第七章 干扰和噪声

第七章生物医学测量的干扰和噪声张麒上海大学通信与信息工程学院§7.1生理信号的基本特征§7.2人体电子测量的干扰§7.3抑制电磁场干扰的主要方法§7.4噪声与低噪声放大器§7.1生理信号的基本特征频率特性频带宽(EMG: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。在心电测量中的工频干扰(a)及肌电干扰(b)

生物医学测量的干扰和噪声问题：（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，对干扰和噪声也就越敏感，即极易把干扰引入测试系统或者放大噪声。（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。干扰和噪声的区别干扰：描述一系统受另一系统的影响而在该系统中产生误差电压和电流的现象噪声：被测信号中加入的随机振动，来自于测量系统的内部，由构成测量系统的材料与元器件产生生物医学信号测量

强干扰和噪声背景下的微弱信号测量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）。§7.2人体电子测量的干扰§7.2.1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。包括自然界宇宙射线、太阳辐射产生的周期电振动；

周围普通电气电子设备产生的放电现象，如发动机点火继电器触电引起电弧照明电灯的辉光放电电容电感瞬变过程各种变压器、广播、电视、雷达等传播的电磁能信号及干扰源的频率分布§7.2.2干扰耦合的途径耦合通道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经公共阻抗耦合电源内阻及电源线的公共阻抗公共接地电阻一个电路的干扰电流经公共阻抗形成干扰压降，立刻引入其它电路干扰耦合路径：电场和磁场耦合场的性质取决于场源的性质场源周围的介质观察点与源之间的距离以为界区分近/远场用波阻抗描述场源的性质远场时，Rc等于介质特性阻抗，空气Rc为377Ω近场时场源为大电流低电压，则Rc<377Ω；磁场性质场源为小电流高电压，则Rc>377Ω；电场性质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)在研究电磁场耦合形成干扰时，应把以电场为主的干扰与以磁场为主的干扰区分开电场通过电容性耦合引入干扰磁场通过电感性耦合引入干扰（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，这种现象称为电容性耦合。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：（1）电容性耦合增大R，并减小C干扰电场干扰简单估算Cd1为人体与50Hz、220V电源馈电线之间的分布电容Cd2为人体与大地间的分布电容Cd1<<Cd2若取100Cd1=Cd2则耦合到人体的50Hz工频电压)

UCM=Cd1*220/(Cd1+Cd2)=2V足以完全淹没微弱的生物电信号抑制容性耦合常用的方法：提高输入阻抗R采用屏蔽导线(需减小干扰源导线和屏蔽伸出导线间耦合电容C)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。针对50Hz工频干扰的抑制方法心电图测量右腿驱动电路脑电、肌电测量屏蔽、合理接地、滤波器（2）电感性耦合（磁耦合）干扰电流产生的磁通随时间变化而形成干扰电压。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。电路2中的感应电压：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(回路闭合面积A和cosθ值)（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）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（2）电感性耦合（磁耦合）敏感电路：电极连接导线和输入放大器(1)电极导联线造成电容性耦合干扰§7.2.3接受干扰的敏感电路(2)人体表面形成电容性耦合干扰§7.3抑制电磁场干扰的主要方法7.3.1合理接地7.3.2电磁屏蔽7.3.3其它措施即严格遵守电磁兼容性(electro-magneticcompatibility,EMC)原则，实现不互相干扰、协调共同工作的设计考虑7.3.1合理接地合理接地是抑制电场干扰的最好方法原则：正确的一点接地三方面考虑仪器供电系统的安全接地，即保护接地所设计的电路系统的工作接地输入回路或敏感回路的接地(1)安全接地220V、50Hz交流电供电必须有接大地的引线端将机器外壳和电源地都接入大地数台设备情况一点并联接地，避免各设备单独接地或串联接地(2)工作接地指电子设备系统的各个电路部分其接地也应遵循一点接地原则保持各电路同参考零电位

(否则将引起工频干扰的加剧)对于高频电路由于辐射性强，要求各引线尽可能短优先考虑引线短，再考虑一点接地对于低频电路（常见情况）首先考虑一点接地(3)敏感回路的接地两点接地带来干扰从电极到前置放大器一般有大于1m的屏蔽电缆信号源一侧的地与后面放大器的地电位不可能完全相等造成两点接地不满足一点接地将造成很大干扰干扰电位差信号源与放大器的地隔离原则屏蔽线、屏蔽罩的一点接地屏蔽线和屏蔽罩如果不接地或接地不良，

特别是内部装有前置放大器的屏蔽罩不接地，

可能根本无法工作电容与放大器形成反馈电路，可能引起放大器振荡无法工作7.3.2电磁场屏蔽在测量系统工作区域加以金属封闭隔离层，以屏蔽从其它区域传播来的电场或磁场辐射干扰各单元部件或整个系统都可进行屏蔽全屏蔽、局部屏蔽高频电磁场屏蔽原理：涡流反磁场作用材料：高电导率材料厚度：没有要求，满足机械强度接地：需要接地，防止静电积累低频电磁场屏蔽原理：将干扰磁通限制在低磁阻屏蔽层内，使其不进入工作区内材料：高磁导率材料厚度：应具有足够的厚度以减小磁阻，可采用两层或多层结构接地：良好接地7.3.3抑制干扰的其它措施§7.4噪声和低噪声放大器噪声——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不稳定扰动称为噪声（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。对于生物体而言，所测量生物体信号以外的其它生物信号也可视为噪声。但本章只讨论测量系统内部固有的自然扰动这类噪声。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量来描述：均方值σ2——噪声的强度概率密度p(U)——噪声在幅度域里的分布密度一般服从高斯（正态）分布功率谱密度S(f)——噪声在频域里的特性白噪声：在很宽的频率范围内，噪声具有恒定的S(f)，为常数1/f噪声：S(f)随f升高而下降7.4.1噪声的统计量

噪声带宽噪声带宽Δf：噪声功率增益KP曲线对频率f的积分除以最大功率增益KP0功率增益正比于电压增益

Ku的平方，所以例：求一阶RC低通电路的噪声带宽

fC为高频截止频率(即3dB带宽)7.4.2生物医学测量系统主要噪声类型1/f噪声（闪烁噪声）热噪声散粒噪声1/f噪声凡两个材料之间不完全接触，形成起伏的

电导率便产生1/f噪声发生在两个导体连接的地方，如开关、继电器或

晶体管、二极管的不良接触……低频噪声，500-2kHz功率谱密度噪声电压均方值

例：若K=5*10-10V2/Hz,则在100-200Hz范围，1/f噪声电压均方根值为18.6uV热噪声由导体中载流子的随机热运动引起谱密度在各个频率几乎相等，属于白噪声电压均方值削弱热噪声方法：降低温度（如超低温技术）减小频带宽度减小传感器电阻散粒噪声半导体器件中载流子扩散到基区不一致，使流过的载流子数目发生起伏，从而引起电流的无规则变化属于白噪声与流过半导体PN结位垒的电流有关，所以二极管、晶体管、集成运算放大器都存在散粒噪声，一般导体无此噪声带噪声的运算放大器理想运算放大器+等效噪声参数放大器内所有噪声源产生的噪声，用UN、IN参数表示UN:与输入端串联的阻抗为零的噪声电压发生器IN:与输入端并联的阻抗为无穷大的噪声电流发生器7.4.3运算放大器噪声性能参数UNS为信号源内阻Rs热噪声电压均方根值运放的等效输入噪声UNI为信噪比和噪声系数信噪比噪声系数放大器输入的信噪比与输出的信噪比的比值理想放大器本身无噪声，源电阻的热噪声经放大器后不会增加，因此NF=0dB，但实际由于放大器有噪声源存在，因此NF>0dB例：放大器NF=6dB，输出信噪比为10，通频带为10kHz，求输入源的信号功率最小是多少（按室温25度源电阻热噪声计算）答：噪声匹配F经过推导F最小值时对应Rs

此时最小噪声系数调整源电阻，使其等于最佳源电阻，从而使噪声系数最小，这一过程为电路的噪声匹配多级放大器的噪声系数多级放大器解释：第一级放大器的噪声系数对总噪声系数的贡献最大，第二级以后的噪声系数都要除以功率增益，其影响逐级减小对设计放大器的指导意义：降低第一级噪声系数是实现低噪声多级放大器的原则；增加第一级的功率增益，可减弱后续级的噪声影响三级放大器7.4.4低噪声放大器的设计低噪声放大器的设计特点：以低噪声为