的负载外壳电位称为接 触电位，其随接地电阻的触电位，其随接地电阻的 变化如图。变化如图。 接触电压限制在接触电压限制在12V12V以下，以下， 接地电阻应在接地电阻应在1.51.5以下；以下； 若限制在若限制在24v24v以下，接地以下，接地 电阻须在电阻须在33以下。以下。 实际上取得如此低的接地电阻是非常不容易的，工实际上取得如此低的接地电阻是非常不容易的，工 程上允许的接地电阻有的可达程上允许的接地电阻有的可达100100，这时接触电压达到，这时接触电压达到 100v100v，等于没有接地。如果取人体电阻为，等于没有接地。如

7、果取人体电阻为1k1k，会有，会有91v91v 电压施加于人体，造成宏电击。因此，需采用辅助手段电压施加于人体，造成宏电击。因此，需采用辅助手段 才能够确保安全，即采取各种形式的保护接地电路。才能够确保安全，即采取各种形式的保护接地电路。 第二章信号测量基本条件 保护接地是为了把漏电流和绝缘失效时的事故电流，保护接地是为了把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。图（安全地流入大地而附加的接地保护。图（a a）为在人体与）为在人体与 仪器外壳接触时实现与人体仪器外壳接触时实现与人体( (等效电阻为等效电阻为Rb)Rb)并联小电阻并联小电阻R R 图（图（b b）为串联一

8、大电阻）为串联一大电阻R R，达到保护接地的目的。，达到保护接地的目的。 （2 2）保护接地）保护接地 第二章信号测量基本条件 图（图（c c）为过流保护，当发生接地）为过流保护，当发生接地 事故时，有过大电流流过电路，使事故时，有过大电流流过电路，使 过流保护器工作，切断电路。但是，过流保护器工作，切断电路。但是， 如果通过接地点的接地回路阻抗不如果通过接地点的接地回路阻抗不 够小，过流保护器可能不工作，就够小，过流保护器可能不工作，就 达不到保护的作用。达不到保护的作用。 图（图（d d）为漏电断路保护，断路装）为漏电断路保护，断路装 置是利用电流之差检测接地电流，置是利用电流之差检测接地

9、电流， 是一种差动变压器，正常时往返的是一种差动变压器，正常时往返的 电流相等，次级线圈没有输出电压；电流相等，次级线圈没有输出电压； 负载一有接地时，负载一有接地时， 因往返的电流因往返的电流 不同，在次级线圈产生电压，利用不同，在次级线圈产生电压，利用 这个输出电压经过放大切断电路，这个输出电压经过放大切断电路， 使接触电压达不到危险的持续时间。使接触电压达不到危险的持续时间。 第二章信号测量基本条件 如果产生的接地电位和人体的电位相等，那么电流也如果产生的接地电位和人体的电位相等，那么电流也 不会通过人体，这种为了得到等电位的附加接地称为等电不会通过人体，这种为了得到等电位的附加接地称为

10、等电 位接地。位接地。 安全标准中，规定要求离患者安全标准中，规定要求离患者2.5m2.5m以内的范围要取得以内的范围要取得 等电位化，这是患者伸手或借助其他人所能接触的范围，等电位化，这是患者伸手或借助其他人所能接触的范围， 这一范围称为患者环境。这一范围称为患者环境。 生物医学侧量中，大多数情况是数台电子设备用于人生物医学侧量中，大多数情况是数台电子设备用于人 体，同时工作，这时应特别注意各设备的接地安全，防止体，同时工作，这时应特别注意各设备的接地安全，防止 发生微电击。数台设备并用，其接地方式可能有以下三种：发生微电击。数台设备并用，其接地方式可能有以下三种： 分别单独进行接地；共用一

11、条接地线；一点接地。分别单独进行接地；共用一条接地线；一点接地。 （3 3）等电位接地）等电位接地 第二章信号测量基本条件 对于第一种方式，以两台为例，装对于第一种方式，以两台为例，装 置置A A和装置和装置B B的地线分别接于人体的的地线分别接于人体的 a a点和点和b b 点，如图点，如图i iA A、i iB B为漏电流，为漏电流， R RA A、R RB B为接地电阻，由于为接地电阻，由于a a、b b的电的电 位不同会产生电流，当位不同会产生电流，当a a接触心脏接触心脏 时，电流超过时，电流超过10A10A就会产生微电击，就会产生微电击， 在出现故障时，接地电流会变得更在出现故障时

12、，接地电流会变得更 大，还有产生宏电击的危险。因此，大，还有产生宏电击的危险。因此， 单独的接地方式，在生物医学测量单独的接地方式，在生物医学测量 中应避免。中应避免。 下图画出了多台设备接地的三种方式下图画出了多台设备接地的三种方式 （a）分别单独进行接地 （b）共用一条接地线 （c）一点接地 第二章信号测量基本条件 对于第二种方式，对于第二种方式，a a、b b之间电之间电 位取决于位取决于A A、B B间电流，如果事间电流，如果事 故发生在故发生在B B设备，就会产生较设备，就会产生较 大的接地电流，发生电击事故。大的接地电流，发生电击事故。 但最根本的办法是与患者相连但最根本的办法是与

13、患者相连 的各台设备的地线接到公共地的各台设备的地线接到公共地 线的同一点上，称之为测量的线的同一点上，称之为测量的 一点接地方式。这是安全接地一点接地方式。这是安全接地 的最好方的最好方 式，如图所示。式，如图所示。 结结 论：在同一室内，不允许存在不同系统的接地线；论：在同一室内，不允许存在不同系统的接地线； 室内的接地线采用一点接地。室内的接地线采用一点接地。 为了做到一点接地，在一个室内，应设置接地母线，实现为了做到一点接地，在一个室内，应设置接地母线，实现 等电位接地。同室多位患等电位接地。同室多位患 者，也只能设置一个接地母线。者，也只能设置一个接地母线。 第二章信号测量基本条件

14、接地设计应考虑两点接地设计应考虑两点 （a a）所有导线都具有一定的阻抗，高频时导线）所有导线都具有一定的阻抗，高频时导线 的表面呈现一定电抗，其值甚至超过导线电阻；的表面呈现一定电抗，其值甚至超过导线电阻； （b b）两个分开的接地点不是等电位的，交流电）两个分开的接地点不是等电位的，交流电 源的地线不能用作信号地线，一段电源地线两点源的地线不能用作信号地线，一段电源地线两点 间会达到数百毫伏、甚至几伏的电压，对低电平间会达到数百毫伏、甚至几伏的电压，对低电平 电路电路 ( (如生物信号放大器的前置级如生物信号放大器的前置级) )来说，这已是来说，这已是 非常大的干扰。电源线接地线为了安全一

15、非常大的干扰。电源线接地线为了安全一 般是般是 一点接地方式。一点接地方式。 2 2工作接地工作接地 第二章信号测量基本条件 工作接地方式有两种：一点接地和多点接地工作接地方式有两种：一点接地和多点接地 从抗干扰角度，图从抗干扰角度，图(a)(a)的共用地线方式最不适用，的共用地线方式最不适用，R Rl l、R R2 2、R R3 3为为 地线的等效电阻，地线的等效电阻，I I1 1、I I2 2、I I3 3是电路接地电流，则是电路接地电流，则A A点电位不等点电位不等 零。零。 V VA A= =（I I1 1+I+I2 2+I+I3 3）R Rl l ，V VC C = =（I I1 1

16、+I+I2 2+I+I3 3）R Rl l+ +（I I2 2+I+I3 3）R R2 2+I+I3 3R R3 3。 这种方式虽不合理，但简单、方便，在电路电平相差不多时，这种方式虽不合理，但简单、方便，在电路电平相差不多时， 仍可使用。注意低电平电路仍可使用。注意低电平电路( (如电路如电路1)1)放在距离接地点最近处放在距离接地点最近处 （如（如A A），使之最接近地电位。），使之最接近地电位。 （1 1）一点接地的串联形式和并联形式）一点接地的串联形式和并联形式 第二章信号测量基本条件 在生物信号测量中，由于是低频信号，最适用的是图在生物信号测量中，由于是低频信号，最适用的是图(b)(

17、b) 所示的并联接地方式。所示的并联接地方式。A A、B B、C C点电位只与本电路的地电点电位只与本电路的地电 流、地线电阻有关。流、地线电阻有关。 并联方式的一点接地，由于各电路之间形成耦合而不适用并联方式的一点接地，由于各电路之间形成耦合而不适用 于高频。高频时要考虑地线的感抗和各地线之间的电感耦于高频。高频时要考虑地线的感抗和各地线之间的电感耦 合，以及地线之间的分布电容形成耦合。当频率升高，地合，以及地线之间的分布电容形成耦合。当频率升高，地 线长度是线长度是1/41/4的奇数倍时，地线阻抗会变得很高，地线就的奇数倍时，地线阻抗会变得很高，地线就 成了天线，成了天线， 向外辐射干扰。

18、所以地线长度应短于信号波向外辐射干扰。所以地线长度应短于信号波 长的十分之一，以防止辐射，并降低地线阻抗。长的十分之一，以防止辐射，并降低地线阻抗。 第二章信号测量基本条件 电路中所用的地线分别连电路中所用的地线分别连 到最近的低阻抗地线排，地线排到最近的低阻抗地线排，地线排 一般用大面积的镀银铜皮。注意，一般用大面积的镀银铜皮。注意， 由于高频时的集肤效应，增加铜由于高频时的集肤效应，增加铜 （2 2）多点接地方式）多点接地方式 皮厚度并不能减小接地阻抗。由实验得到，各接地点的间皮厚度并不能减小接地阻抗。由实验得到，各接地点的间 距应小于距应小于0.150.15。 长电缆多点接地有利于屏蔽层

19、更接近地电位，因为高长电缆多点接地有利于屏蔽层更接近地电位，因为高 频时屏蔽层对地分布电容和自身阻抗影响较大，多点接地频时屏蔽层对地分布电容和自身阻抗影响较大，多点接地 能减小阻抗的影响，使屏蔽层保持在地电位，即使各接地能减小阻抗的影响，使屏蔽层保持在地电位，即使各接地 点之间有电位差，产生的干扰电压频率远低于信号频率，点之间有电位差，产生的干扰电压频率远低于信号频率， 容易滤除。测试系统里的数字电路部分，尤其高速逻辑电容易滤除。测试系统里的数字电路部分，尤其高速逻辑电 路中脉冲信号的宽度仅几个毫微秒，频谱范围达几十兆赫路中脉冲信号的宽度仅几个毫微秒，频谱范围达几十兆赫 兹，分布在线路板的地线

20、，以及板与板之间的地线，均应兹，分布在线路板的地线，以及板与板之间的地线，均应 采用多点接地方式。采用多点接地方式。 第二章信号测量基本条件 (1) 1MHz(1) 1MHz以下采用一点接地；频率高于以下采用一点接地；频率高于10MHz10MHz采用多点接采用多点接 地；在地；在1MHz1MHz10MHz10MHz范围，如用一点接地时，其地线长范围，如用一点接地时，其地线长 度不得超过波长的度不得超过波长的l/20l/20，否则采用多点接地。，否则采用多点接地。 (2) (2) 对于低频电子系统，其接地设计是采用串联并联综合对于低频电子系统，其接地设计是采用串联并联综合 方式，即在符合干扰标准

21、和简单易行的条件下，统筹兼顾。方式，即在符合干扰标准和简单易行的条件下，统筹兼顾。 如生物信号的提取及预处理过程，从通过传感器拾取生物如生物信号的提取及预处理过程，从通过传感器拾取生物 信号，到放大、处理、记录或显示，是典型的低频测量系信号，到放大、处理、记录或显示，是典型的低频测量系 统。统。 结论 第二章信号测量基本条件 区分低电平电路、高电平电路以及功率相差很多、干区分低电平电路、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。扰电平相差很大的电路，其地线均应分别接地。 系统中要有三个地线：低电平信号地线；功率地线，系统中要有三个地线：低电平信号地线；功率地线，

22、 包括继电器、电动机、大电流驱动电源等大功率电路包括继电器、电动机、大电流驱动电源等大功率电路 及干扰源的地，又称为干扰地；机壳地线，包括机架、及干扰源的地，又称为干扰地；机壳地线，包括机架、 箱体，又称为金属件地线，此地线与交流电源零线相箱体，又称为金属件地线，此地线与交流电源零线相 接。三套地线自成系统，最后汇集于接地母线。接。三套地线自成系统，最后汇集于接地母线。 按照干扰电磁能量把地线分类，把大功率与小功率、按照干扰电磁能量把地线分类，把大功率与小功率、 大电流与小电流、高电压和低电压电路分开，并把信大电流与小电流、高电压和低电压电路分开，并把信 号电路配专门的接地回路，避免了大功率、

23、大电流、号电路配专门的接地回路，避免了大功率、大电流、 高电压电路小信号回路的影响。也避免了屏蔽罩、机高电压电路小信号回路的影响。也避免了屏蔽罩、机 壳吸收的干扰对信号回路的影响。这样三套地线的接壳吸收的干扰对信号回路的影响。这样三套地线的接 地方法，脉络清晰、便于装配和检查。地方法，脉络清晰、便于装配和检查。 第二章信号测量基本条件 都经功率地线接地，都经功率地线接地， 其中磁带盘的电机控其中磁带盘的电机控 制电路最为灵敏，所制电路最为灵敏，所 以设在距离接地点最以设在距离接地点最 近处。近处。 此图可作为一般低频此图可作为一般低频 系统接地设计参考。系统接地设计参考。 例子：九通道数字磁带

24、记录仪的地线系统。例子：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。（地线设计采用三种地线分开的方法。（1 1）信号地线）信号地线 包括三条，九个读出放大器是最灵敏的，所以用两条地包括三条，九个读出放大器是最灵敏的，所以用两条地 线。（线。（2 2）九个写入放大器接受放大器放大后的信号，电）九个写入放大器接受放大器放大后的信号，电 平较读出放大器电平高，所以和接口电路、逻辑控制电平较读出放大器电平高，所以和接口电路、逻辑控制电 路共用一条信号接地线。（路共用一条信号接地线。（3 3）三个直流电动机及其控制）三个直流电动机及其控制 电路、继电器等电路、继电器等 第二章信号测

25、量基本条件 （1 1）对干扰最敏感的是输入回路。输入回路以及用屏蔽电缆、）对干扰最敏感的是输入回路。输入回路以及用屏蔽电缆、 屏蔽盒的接地设计对系统的抗干扰能力起重要作用。用电极屏蔽盒的接地设计对系统的抗干扰能力起重要作用。用电极 拾取生物电信号时，从电极到前置放大器一般约拾取生物电信号时，从电极到前置放大器一般约1m1m，这样信，这样信 号侧的地和放大器的地电位不完全相等，如果用多点接地，号侧的地和放大器的地电位不完全相等，如果用多点接地， 则有两地之间电位差则有两地之间电位差u uG G叠加在信号电压叠加在信号电压u uS S上，上，R R1 1、R R2 2为导联线为导联线 电阻，电阻，

26、 R RG G、u uG G为两地之间电阻和电位差为两地之间电阻和电位差( (干扰电压干扰电压) )，等效电，等效电 路如右图。路如右图。 3敏感回路的接地设计敏感回路的接地设计 第二章信号测量基本条件 实际上有实际上有R R2 2 R R1 1+R+RS S+R+Rin in，则放大器输入端干扰电压为，则放大器输入端干扰电压为 G Gsin in N U RR R RRR R U 2 2 1 如典型值如典型值R RG G =0.01=0.01，U UG G=100mV=100mV， R RS S = = 500500，R R1 1 = = R R2 2 =1=1， 则则U UN N=95mV

27、=95mV， 即即100mV100mV的地电位差几乎全部都加到放大器的地电位差几乎全部都加到放大器 上。另外，上。另外，A A、B B两点接地还能造成环路面积的磁场感性耦合，两点接地还能造成环路面积的磁场感性耦合， 加重干扰。加重干扰。 第二章信号测量基本条件 （2 2）若增加阻抗）若增加阻抗Z ZSGSG，减少干扰。如图，把信号源与地隔，减少干扰。如图，把信号源与地隔 离起来，由于漏阻抗和分布电容的存在，离起来，由于漏阻抗和分布电容的存在，Z ZSGSG值较大，理想值较大，理想 时可视为无穷大，实际上时可视为无穷大，实际上R R2 2 R R R2 2+R+RG G ， 则放大器输入干扰电压

28、为则放大器输入干扰电压为 如果如果Z ZSGSG1M1M，用上述典型值，用上述典型值， U UN N降为降为0.95V0.95V，比信号源，比信号源 接地时改善了接地时改善了120dB120dB。在心电测量中，虽然右腿接地。在心电测量中，虽然右腿接地( (放大放大 器侧的地器侧的地) )，但如果人体不悬浮，则干扰非常大，无法测量，但如果人体不悬浮，则干扰非常大，无法测量， 就是由于就是由于Z ZSGSG太小的原因。太小的原因。 G SGsin in N U Z R RRR R U 2 1 第二章信号测量基本条件 a a、生物信号频率远小于、生物信号频率远小于1MHz1MHz，用屏蔽线时，屏蔽层

29、，用屏蔽线时，屏蔽层 也应一点接地。屏蔽层有一个以上接地点时将产生干扰电也应一点接地。屏蔽层有一个以上接地点时将产生干扰电 流，而且通过屏蔽层还将对地形成一个地环路，产生电感流，而且通过屏蔽层还将对地形成一个地环路，产生电感 性耦合，在屏蔽层中产生干扰电流，经过导线与屏蔽层之性耦合，在屏蔽层中产生干扰电流，经过导线与屏蔽层之 间的分布电容、分布电感耦合到放大器输入回路形成干扰间的分布电容、分布电感耦合到放大器输入回路形成干扰 电压。所以，屏蔽层应对地绝缘，仅保持一点可靠接地，电压。所以，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。这一点甚为重要，不可忽视。 在磁场干扰不严

30、重或出于其他考虑情况下，电路采用在磁场干扰不严重或出于其他考虑情况下，电路采用 两点接地，这时导线屏蔽层也应两点接地。两点接地，这时导线屏蔽层也应两点接地。 （3 3）频率远小于）频率远小于1MHz1MHz时时 第二章信号测量基本条件 一点接地时，放大器接地和信号源接地的情况一点接地时，放大器接地和信号源接地的情况 （a a）U UG1G1为放大器公共端对地的电位，为放大器公共端对地的电位， U UG2G2为两个接地点为两个接地点 之间的电位差，可以估算出，这时之间的电位差，可以估算出，这时U UG1G1、U UG1G1都对放大器输都对放大器输 入没有影响，不造成干扰电压。入没有影响，不造成干

31、扰电压。 (b)(b)信号源公共端与屏蔽层相接，它比地电位高信号源公共端与屏蔽层相接，它比地电位高U UG1G1，不造，不造 成放大器输入端附加干扰电压。（成放大器输入端附加干扰电压。（a a）、（）、（b b）的接地点是）的接地点是 合理的。合理的。 第二章信号测量基本条件 b、采用屏蔽绞合电缆和同轴电缆屏蔽层接地方式，如图采用屏蔽绞合电缆和同轴电缆屏蔽层接地方式，如图 所示，所示，A A到到D D表示一点接地。在信号源、放大器都接地时，表示一点接地。在信号源、放大器都接地时， 干扰电压由地环路形成对磁场的感性耦合。图干扰电压由地环路形成对磁场的感性耦合。图F F中同轴电中同轴电 缆的屏蔽层

32、两端接地，地环路电流流经阻抗较低的电缆缆的屏蔽层两端接地，地环路电流流经阻抗较低的电缆 屏蔽层而不流经芯线，图屏蔽层而不流经芯线，图E E中芯线造成地环路电流的分流，中芯线造成地环路电流的分流， 都减小对放大器输入端的干扰电压。都减小对放大器输入端的干扰电压。 第二章信号测量基本条件 频率高于频率高于1MHz1MHz或电缆长度超过波长的或电缆长度超过波长的1/201/20时，时， 常采用多点接地方式，以保证屏蔽层上等地电常采用多点接地方式，以保证屏蔽层上等地电 位，同时还可提供一定的磁屏蔽。电缆屏蔽层位，同时还可提供一定的磁屏蔽。电缆屏蔽层 可以两点接地，长电缆在每隔可以两点接地，长电缆在每隔

33、1/101/10波长处接地波长处接地 一次。这时地电位差在电路中引起干扰电压一次。这时地电位差在电路中引起干扰电压( (工工 频及其谐波频及其谐波) )， 由于频率上的差别，容易滤除。由于频率上的差别，容易滤除。 （4 4）频率高于）频率高于1MHz1MHz 或电缆长度超过波长的或电缆长度超过波长的1/201/20时时 第二章信号测量基本条件 几乎所有生物电放大器的前置级都加装屏蔽罩，这在减几乎所有生物电放大器的前置级都加装屏蔽罩，这在减 小干扰方面，有十分明显的效果。屏蔽罩接地的原则是小干扰方面，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。确保屏蔽罩的

34、电位与放大器输入回路的地电位相等。 （ a a）图表示地电位差）图表示地电位差U UG G产生两路电流，其中产生两路电流，其中I I1 1经经R RS S、 R Rl l、C C1G1G，I I2 2经经R R2 2、C C2G2G， 因电流流过的总阻抗不同而在因电流流过的总阻抗不同而在 放大器输入端形成电位差。放大器输入端形成电位差。 （5 5）屏蔽罩接地）屏蔽罩接地 第二章信号测量基本条件 图图(b)(b)表示放大器装在屏蔽罩内，且使屏蔽罩电位等于表示放大器装在屏蔽罩内，且使屏蔽罩电位等于A A点点 电位。屏蔽罩接于电缆的屏蔽层，屏蔽层另一端接电位。屏蔽罩接于电缆的屏蔽层，屏蔽层另一端接A

35、 A点，假点，假 如如A A点与信号源公共端之间有干扰电压，则屏蔽罩应直接接点与信号源公共端之间有干扰电压，则屏蔽罩应直接接 到信号源的公共端，这种接地方式也属于一点接地。注意到信号源的公共端，这种接地方式也属于一点接地。注意 屏蔽罩内任意一点与屏蔽罩内任意一点与B B点相连都会使屏蔽丧失作用，为此用点相连都会使屏蔽丧失作用，为此用 两层屏蔽罩，外罩接于两层屏蔽罩，外罩接于B B点如图点如图(c)(c)所示，这样才是安全的。所示，这样才是安全的。 第二章信号测量基本条件 举一组实际参数，设举一组实际参数，设R RS S=500=500，R R1 1=10k=10k，C C1G1G =C=C2G

36、2G=100pF=100pF，U UG G=100mV=100mV，50Hz50Hz，不加屏蔽罩时，放大器，不加屏蔽罩时，放大器 输入端有差动干扰电压输入端有差动干扰电压U UN N 式中式中Z Z1G1G、Z Z2G2G为为C C1G1G、C C2G2G的容抗，由此式算出的容抗，由此式算出U UN N为为33v33v。 在加上屏蔽罩后，每个输入端对地电容实际减小为在加上屏蔽罩后，每个输入端对地电容实际减小为2PF2PF， 则放大器输入端干扰电压降为则放大器输入端干扰电压降为0.66v0.66v，比不加屏蔽罩时改，比不加屏蔽罩时改 善了善了34dB34dB。但随着干扰频率提高，干扰电压将增大。

37、但随着干扰频率提高，干扰电压将增大。 G GsG S N U ZR R RRZ RR U)( 22 2 11 1 举例 第二章信号测量基本条件 注意，如果屏蔽罩不接地或接地不良，放大器可能根本注意，如果屏蔽罩不接地或接地不良，放大器可能根本 无法工作，如图。放大器的屏蔽盒与放大器之间存在的无法工作，如图。放大器的屏蔽盒与放大器之间存在的 寄生电容寄生电容C C3S3S和和C C1S1S造成放大器输出端到输入端的通路，造成放大器输出端到输入端的通路， 如果不予消除，则可能使放大器振荡。因此必须把屏蔽如果不予消除，则可能使放大器振荡。因此必须把屏蔽 体接到放大器的公共瑞，使体接到放大器的公共瑞，使

38、C C2S2S短路，中断反馈通路。短路，中断反馈通路。 第二章信号测量基本条件 屏蔽泛指在两个空间区域加以金属隔离，用以控制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。从一个区域到另一个区域电场或磁场的传播。 用屏蔽体把干扰源包围起来，使电磁场不向外扩散，称为用屏蔽体把干扰源包围起来，使电磁场不向外扩散，称为 主动屏蔽，主动屏蔽， 如图如图(a)(a)。屏蔽体用以防止外界电磁辐射，称。屏蔽体用以防止外界电磁辐射，称 为被动屏蔽，如图为被动屏蔽，如图(b)(b)。 ( (二二) ) 屏蔽屏蔽 图图(c)(c)为脑电测量示意图，为脑电测量示意图， 人体、电

39、极连接箱及转换人体、电极连接箱及转换 器置于屏蔽室内。信号放器置于屏蔽室内。信号放 大、处理、记录、电源等大、处理、记录、电源等 放置在屏蔽室外。这样在放置在屏蔽室外。这样在 脑电信号提取过程中，可脑电信号提取过程中，可 免受外界干扰源的干扰免受外界干扰源的干扰 ( (包括脑电图机本身电源包括脑电图机本身电源 造成的工频干扰造成的工频干扰) )。 第二章信号测量基本条件 屏蔽体材料屏蔽体材料 通常采用金属导体作为屏蔽体材料，但屏通常采用金属导体作为屏蔽体材料，但屏 蔽体材料、结构的选择取决于屏蔽性质的类别和要求。蔽体材料、结构的选择取决于屏蔽性质的类别和要求。 屏蔽性质的分类屏蔽性质的分类 从

40、要屏蔽的电磁场性质来划分，有电场屏蔽从要屏蔽的电磁场性质来划分，有电场屏蔽( (静电场屏蔽及静电场屏蔽及 交变电场屏蔽交变电场屏蔽) )、磁场屏蔽、磁场屏蔽( (静磁场屏蔽及交变磁场屏蔽静磁场屏蔽及交变磁场屏蔽) )及及 电磁场屏蔽电磁场屏蔽( (同时存在电场及磁场的同时存在电场及磁场的 辐射电磁场的屏蔽辐射电磁场的屏蔽) )等。等。 从屏蔽体的结构分类，可以分为完整屏蔽体屏蔽从屏蔽体的结构分类，可以分为完整屏蔽体屏蔽( (屏蔽室或屏蔽室或 屏蔽盒等屏蔽盒等) )、非完整屏蔽体屏蔽、非完整屏蔽体屏蔽( (带有孔洞、金属网、波导管带有孔洞、金属网、波导管 及蜂窝结构等及蜂窝结构等) )以及编织带

41、屏蔽以及编织带屏蔽( (电缆等电缆等) )。 第二章信号测量基本条件 电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起 的干扰。的干扰。 （1 1）静电场的屏蔽）静电场的屏蔽 如果将一个带电荷的物如果将一个带电荷的物 体靠近另一个不带电荷的物体，不带电荷的物体靠体靠近另一个不带电荷的物体，不带电荷的物体靠 近带电荷物体的一端会出现相反的电荷，这就产生近带电荷物体的一端会出现相反的电荷，这就产生 静电感应现象。设有一导体静电感应现象。设有一导体A A带正电，则邻近的导带正电，则邻近的导 体体B B将感应带负电，利用金属屏蔽体对电场可以起将感应带负电，利用金属屏蔽体

42、对电场可以起 屏蔽作用，即可使导体屏蔽作用，即可使导体A A发出的电力线不能到达导发出的电力线不能到达导 体体B B。但必须注意，屏蔽体的屏蔽必须完善并良好。但必须注意，屏蔽体的屏蔽必须完善并良好 接地，否则不起屏蔽作用。接地，否则不起屏蔽作用。 1. 1. 电场屏蔽电场屏蔽 第二章信号测量基本条件 （2 2）交变电场的屏蔽）交变电场的屏蔽 在一个放大器的输入在一个放大器的输入 端引线端引线A A的附近，如果有一根带着交变电势的的附近，如果有一根带着交变电势的 导线导线B B，那么，这个交变电势将使引线，那么，这个交变电势将使引线A A感应起感应起 一个变动的电势。这个变动的电势与被测信号一个

43、变动的电势。这个变动的电势与被测信号 混合一起进入放大器，将影响被测信号的真实混合一起进入放大器，将影响被测信号的真实 性。此时通过金属屏蔽体进行屏蔽，即可使电性。此时通过金属屏蔽体进行屏蔽，即可使电 场局限在引线场局限在引线A A之外。之外。 但也必须注意，如屏蔽体屏蔽不完善，或接地但也必须注意，如屏蔽体屏蔽不完善，或接地 不良，也不能起屏蔽作用，或屏蔽效果很差。不良，也不能起屏蔽作用，或屏蔽效果很差。 采用金属屏蔽体进行电场屏蔽应具备两个条件：采用金属屏蔽体进行电场屏蔽应具备两个条件： 完善的屏蔽及良好接地。完善的屏蔽及良好接地。 第二章信号测量基本条件 磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦

44、合引起的干磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干 扰。扰。 （1 1）静磁场）静磁场 电磁铁或直流线圈产生的磁场均在空电磁铁或直流线圈产生的磁场均在空 间分布磁通，磁力线所通过的路径称为磁路。磁力间分布磁通，磁力线所通过的路径称为磁路。磁力 线主要集中在低磁阻的磁路通过。因此对磁场的屏线主要集中在低磁阻的磁路通过。因此对磁场的屏 蔽主要利用高磁导率的材料，如铁、镍钢、坡莫合蔽主要利用高磁导率的材料，如铁、镍钢、坡莫合 金等。这些高磁导率的材料具有很低的磁阻，这样金等。这些高磁导率的材料具有很低的磁阻，这样 磁力线将磁力线将“封闭封闭”在屏蔽体内，起了磁屏蔽的作用。在屏蔽体内，起了磁屏蔽的

45、作用。 2. 2. 磁场屏蔽磁场屏蔽 第二章信号测量基本条件 （2 2）低频交变磁场）低频交变磁场 磁屏蔽的原理同静磁屏蔽一磁屏蔽的原理同静磁屏蔽一 样，利用高磁导率材料作屏蔽体，将磁场约束在屏样，利用高磁导率材料作屏蔽体，将磁场约束在屏 蔽体材料内。蔽体材料内。 磁场的屏蔽不同于电场的屏蔽，屏蔽体接地与磁场的屏蔽不同于电场的屏蔽，屏蔽体接地与 否不影响磁屏蔽的效果，但磁屏蔽体对电场也起一否不影响磁屏蔽的效果，但磁屏蔽体对电场也起一 定的屏蔽作用，因此一般也接地。定的屏蔽作用，因此一般也接地。 为获得好的磁屏蔽效果，必须保证磁路的畅通，为获得好的磁屏蔽效果，必须保证磁路的畅通， 即小的磁阻。当

46、屏蔽盒需要开狭缝时，狭缝不能切即小的磁阻。当屏蔽盒需要开狭缝时，狭缝不能切 断磁路，即狭缝只能与磁通的方向一致，而不能与断磁路，即狭缝只能与磁通的方向一致，而不能与 磁通的方向垂直，否磁通的方向垂直，否则将影响磁屏蔽的效果。则将影响磁屏蔽的效果。 第二章信号测量基本条件 （3 3）高频磁场）高频磁场 磁屏蔽则依据另一种原理。高频磁场磁屏蔽则依据另一种原理。高频磁场 会在屏蔽壳体表面感生涡流，从而产生反磁场来抵消会在屏蔽壳体表面感生涡流，从而产生反磁场来抵消 穿过屏蔽体的原来的磁场，同时增强屏蔽体旁边的磁穿过屏蔽体的原来的磁场，同时增强屏蔽体旁边的磁 场，使磁力线绕行而过，达到磁屏蔽作用。场，使

47、磁力线绕行而过，达到磁屏蔽作用。 高频磁场主要靠屏蔽壳体上感生的涡流所产生的反高频磁场主要靠屏蔽壳体上感生的涡流所产生的反 磁场起排斥原磁场的作用。涡流越大，屏蔽效果越好。磁场起排斥原磁场的作用。涡流越大，屏蔽效果越好。 对于高频磁场的屏蔽，选用良导体材料，如铜、铝或对于高频磁场的屏蔽，选用良导体材料，如铜、铝或 铜镀银等。随着频率增大，涡流亦增大，即磁屏蔽效铜镀银等。随着频率增大，涡流亦增大，即磁屏蔽效 果越好。但当涡流产生的反磁场足以完全排斥干扰磁果越好。但当涡流产生的反磁场足以完全排斥干扰磁 场时，涡流不再增大，保持一个常值。此外，由于趋场时，涡流不再增大，保持一个常值。此外，由于趋 肤

48、效应，涡流只在材料的表面产生。因此，对于高频肤效应，涡流只在材料的表面产生。因此，对于高频 磁场只要很薄的金属材料就足以屏蔽。磁场只要很薄的金属材料就足以屏蔽。 第二章信号测量基本条件 磁屏蔽的分类 磁屏蔽可分为有源和无源两种。磁屏蔽可分为有源和无源两种。有源屏有源屏 蔽蔽是指由一个线圈或线圈系统组成的磁屏蔽。仪是指由一个线圈或线圈系统组成的磁屏蔽。仪 器磁体的线圈中通以正向电流，以产生所需的工器磁体的线圈中通以正向电流，以产生所需的工 作磁场。屏蔽线圈中则通以反向电流，以产生反作磁场。屏蔽线圈中则通以反向电流，以产生反 向的磁场来抵消工作磁场的杂散磁场，从而达到向的磁场来抵消工作磁场的杂散磁

49、场，从而达到 屏蔽的目的。如果线圈排列合理或电流控制准确，屏蔽的目的。如果线圈排列合理或电流控制准确， 屏蔽线圈所产生的磁场就有可能抵消杂散磁场。屏蔽线圈所产生的磁场就有可能抵消杂散磁场。 无源屏蔽无源屏蔽使用铁磁性屏蔽体，即上面所说的软磁使用铁磁性屏蔽体，即上面所说的软磁 材料罩壳，因不使用电流源而得名。根据屏蔽范材料罩壳，因不使用电流源而得名。根据屏蔽范 围的不同，无源磁屏蔽可分为下述三种：围的不同，无源磁屏蔽可分为下述三种： 第二章信号测量基本条件 a.房屋屏蔽房屋屏蔽：即在磁体室的四周墙壁、地：即在磁体室的四周墙壁、地 基和天花板等六面均镶入基和天花板等六面均镶入48mm厚的钢板，厚的

50、钢板， 构成封闭的磁屏蔽间。这种屏蔽体的用材常达构成封闭的磁屏蔽间。这种屏蔽体的用材常达 数十吨甚至上百吨，价格昂贵。数十吨甚至上百吨，价格昂贵。 b.定向屏蔽定向屏蔽：如果杂散磁场的分布仅：如果杂散磁场的分布仅 在某个方向超出了规定的限度，则可只在对应在某个方向超出了规定的限度，则可只在对应 方向的墙壁中安装屏蔽物，形成杂散磁场的定方向的墙壁中安装屏蔽物，形成杂散磁场的定 向屏蔽。这种方法特别适用于向屏蔽。这种方法特别适用于MRI室和室和CT室室 共用一建筑物的情形。共用一建筑物的情形。 第二章信号测量基本条件 c.自屏蔽自屏蔽：自屏蔽是指仅在磁体周围：自屏蔽是指仅在磁体周围 安装铁磁材料屏蔽体的屏蔽方法。用这安装铁磁材料屏蔽体的屏蔽方法。用这 种方法可以得到非常理想的屏蔽效果。种方法可以得到非常理想的屏蔽效果。 如果再在屋顶加装定向屏蔽，则它有可如果再在屋顶加装定向屏蔽，则它有可 能使主磁场完全限制在一般建筑物的楼能使主磁场完全限制在一般建筑物的楼 层高度之内。自屏蔽的缺点是其屏蔽体层高度之内。自屏蔽的缺点是其屏蔽体 重量往往多达数十吨。但是，它对外界重量往往多达数十吨。但是，它对外界 磁干扰的屏蔽既有效又方便。磁干扰的屏蔽既有效又方便。 第二章信号测量基本条件 在远离干扰源的情况下，单纯的电场或磁场是很少在