第二章生物信息測量中噪聲和干擾

1、第二章生物信息測量中噪聲和干擾 第二章第二章 生物信息測量中的噪聲和干擾生物信息測量中的噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾 2.2 測試系統(tǒng)的噪聲測試系統(tǒng)的噪聲 2.3 低噪聲放大器設(shè)計低噪聲放大器設(shè)計 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾 o 頻率特性頻率特性 低頻段低頻段(DC-10kHz) 頻帶寬頻帶寬(ECG:20Hz-1kHz EMG:DC-10kHz) o 幅值特性幅值特性 幅值微弱幅值微弱 EEG:幾微伏幾微伏-幾百微伏幾百微伏 EMG:幾微伏幾微伏-幾千微伏幾千微伏 o 各類生理信號常常復(fù)合交

2、織在一起各類生理信號常常復(fù)合交織在一起 采集心電采集心電(ECG)信號時，常?；祀s有頻帶復(fù)用（或部分信號時，常?；祀s有頻帶復(fù)用（或部分 復(fù)用），而強(qiáng)度更大的肌電復(fù)用），而強(qiáng)度更大的肌電(EMG)信號以及其他無規(guī)律的信號以及其他無規(guī)律的 運(yùn)動干擾信號等。運(yùn)動干擾信號等。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾 圖2-1 在心電測量中的工頻干擾(a)及肌電干擾(b) 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾 在測量某一種生理參數(shù)的同時，存在著其他生理信在測量某一種生理參數(shù)的同時，存在著其他生理信 號的

3、噪聲背景；此外，生物信號對來自測量系統(tǒng)（包括號的噪聲背景；此外，生物信號對來自測量系統(tǒng)（包括 人體）之外的干擾還十分敏感，這是因為：人體）之外的干擾還十分敏感，這是因為： （1）被測信號是微弱信號，測試系統(tǒng)具有較高的靈敏度。靈敏度）被測信號是微弱信號，測試系統(tǒng)具有較高的靈敏度。靈敏度 越高，對干擾也就越敏感，即極易把干擾引入測試系統(tǒng)。越高，對干擾也就越敏感，即極易把干擾引入測試系統(tǒng)。 （2）工頻）工頻50Hz干擾幾乎落在所有生物電信號的頻帶范圍之內(nèi)，而干擾幾乎落在所有生物電信號的頻帶范圍之內(nèi)，而 50Hz干擾又是普遍存在的。干擾又是普遍存在的。 （3）生物體本身屬于電的良導(dǎo)體，而且）生物體本身

4、屬于電的良導(dǎo)體，而且“目標(biāo)目標(biāo)”大，難以屏蔽并大，難以屏蔽并 很容易接受外部干擾。很容易接受外部干擾。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾 電磁干擾的形成有三個條件：干擾源、耦合通道電磁干擾的形成有三個條件：干擾源、耦合通道 （即引入方式）與敏感電路（即接受電路）。（即引入方式）與敏感電路（即接受電路）。 抑制干擾就可以從這三個方面找到相應(yīng)的措施。抑制干擾就可以從這三個方面找到相應(yīng)的措施。 圖2-2 干擾的引入 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾I 干擾源 能產(chǎn)生一定的電磁能量而影響周圍

5、電路正常工作能產(chǎn)生一定的電磁能量而影響周圍電路正常工作 的物體或設(shè)備稱為干擾源。的物體或設(shè)備稱為干擾源。 干擾形成危害的嚴(yán)重程度，主要取決于抑制方法干擾形成危害的嚴(yán)重程度，主要取決于抑制方法 的難易。的難易。 EMCElectro-Magnetic Compatibility 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 圖2-3 信號及干擾源的頻率分布 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾I 干擾源 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II 耦合通道與抑制 耦合通道與抑制耦合通道與抑制 傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合 經(jīng)公共阻抗耦合經(jīng)公共阻抗耦合

6、電場和磁場耦合電場和磁場耦合 電容性耦合電容性耦合 電感性耦合電感性耦合 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 圖2-4 經(jīng)公共阻抗耦合 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II 耦合通道與抑制 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 場源場源 場的特性場的特性 場場 源源 的的 性性 質(zhì)質(zhì) 場傳播時所通過的介質(zhì)場傳播時所通過的介質(zhì) /2 近場近場遠(yuǎn)場遠(yuǎn)場 波阻抗波阻抗 電場電場E 磁場磁場H 磁場磁場(E/H377) (E/H=377) 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II 耦合通道與抑制 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 （1） 電容性耦合電容性耦合 在電子系統(tǒng)

7、內(nèi)部元件和元件之間，導(dǎo)線和導(dǎo)在電子系統(tǒng)內(nèi)部元件和元件之間，導(dǎo)線和導(dǎo) 線之間以及導(dǎo)線與元件，導(dǎo)線、元件與結(jié)構(gòu)件之線之間以及導(dǎo)線與元件，導(dǎo)線、元件與結(jié)構(gòu)件之 間都存在著分布電容。一個導(dǎo)體上的電壓或干擾間都存在著分布電容。一個導(dǎo)體上的電壓或干擾 成分通過分布電容使導(dǎo)體上的電位受到影響，這成分通過分布電容使導(dǎo)體上的電位受到影響，這 種現(xiàn)象成為電容性耦合。種現(xiàn)象成為電容性耦合。 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II 耦合通道與抑制 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 圖2-6 平行導(dǎo)線容性耦合 若導(dǎo)線2為信號端，與放大器輸入端相連，那么便構(gòu)成敏感 電路。由容性耦合形成的對敏感電路的干

8、擾，在不考慮C1時為： 公式(2-1) 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II 耦合通道與抑制 （1） 電容性耦合 21 12 1 () ss j c jCC R 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 抑制容性耦合常用的方法：抑制容性耦合常用的方法： v采用采用 屏蔽導(dǎo)線；屏蔽導(dǎo)線； v在印制電路板內(nèi)破壞電容耦合最關(guān)鍵的部位，是在印制電路板內(nèi)破壞電容耦合最關(guān)鍵的部位，是 處在前置級的第一個運(yùn)放；處在前置級的第一個運(yùn)放； v減小共模干擾。減小共模干擾。 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II 耦合通道與抑制 （1） 電容性耦合電容性耦合 第二章生物信息測量中

9、噪聲和干擾 在印制板布線時，應(yīng)在運(yùn)放的兩輸入管腳處， 布一圈地線，以達(dá)到屏蔽的目的。 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II 耦合通道與抑制 （1） 電容性耦合 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 圖 電源系統(tǒng)與人體之間的分布電容產(chǎn)生共模電壓Vcm Vcm=idbZG 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II 耦合通道與抑制 （1） 電容性耦合 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 （2）電感性耦合（磁耦合） 干擾電流產(chǎn)生的磁通能隨時間變化而形成的干擾電壓。在系干擾電流產(chǎn)生的磁通能隨時間變化而形成的干擾電壓。在系 統(tǒng)內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁是形成干擾的主要原因；

10、在系統(tǒng)外統(tǒng)內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁是形成干擾的主要原因；在系統(tǒng)外 部，多數(shù)是由于兩個導(dǎo)線在長距離平行架設(shè)中形成干擾電壓。部，多數(shù)是由于兩個導(dǎo)線在長距離平行架設(shè)中形成干擾電壓。 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II 耦合通道與抑制 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 抑制電感耦合的常用方法： v遠(yuǎn)離干擾源，減小干擾源的影響； v采用絞合線的走線方式； v盡量減小耦合通道。 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II 耦合通道與抑制 （2）電感性耦合（磁耦合） 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 每個絞合結(jié)的微小面積所引起的感應(yīng)電壓大體 相等，由于相鄰的絞合結(jié)方向

11、相反，而使局部的感 應(yīng)電壓相互抵消。 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II 耦合通道與抑制 （2）電感性耦合（磁耦合） 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 減小耦合通道減小耦合通道減小面積減小面積A和和cos值值 可采取盡量使信號回路平面與干擾回路平面垂直，并使信號線可采取盡量使信號回路平面與干擾回路平面垂直，并使信號線 貼近地平面布線，以減小回路的閉合面積等。貼近地平面布線，以減小回路的閉合面積等。 多導(dǎo)心電圖、腦電圖等測量時，要求將導(dǎo)線收緊為一束的原因。多導(dǎo)心電圖、腦電圖等測量時，要求將導(dǎo)線收緊為一束的原因。 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾II

12、 耦合通道與抑制 （2）電感性耦合（磁耦合）電感性耦合（磁耦合） 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽 合理接地是抑制干擾的主要方法，把接地和屏蔽合理接地是抑制干擾的主要方法，把接地和屏蔽 正確地結(jié)合使用能解決大部分干擾問題。正確地結(jié)合使用能解決大部分干擾問題。 接地指印刷板上的局部電路中和測量系統(tǒng)中地線接地指印刷板上的局部電路中和測量系統(tǒng)中地線 的布置。另一方面，在生物醫(yī)學(xué)測量中，從安全的角的布置。另一方面，在生物醫(yī)學(xué)測量中，從安全的角 度考慮，合理的良好接地更是十分重要的。度考慮，合理的良好接地更是十分重要的。 系統(tǒng)

13、中的接地線分為兩類：一類是安全接地，稱系統(tǒng)中的接地線分為兩類：一類是安全接地，稱 為保護(hù)接地（必須是大地電位）；另一類是工作接地，為保護(hù)接地（必須是大地電位）；另一類是工作接地， 即對信號電壓設(shè)立基準(zhǔn)電壓。即對信號電壓設(shè)立基準(zhǔn)電壓。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽合理接地與屏蔽 （1）安全接地）安全接地 為了安全起見，一般電子電器設(shè)備的機(jī)殼都應(yīng)接地。為了安全起見，一般電子電器設(shè)備的機(jī)殼都應(yīng)接地。 在生物學(xué)測量中，這一點更加重要。在生物學(xué)測量中，這一點更加重要。 機(jī)殼接地的目的是為了在任何情況下，使人經(jīng)常接機(jī)殼接地的

14、目的是為了在任何情況下，使人經(jīng)常接 觸的機(jī)殼保持零電位。觸的機(jī)殼保持零電位。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽合理接地與屏蔽 （1）安全接地）安全接地 電源接地電源接地通常有三種供電方法通常有三種供電方法 保護(hù)接地保護(hù)接地為了使漏電流和絕緣失效時的事故為了使漏電流和絕緣失效時的事故 電流安全地流入大地而附加的接地保護(hù)。電流安全地流入大地而附加的接地保護(hù)。 等電位接地等電位接地為了得到等電位的附加接地。為了得到等電位的附加接地。 （在第八章第三節(jié)介紹）（在第八章第三節(jié)介紹） 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體

15、電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽 （2）工作接地 工作接地方式有兩種：一點接地和多點接地。工作接地方式有兩種：一點接地和多點接地。 一般來說，一般來說，1MHz一下可以采用一點接地；頻度高于一下可以采用一點接地；頻度高于10MHz時時 采用多點接地。在采用多點接地。在110MHz范圍，如用一點接地時，其地線范圍，如用一點接地時，其地線 長度不得超過波長的長度不得超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點接地。，否則應(yīng)采用多點接地。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽 （2）工作接地 系統(tǒng)首先應(yīng)

16、該區(qū)分低電平電路和高電平電路以及功率相差系統(tǒng)首先應(yīng)該區(qū)分低電平電路和高電平電路以及功率相差 很多、干擾電平相差很大的電路，其地線均應(yīng)分別接地。很多、干擾電平相差很大的電路，其地線均應(yīng)分別接地。 系統(tǒng)中至少要有三個分開的地線：系統(tǒng)中至少要有三個分開的地線：(1)低電平信號地線；低電平信號地線； (2)功率地線；功率地線；(3)機(jī)殼地線。三套地線分別自成系統(tǒng)，最后匯集機(jī)殼地線。三套地線分別自成系統(tǒng)，最后匯集 于地母線。此外數(shù)字地和模擬地也應(yīng)該分開各自聯(lián)結(jié)后再接地。于地母線。此外數(shù)字地和模擬地也應(yīng)該分開各自聯(lián)結(jié)后再接地。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中

17、的電磁干擾III 合理接地與屏蔽合理接地與屏蔽 （2）工作接地）工作接地 P37 圖圖2-17 九通道數(shù)字磁帶記錄儀的地線系統(tǒng)九通道數(shù)字磁帶記錄儀的地線系統(tǒng) 地線設(shè)計采用三種地線分開的方法，圖地線設(shè)計采用三種地線分開的方法，圖2-17可可 作為一般低頻系統(tǒng)接地設(shè)計的參考。作為一般低頻系統(tǒng)接地設(shè)計的參考。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽合理接地與屏蔽 （3）敏感回路的接地設(shè)計）敏感回路的接地設(shè)計 對干擾最敏感的是輸入回路。輸入回路以及用對干擾最敏感的是輸入回路。輸入回路以及用 屏蔽電纜或屏蔽盒時的接地設(shè)計對系統(tǒng)的抗干

18、擾能屏蔽電纜或屏蔽盒時的接地設(shè)計對系統(tǒng)的抗干擾能 力起重要作用。力起重要作用。 P28 圖圖2-23 輸入回路兩點接地形成干擾輸入回路兩點接地形成干擾 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽合理接地與屏蔽 （4）屏蔽設(shè)計）屏蔽設(shè)計 生物信號本身頻率遠(yuǎn)小于生物信號本身頻率遠(yuǎn)小于1MHz，所以用屏蔽線時，屏蔽層，所以用屏蔽線時，屏蔽層 應(yīng)對地絕緣，僅保持一點可靠接地，這一點甚為重要，不可忽應(yīng)對地絕緣，僅保持一點可靠接地，這一點甚為重要，不可忽 視。視。 在磁場干擾不嚴(yán)重或處于其他考慮的情況下，電路采用兩在磁場干擾不嚴(yán)重或處于其

19、他考慮的情況下，電路采用兩 點接地，這時導(dǎo)線屏蔽層也應(yīng)兩點接地。點接地，這時導(dǎo)線屏蔽層也應(yīng)兩點接地。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽合理接地與屏蔽 （4）屏蔽設(shè)計）屏蔽設(shè)計 屏蔽分為主動屏蔽和被動屏蔽屏蔽分為主動屏蔽和被動屏蔽 電磁波入射到金屬表面時所產(chǎn)生的損耗有兩種：電磁波入射到金屬表面時所產(chǎn)生的損耗有兩種： 反射損耗反射損耗 吸收損耗吸收損耗 電磁波通過介質(zhì)時，其幅度一指數(shù)方式衰減，這種衰減表示為電磁波通過介質(zhì)時，其幅度一指數(shù)方式衰減，這種衰減表示為 / 0 / 0 l l EE e HH e 式中，式中，E、

20、H為入射波在介質(zhì)內(nèi)為入射波在介質(zhì)內(nèi)l距離處的場強(qiáng)；距離處的場強(qiáng)；為集膚深度，為集膚深度， 可表示為可表示為 2 式中，式中，為磁導(dǎo)率，為磁導(dǎo)率，為電導(dǎo)率為電導(dǎo)率 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽合理接地與屏蔽 （4）屏蔽設(shè)計）屏蔽設(shè)計 場的反射損耗為：場的反射損耗為： 式中，式中，Zw為波阻抗，為波阻抗，Zs為屏蔽阻抗為屏蔽阻抗 金屬體的屏蔽阻抗為金屬體的屏蔽阻抗為 20lg 4 w s Z R Z 遠(yuǎn)場（平面波）波阻抗等于自由空間的特性阻抗遠(yuǎn)場（平面波）波阻抗等于自由空間的特性阻抗Z0（377），則），則 s Z

21、377 20lg39 10lg 4 s R Z 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽合理接地與屏蔽 （4）屏蔽設(shè)計）屏蔽設(shè)計 結(jié)論：結(jié)論： 低頻平面波的大量衰減是來自反射損耗，在高頻時低頻平面波的大量衰減是來自反射損耗，在高頻時 的大量衰減是來自吸收損耗。的大量衰減是來自吸收損耗。 選擇屏蔽材料的原則是，屏蔽電場或遠(yuǎn)場的平面波選擇屏蔽材料的原則是，屏蔽電場或遠(yuǎn)場的平面波 （輻射場），宜選擇高電導(dǎo)率的材料。低頻磁場的（輻射場），宜選擇高電導(dǎo)率的材料。低頻磁場的 屏蔽，宜選擇高磁導(dǎo)率的材料。應(yīng)注意屏蔽，宜選擇高磁導(dǎo)率的材料。

22、應(yīng)注意在高頻時在高頻時 會降低，且要注意溫度、震動等對會降低，且要注意溫度、震動等對的影響。的影響。 屏蔽體最重要的是形成縫隙的地方應(yīng)嚴(yán)格保證緊密屏蔽體最重要的是形成縫隙的地方應(yīng)嚴(yán)格保證緊密 接觸，不形成縫隙接觸，不形成縫隙 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽 （4）屏蔽設(shè)計 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽 （4）屏蔽設(shè)計）屏蔽設(shè)計 幾乎所有生物放大器的前置級都加裝屏蔽，這在減小干擾幾乎所有生物放大器的前置級都加裝屏蔽，這在減小干擾 有十分

23、明顯的效果。屏蔽罩接地的原則是確保屏蔽罩的電位與有十分明顯的效果。屏蔽罩接地的原則是確保屏蔽罩的電位與 放大器輸入回路的地電位相等。放大器輸入回路的地電位相等。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽 （5）其他抑制干擾的措施）其他抑制干擾的措施 a、隔離、隔離 用隔離的方法使兩部分電路互相獨立，不成回路，用隔離的方法使兩部分電路互相獨立，不成回路， 從而切斷從一個電路進(jìn)入另一個電路的干擾的通路。從而切斷從一個電路進(jìn)入另一個電路的干擾的通路。 通常在生物信號測量中，電源采用浮地，信號采用通常在生物信號測量中，電源采用浮地，

24、信號采用 光電耦合或變壓器耦合實現(xiàn)隔離。光電耦合或變壓器耦合實現(xiàn)隔離。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽 （5）其他抑制干擾的措施）其他抑制干擾的措施 b、去耦、去耦 為了去除電源線中的干擾經(jīng)傳導(dǎo)耦合進(jìn)入測量為了去除電源線中的干擾經(jīng)傳導(dǎo)耦合進(jìn)入測量 系統(tǒng)，可用系統(tǒng)，可用RC或或RL濾波環(huán)節(jié)消除直流電源因負(fù)載變?yōu)V波環(huán)節(jié)消除直流電源因負(fù)載變 化引起的干擾?；鸬母蓴_。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽合理接地與屏蔽 （5）其他抑制干擾的措施）

25、其他抑制干擾的措施 d、系統(tǒng)內(nèi)部干擾的抑制、系統(tǒng)內(nèi)部干擾的抑制 醫(yī)學(xué)設(shè)備內(nèi)部的各種繼電器、接觸器、電動機(jī)等有醫(yī)學(xué)設(shè)備內(nèi)部的各種繼電器、接觸器、電動機(jī)等有 接點的器件和設(shè)備開啟和閉合，產(chǎn)生瞬時擊穿，造接點的器件和設(shè)備開啟和閉合，產(chǎn)生瞬時擊穿，造 成高頻輻射和引起電源電壓、電流的沖擊，這種干成高頻輻射和引起電源電壓、電流的沖擊，這種干 擾的抑制是電磁兼容性的一個重要任務(wù)。擾的抑制是電磁兼容性的一個重要任務(wù)。 c、濾波、濾波 通常采用專用的電源濾波器，在安裝時要確保濾波通常采用專用的電源濾波器，在安裝時要確保濾波 器外殼接地良好，并且使輸入輸出嚴(yán)格隔離以防止器外殼接地良好，并且使輸入輸出嚴(yán)格隔離以防

26、止 輸入輸出之間的耦合。輸入輸出之間的耦合。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽合理接地與屏蔽 （5）其他抑制干擾的措施）其他抑制干擾的措施 d、系統(tǒng)內(nèi)部干擾的抑制、系統(tǒng)內(nèi)部干擾的抑制 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.1 人體電子測量中的電磁干擾人體電子測量中的電磁干擾III 合理接地與屏蔽 （5）其他抑制干擾的措施 d、系統(tǒng)內(nèi)部干擾的抑制、系統(tǒng)內(nèi)部干擾的抑制 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.2 電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電磁干擾與系統(tǒng)噪聲 噪聲噪聲測量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、材料、部件的物理因測量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、材料、部件的

27、物理因 素產(chǎn)生的固有的自然擾動稱為噪聲（電壓或電流）。素產(chǎn)生的固有的自然擾動稱為噪聲（電壓或電流）。 系統(tǒng)內(nèi)部噪聲往往成為測量精度的限制性因素。系統(tǒng)內(nèi)部噪聲往往成為測量精度的限制性因素。 測試系統(tǒng)的噪聲不可能完全被消除，但是通過對噪聲測試系統(tǒng)的噪聲不可能完全被消除，但是通過對噪聲 過程的分析，進(jìn)行合理的低噪聲設(shè)計，可以使噪聲降過程的分析，進(jìn)行合理的低噪聲設(shè)計，可以使噪聲降 到最低限度，從而使信號在傳輸過程中保持較高的質(zhì)到最低限度，從而使信號在傳輸過程中保持較高的質(zhì) 量。量。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.2 電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電磁干擾與系統(tǒng)噪聲 噪聲電壓或電流是隨機(jī)的，服從于一定的統(tǒng)計規(guī)

28、律。噪聲電壓或電流是隨機(jī)的，服從于一定的統(tǒng)計規(guī)律。 噪聲的基本特性可以用統(tǒng)計平均量來描述：噪聲的基本特性可以用統(tǒng)計平均量來描述： q 均方值均方值噪聲的強(qiáng)度噪聲的強(qiáng)度 q 概率密度概率密度噪聲在幅度域里的分布密度噪聲在幅度域里的分布密度 q 功率譜密度功率譜密度噪聲在頻域里的特性噪聲在頻域里的特性 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.2 電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電磁干擾與系統(tǒng)噪聲 噪聲可以用功率譜表示它的頻域特性。噪聲電壓或電噪聲可以用功率譜表示它的頻域特性。噪聲電壓或電 流的均方值是它在流的均方值是它在1電阻上產(chǎn)生的平均功率電阻上產(chǎn)生的平均功率P，即，即 式中，式中，S(f)為功率譜密度，它表示單

29、位頻帶內(nèi)噪聲功率為功率譜密度，它表示單位頻帶內(nèi)噪聲功率 隨頻率的變化。隨頻率的變化。 白噪聲：噪聲具有恒定的功率譜密度，即白噪聲：噪聲具有恒定的功率譜密度，即S(f)為一常數(shù)。為一常數(shù)。 有色噪聲：有色噪聲：S(f)不為常數(shù)。不為常數(shù)。 功率譜密度單位：功率譜密度單位：w/Hz ( )PS f df 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.2 電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電磁干擾與系統(tǒng)噪聲 生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中，主要的噪聲類型是：生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中，主要的噪聲類型是： 1/f噪聲（閃爍噪聲）噪聲（閃爍噪聲） 熱噪聲熱噪聲 散粒噪聲散粒噪聲 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.2 電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電磁干擾與系

30、統(tǒng)噪聲 1/f噪聲（閃爍噪聲）噪聲（閃爍噪聲） 1/f噪聲（閃爍噪聲）當(dāng)取噪聲（閃爍噪聲）當(dāng)取=1時，時，1/f噪聲的功率譜噪聲的功率譜 密度密度S(f)可表示為可表示為 ( ) K S f f K為為f等于等于1Hz時的譜密度值，是由具體器件決定時的譜密度值，是由具體器件決定 的常數(shù)的常數(shù) 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.2 電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電磁干擾與系統(tǒng)噪聲 熱噪聲熱噪聲 熱噪聲是由導(dǎo)體中載流子的隨即熱運(yùn)動引起的。電熱噪聲是由導(dǎo)體中載流子的隨即熱運(yùn)動引起的。電 阻阻R中的熱噪聲電壓均方值為中的熱噪聲電壓均方值為 2 4 t UkTR f 式中，式中，k為波爾茲曼常數(shù)，為波爾茲曼常數(shù)，

31、1.3810-23J/K，T為為 絕對溫度，絕對溫度，f為測量系統(tǒng)的頻帶寬度。為測量系統(tǒng)的頻帶寬度。 熱噪聲的譜密度熱噪聲的譜密度S(f)為為 ( )4S fkTR 可見，熱噪聲的功率譜密度與工作頻率可見，熱噪聲的功率譜密度與工作頻率f無關(guān)，屬無關(guān)，屬 于白噪聲于白噪聲 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.2 電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電磁干擾與系統(tǒng)噪聲 描述放大器噪聲性能的參數(shù)描述放大器噪聲性能的參數(shù) 對測量系統(tǒng)的噪聲性能的要求，主要集中在信號提取對測量系統(tǒng)的噪聲性能的要求，主要集中在信號提取 放大部分。提取放大的信號的質(zhì)量，用信號幅度與噪放大部分。提取放大的信號的質(zhì)量，用信號幅度與噪 聲均方根值得

32、比聲均方根值得比-信噪比信噪比(SNR)來描述來描述 S SNR N 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.2 電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電磁干擾與系統(tǒng)噪聲 描述放大器噪聲性能的參數(shù)描述放大器噪聲性能的參數(shù) 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)F的定義為的定義為 F 總的輸出噪聲功率 源電阻產(chǎn)生的輸出噪聲功率 總的等效輸入噪聲功率 源的熱噪聲功率 / / ii oo SN SN 輸入信噪比 輸出信噪比 Ni為源電阻的噪聲功率，為源電阻的噪聲功率，Si/So為放大器功率增益的倒為放大器功率增益的倒 數(shù)。數(shù)。 P49:例題例題2-2，2-3 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.2 電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電磁干擾與系統(tǒng)噪聲 電阻的噪

33、聲電阻的噪聲 電阻元件電阻元件R可以等效成一個無噪聲的電阻可以等效成一個無噪聲的電阻R和一個噪聲和一個噪聲 電壓源電壓源 相串聯(lián)，或無噪聲電阻相串聯(lián)，或無噪聲電阻R和噪聲和噪聲 電流源電流源 相并聯(lián)。如圖相并聯(lián)。如圖2-32所示，所示，pp51 4 n UkTR f 4/ n IkTR fR 電容的噪聲電容的噪聲 電阻電容器實際存在介質(zhì)損耗，機(jī)電容器的漏電，相電阻電容器實際存在介質(zhì)損耗，機(jī)電容器的漏電，相 當(dāng)于理想電容器兩端并聯(lián)一個電阻當(dāng)于理想電容器兩端并聯(lián)一個電阻Rp。電容器的質(zhì)量。電容器的質(zhì)量 通常用損耗角通常用損耗角表示表示: 1 arctan p CR 漏電小的電容器漏電小的電容器Rp很大、很大、 很小。很小。 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.2 電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電磁干擾與系統(tǒng)噪聲 場效應(yīng)管的噪聲（三種）場效應(yīng)管的噪聲（三種） 溝道熱噪聲溝道熱噪聲 用與溝道并聯(lián)的噪聲電流源表示為用與溝道并聯(lián)的噪聲電流源表示為 2 21 4 3 m m UkTf g 2 2 4 3 mm IkTgf 用與溝道串聯(lián)的噪聲電壓源表示為用與溝道串聯(lián)的噪聲電壓源表示為 式中，式中，gm為場效應(yīng)管的跨導(dǎo)為場效應(yīng)管的跨導(dǎo) 第二章生物信息測量中噪聲和干擾 2.2 電磁干擾與系統(tǒng)噪聲電磁干擾與系統(tǒng)噪聲 場效應(yīng)管的噪聲（三種）場效應(yīng)管的噪聲（三種） 柵極散粒噪聲柵極散粒噪聲 由柵極泄漏電流或耗盡層