现代医学电子仪器原理与设计课件第二版-第三章
复习总结,第一章：概述 医用电子仪器； 医学仪器的结构各工作方式； 主要技术特性； 医学仪器的特殊性； 医学仪器设计原则与步骤 第二章 噪声和干扰 人体电子测量中的电磁干扰 干扰形成的三个条件：干扰源、耦合通道、敏感电路 测试系统的噪声 低噪声放大器设计,第三第 信号处理,第一节 生物电放大器前置级原理 生物信号特征低频微弱信号，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。 生物电放大器，通常是对任意两点的电位差进行放大，因此，生物电放大器前置级通常采用差动放大电路结构。 生物电信号本身为高内阻的微弱信号。,基本要求 （一）高输入阻抗,图3-1 生物电放大器和输入回路,（二）高共模抑制比,（三）低噪声、低漂移 生物电信号：微弱(微伏级、毫伏级)、低频信号、高阻抗。 放大器本身固有噪声：组成放大器各元件的噪声。-放大器放大的信号下限。 理想的生物放大器：1.低噪声；2.抑制外界干扰；3.低零点漂移(对称结构的差动放大电路对元件参数严格筛选；交流放大电路零点不会逐级放大放大直流信号可进行调制变成交流进行放大)。,（四）设置保护电路 放大器输入保护(保护电路本身) 人体安全保护 校准电路：a).检验仪器工作情况；b).校准仪器指示值。,差动放大电路分析方法,理想运放的条件：虚短、虚断；,由电阻失配和运算放大器本身产生的共模误差电压：,差动放大电路分析方法； -满足：高共模抑制比；低噪声、低漂移。 生物电放大器前置级的基本要求： 高输入阻抗； 高共模抑制比； 低噪声、低漂移； 差分电路解决了高共模抑制比； 尚未解决问题：高输入阻抗；,差动放大应用电路,（一）同相并联结构的前置放大电路,图3-3 同相并联结构的前置放大电路,理想运放的条件：虚短、虚断；,理想情况下：第一级输出不产生共模电压； 选择A1，A2的性能参数，使之精确匹配， 可充分发挥对称电路误差电压抵消的优点， 并能获得低漂移。,非理想情况下：考虑A1,A2器件本身的 共模抑制能力：,第一级电路的共模抑制比：,两级放大的差动增益：,总的共模抑制比：,选择A1，A2的性能参数，使：,具有较好的对称性。则有：,生物电放大器前置级的设计主要考虑的因素： 器件选择：A1、A2：共模抑制比参数严格对称 (相差不超过0.5dB)；A3：高共模抑制比参数(100dB)； 第二级电阻精度选取：选择高精度、高稳定性电阻。 前置级增益分配：合理分配各级放大倍数。,前置级共模抑制能力的提高,图3-10 导联线分布电容影响,从而造成共模电压不等量的衰减，使放大器CMRR下降；,两根导线分布电容不可能完全相同，加之电极阻抗的不平衡，则：,共模电压差模电压共模误差输出。,（一）屏蔽驱动,图3-11 屏蔽驱动电路,理想情况下：,非理想情况：下考虑A1,A2不对称产生差模电压， 由于A3的作用使Uic对称。有效消除C1、C2的影响,（三）右腿驱动,图3-12 右腿驱动电路,等效电路,Ro:安全保护作用；Ro一般取值：,。,理想运放的条件：虚短、虚断；,第二节 隔离级设计,隔离：信号从浮地部分传递到接地部分，两部分之间没有电路上的直接联系。 隔离的目的：保障从身安全，消除电源、地线干扰。 实现电气隔离有两种方案：电磁耦合；光电耦合。 浮地：为浮置部分电路的等电位点； 接地：电路工作地。 浮置部分电路电源应单独供电。,光电耦合,光电耦合种类：光电二极管耦合；光电晶体管耦合。,光电耦合的工作原理：发光二极管把电能转化为光能，光敏二极管(或光敏三极管)光能转化为电能。 工作方式：数字工作方式；线性工作方式。 线性工作方式： 光电耦合的电流转移系数：,晶体管特性曲线：,数字信号光电耦合：,发光二极管电压降： 1.5V；要求：,选取Ri。,隔离放大器 (模拟光电耦合)：,注意：输入Ii取值: 12mA、 输入端静态电流,RL的选取一般为:Ic=1mA左右。,图3-21 单级光电耦合,图3-18 互补方式光电耦全电路,A1B返馈用RF表示：,忽略电容C的作用：,电磁耦合：,理想变压器：,变压器频率特性：,频率越低,越大铁芯(或磁芯)容易饱和，,频率越高损耗越大。,一般采用调制载波传输。,第三节 生理放大器滤波器电路设计,在生物医学测量中存在着各类干扰和噪声，信号滤波是消除干扰和噪声的最主要方法。在生物医学信号的提取、处理过程中，滤波器和放大器一样占有十分重要的地位。 滤波器分为有源滤波器和无源滤波器。在生物医学信号处理中，滤波电路最常采用由集成运算放大器和RC网络组成的有源滤波器。它的功能是允许指定频段的信号通过，而将其余频段的信号加以抑制或使其急剧衰减。,有源带阻滤波器的设计,有源滤波器的设计方法,生物医学信号测量中，工频干扰常采用陷波器。 带阻滤波器(又称陷波器)，用于滤除通带中某一频段的频率成分，通常用B表示阻带宽度，用Q表示品质因素，分别用来表征带阻滤波器的频率或选频特性。B越小表示阻带越窄，即陷波器对阻带外的信号衰减越小；Q越高，频率的选择性越好，但是Q值太高，滤波器的性能不稳定。,图3-25 双T型有源陷波器,双T有源陷波器 双T有源陷波器的带阻特性主要取决于两支路的R、C对称程度，它决定双T陷波器的陷波点所能衰减到的最低限度。只有保持R、R和R/2之间以及C、C和2C之间的严格对称关系，才能使陷波点频率f0处的信号相互抵消，衰减到零。,图3-27 文氏桥有源陷波器,此时电桥的抑制频率为：,文氏桥式陷波器 电桥的元件参数关系为：,因为：,对任一频率信号，,当输入信号频率,
