1、生物信息测量中的噪声和干扰生物信息测量中的噪声和干扰生物信息测量中的噪声和干扰生物信息测量中的噪声和干扰学习方法：学习方法： 分析噪声和干扰的产生分析噪声和干扰的产生 几个基本概念几个基本概念：干扰干扰：能够采取防护措施消除或控制的无用信号称能够采取防护措施消除或控制的无用信号称为为干扰干扰。噪声：噪声：把电子元件中带电质子杂乱波动所引起的难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以完全控制或消除的无用信号称为噪声噪声。干扰源：干扰源：能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常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工作的物体或设备称为干扰源。干扰源。
2、生物信息测量中的噪声和干扰生物信息测量中的噪声和干扰几个常用专业词汇 EMC（Electro-Magnetic Compatibility）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-Magnetic Interference）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-Magnetic Susceptibility)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。第一节第一节 人体电子测量中的电磁干扰
3、人体电子测量中的电磁干扰一一. 干扰的类型：干扰的类型：磁场干扰源：磁场干扰源：自然界的宇宙射线、太阳辐射、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。太阳黑子产生的周期电扰动等。电场干扰源：电场干扰源：发动机点火、继电器触点的开发动机点火、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。过程的瞬变电压、瞬变电流等。高频电磁场干扰源：高频电磁场干扰源：无线电广播、电视、雷无线电广播、电视、雷达等所传播的电磁能。达等所传播的电磁能。生物信号及干扰源的频率分布生物信号及干扰源的频率分布ECG 心电心电EEG 脑电脑电
4、EMG 肌电肌电EOG 眼电眼电ENG 眼震颤电图眼震颤电图ERG 视网膜视网膜PCG 心音心音VEP 视觉诱发视觉诱发SEP 大脑体感诱发电位大脑体感诱发电位AEP听觉诱发电位听觉诱发电位雷电雷电电刷火化电刷火化灯管放电灯管放电无线电无线电宇宙噪声宇宙噪声医用遥测医用遥测高频治疗、超声诊断、手术电刀、电疗高频治疗、超声诊断、手术电刀、电疗人体电子测量中的电磁干扰人体电子测量中的电磁干扰 干扰耦合的途径干扰耦合的途径干扰耦合的途径干扰耦合的途径RceRcsVcsVcl干扰耦合的途径干扰耦合的途径干扰耦合的途径干扰耦合的途径II总结大电流、低电压的情况小电流、高电压的情况干扰源导线导线干扰源抑制
5、干扰的方法抑制干扰的方法抑制直接途径的干扰抑制直接途径的干扰隔离：隔离：信号在传递过程中，没有直接的电路上的联系，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。而是通过电磁耦合或光电耦合进行传递。光电耦合光电耦合光电二极管耦合光电二极管耦合光电晶体管耦合光电晶体管耦合达林顿光电晶体管耦合达林顿光电晶体管耦合VccVccUiU0RFR1RLA2RRi单极光电耦合单极光电耦合ECG前置级光电耦合电路前置级光电耦合电路隔离法在医疗设备中的应用隔离法在医疗设备中的应用前后级隔离前后级隔离输入、输出隔离输入、输出隔离数字信号的光电隔离数字信号的光电隔离抑制直接途径的干扰抑
6、制直接途径的干扰去藕：去藕：为了去除电源线中的干扰经传导耦合进入测量系统，为了去除电源线中的干扰经传导耦合进入测量系统，用用RC或或RL滤波环节消除直流电源因负载变化引起的滤波环节消除直流电源因负载变化引起的干扰。干扰。抑制直接途径的干扰抑制直接途径的干扰滤波：滤波：为了去除电网中的干扰，可以用低通滤波器，消除频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，对于率较高的干扰，对于50Hz交流交流电的市电干扰，可用电的市电干扰，可用50Hz陷波电路进行消除陷波电路进行消除。中级放中级放大信号大信号抑制直接途径的干扰抑制直接途径的干扰耗能电路：耗能电路：耗能电路主要抑制医学仪器内部的
7、各种继电器、接触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，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。造成高频辐射和引起电源电压、电流冲击的干扰。RLCRLRCLLDLRDLD抑制间接途径的干扰措施之一抑制间接途径的干扰措施之一第三级第三级等电位接地等电位接地中线接地，另外中线接地，另外再配备一条接地再配备一条接地线，负载接地与线，负载接地与其相连。其相连。把仪器周把仪器周围的所有围的所有导电部分导电部分和仪器外和仪器外壳连接在壳连接在一起，形一起，形成等电位。成等电位。在人体与仪器接在人体与仪器接
8、触时实现与人体触时实现与人体并联小电阻或串并联小电阻或串联大电阻；或在联大电阻；或在基础绝缘的外边，基础绝缘的外边，再加上一层绝缘；再加上一层绝缘；或通过过流保护或通过过流保护和漏电切换电路和漏电切换电路实施保护实施保护 I1I2I3I3一般说来一般说来1MHz以下可以采用一点接地，频率高于以下可以采用一点接地，频率高于10MHz时应采用多点接地。在时应采用多点接地。在1MHz至至10MHz范范围，如用一点接地，其地线长度不得超过波长的围，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。，否则应多点接地。低频测量系统的综合接地低频测量系统的综合接地心电信号采集过程中工作接地分析
9、实例心电信号采集过程中工作接地分析实例抑制间接途径的干扰措施之二抑制间接途径的干扰措施之二抑制间接途径的干扰抑制间接途径的干扰屏蔽屏蔽把巨大的金属网安装在绝缘把巨大的金属网安装在绝缘座上座上当给笼壁加上高电压当给笼壁加上高电压时时笼内的电场处处为零笼内的电场处处为零所以在笼内的人十分安全。所以在笼内的人十分安全。另外将笼子接地另外将笼子接地也可以使也可以使笼外电场为零笼外电场为零笼内带电体笼内带电体不影响外界物体。这种笼子不影响外界物体。这种笼子既可以保护它里面的空间不既可以保护它里面的空间不受外界电场影响受外界电场影响也可以使也可以使笼里带电体不影响外界物体。笼里带电体不影响外界物体。20l
10、g4WSZRZ 8.69lA 抑制间接途径的干扰抑制间接途径的干扰第二节第二节 测量系统的噪声测量系统的噪声什么是噪声？什么是噪声？ 把测量系统把测量系统内部内部有器件、材料、部件的物有器件、材料、部件的物理因素产生的自然扰动称为噪声理因素产生的自然扰动称为噪声。噪声与干扰的区别：噪声与干扰的区别：对于生物医学测量仪器，干扰指测量仪器对于生物医学测量仪器，干扰指测量仪器外部外部的各种影响因素。噪声指测量仪器的各种影响因素。噪声指测量仪器内部内部自身的自身的各种影响因素。各种影响因素。第二节第二节 测量系统的噪声测量系统的噪声1. 噪声的一般性质：噪声的一般性质：1） 噪声电压或噪声电流是随机的
11、，不可能用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，但噪声服从一个确定的时间函数来描述，但噪声服从一定的统计规律。一定的统计规律。2） 在在幅度域幅度域里，能通过表示噪声过程的里，能通过表示噪声过程的概率概率密度密度 P(u) 而得知噪声电压落在某一范围内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的概率。一般噪声的概率密度服从高斯（正态）分布。（正态）分布。3） 在在频域频域里，可用单位频带内噪声功率随频里，可用单位频带内噪声功率随频率的变化的率的变化的功率谱密度功率谱密度来描述。来描述。4） 噪声的噪声的强度强度可以用可以用均方根均方根值表示。值表示。
12、第二节第二节 测量系统的噪声测量系统的噪声噪声强度的描述：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。个确定的时间函数来描述。噪声的噪声的强度强度可以用均方根值表示。可以用均方根值表示。S(f)dfP均方根值的理解均方根值的理解概率密度的理解概率密度的理解http:/202.114.4.28/jpkc/gccsjs/956_web_course_lab/weblab.html功率谱的理解功率谱的理解第二节第二节 测量系统的噪声测量系统的噪声2. 生物医学测量系统中的主要噪声类型：生物医学测量系统中的主要噪声类型： 生物医学
13、测量系统中的主要噪声类型生物医学测量系统中的主要噪声类型什么是什么是1/ f 1/ f 噪声？噪声？ 凡是两种材料之间不完全接触，形成起凡是两种材料之间不完全接触，形成起 伏的电导率便产生伏的电导率便产生1/ f 1/ f 噪声。噪声。1/ f 1/ f 噪声的产生：噪声的产生：外部：开关、继电器或晶体管、二极管的不外部：开关、继电器或晶体管、二极管的不良接触。良接触。内部：元件内部不同材料之间的接触面或点。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如电流流过合成碳质电阻的不连续介质。质。特点特点：噪声电压随频率的降低而增加。：噪声电压随频率的降低而增加。生物医学
14、测量系统中的主要噪声类型生物医学测量系统中的主要噪声类型什么是热什么是热噪声？噪声？ 热噪声是由导体中载流子的随机热运动热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起的。引起的。热噪声的产生：热噪声的产生： 导体中电子的随机热运动导致导体中出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。体两端产生压降形成噪声电压。特点：特点：热噪声属于热噪声属于白噪声白噪声，其电压与工作频，其电压与工作频带，电阻阻值及温度成正比。带，电阻阻值及温度成正比。生物医学测量
15、系统中的主要噪声类型生物医学测量系统中的主要噪声类型什么是散粒什么是散粒噪声？噪声？ 在半导体器件中，载流子产生与消失的在半导体器件中，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，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时多时少，由此而引起电流瞬时涨落。特点特点： 散粒噪声属于散粒噪声属于白噪声白噪声，主要表现为电流，主要表现为电流噪声。噪声。生物医学测量系统中的主要噪声类型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：描述放大器噪声性能的参数：（1 1）U Un n 、 I In n参数参数 U Un n ：阻抗为零的噪声电压发
16、生器：阻抗为零的噪声电压发生器 I In n ：阻抗为无穷大的噪声电流发生器：阻抗为无穷大的噪声电流发生器no生物医学测量系统中的主要噪声类型生物医学测量系统中的主要噪声类型（2 2）噪声系数）噪声系数 噪声系数是放大器引起的信号质量（信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。噪比）恶化程度的量度。3. 描述放大器噪声性能的参数：描述放大器噪声性能的参数：00/NS/NS输出信噪比输入信噪比Fii 生物医学测量系统中的主要噪声类型生物医学测量系统中的主要噪声类型4. 器件的噪声：器件的噪声：（1 1）电阻的噪声）电阻的噪声 a a） 电阻中都存在热噪声，为主要噪声。电阻中都存在
17、热噪声，为主要噪声。 b b） 由于电阻的构成材料和工艺，有的电阻还由于电阻的构成材料和工艺，有的电阻还存在较大的存在较大的1/f1/f噪声，如合成炭膜电阻等。噪声，如合成炭膜电阻等。所以：所以： 生物电信号提取电路里多采用生物电信号提取电路里多采用金属膜电阻金属膜电阻 生物医学测量系统中的主要噪声类型生物医学测量系统中的主要噪声类型4. 器件的噪声：器件的噪声：（2 2）电容器的噪声）电容器的噪声 a a） 电容器的漏电，使电容中存在热噪声。电容器的漏电，使电容中存在热噪声。 b b） 电容器在工作时，存在电容器在工作时，存在1/f 1/f 噪声，其影噪声，其影响远比热噪声大。响远比热噪声大
18、。 所以：所以： 生物电信号提取电路的大容量电容应选生物电信号提取电路的大容量电容应选择择钽电解电容钽电解电容。 生物医学测量系统中的主要噪声类型生物医学测量系统中的主要噪声类型4. 器件的噪声：器件的噪声：（3 3）耦合变压器的噪声效应）耦合变压器的噪声效应 a a） 变压器的磁性材料磁化的不连续性，呈变压器的磁性材料磁化的不连续性，呈现出磁起伏噪声。现出磁起伏噪声。 b b） 变压器的耦合作用引入外界的干扰噪声。变压器的耦合作用引入外界的干扰噪声。所以：所以： 采用好的磁性材料，外加良好的采用好的磁性材料，外加良好的磁屏蔽磁屏蔽是很重要的。是很重要的。生物医学测量系统中的主要噪声类型生物医
19、学测量系统中的主要噪声类型4. 器件的噪声：器件的噪声：（4 4）场效应管的噪声）场效应管的噪声 a a） 由于场效应管是以多数载流子形成放大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。功能，所以存在沟道热噪声。 b b） 栅极的漏电流、空穴的运动等各种因素栅极的漏电流、空穴的运动等各种因素形成了管内的散粒噪声。形成了管内的散粒噪声。 c c） 由于场效应管的构成，在低频段，场效由于场效应管的构成，在低频段，场效应管的应管的1/f1/f噪声将成为主要危害。噪声将成为主要危害。生物医学测量系统中的主要噪声类型生物医学测量系统中的主要噪声类型4. 器件的噪声：器件的噪声：（5 5）
20、双极晶体管的噪声）双极晶体管的噪声 a a） 基区扩散电阻的热噪声基区扩散电阻的热噪声 b b） 基极电流和集电极起伏产生的散粒噪声基极电流和集电极起伏产生的散粒噪声 c c） 基极电流流经基极基极电流流经基极- -发射极的耗尽层所发射极的耗尽层所产生的产生的1/f1/f噪声。噪声。所以；所以； 在低频段应用时，为了减少在低频段应用时，为了减少1/f1/f噪声，噪声，应相应应相应减少基区电阻减少基区电阻并选择并选择尽可能低的尽可能低的静态工作状态静态工作状态。 生物医学测量系统中的主要噪声类型生物医学测量系统中的主要噪声类型4. 器件的噪声：器件的噪声：（6 6）运算放大器的噪声）运算放大器的
21、噪声 运算放大器一般有多极放大电路组成，运算放大器一般有多极放大电路组成，其噪声是组成它的各元件噪声的综合，其噪声是组成它的各元件噪声的综合，并具有与晶体管同类型的噪声。并具有与晶体管同类型的噪声。由于集成运放内晶体管采用单晶硅结构，由于集成运放内晶体管采用单晶硅结构，因而噪声大于不同晶体管。因而噪声大于不同晶体管。 所以：所以： 运算放大器的运算放大器的输入级是确定其噪声性能输入级是确定其噪声性能的关键。的关键。 第三节第三节 低噪声放大器的设计低噪声放大器的设计设计总原则：设计总原则：1）根据噪声要求、源阻抗特性确定输入级电）根据噪声要求、源阻抗特性确定输入级电路，设计内容包括选择电路结构
22、形式，选路，设计内容包括选择电路结构形式，选用器件、确定低噪声工作电和进行噪声匹用器件、确定低噪声工作电和进行噪声匹配等工作。配等工作。2）根据放大器要求的总增益、频率响应、动）根据放大器要求的总增益、频率响应、动态范围、稳定性等指标设计后继电路，决态范围、稳定性等指标设计后继电路，决定放大级数和电路结构等。定放大级数和电路结构等。第三节第三节 低噪声放大器的设计低噪声放大器的设计设计原则一设计原则一： 既要选用具有低噪声特性的元器件，还既要选用具有低噪声特性的元器件，还要按照低噪声设计方法进行周密的设计。如要按照低噪声设计方法进行周密的设计。如采用差动放大电路作为输入级；选用低阻值采用差动放大电路作为输入级；选用低阻值的外回路电阻。的外回路电阻。第三节第三节 低噪声放大器的设计低噪声放大器的设计设计原则三：设计原则三： 注意噪声匹配，使之具有最小的噪声系数。注意噪声匹配，使之具有最小的噪声系数。 一般可通过选择输入级有源器件及调整系统一般可通过选择输入级有源器件及调整系统的静态工作参数，实现初步的噪声匹配。的静态工作参数，实现初步的噪声匹配。
