第三章信号放大与处理-1案例.ppt

生物医学电子学; 生物电是反映人体各种生理状态的一种重要信息，是人体电子测量中的主要信息源。生物信号都属于低频的微弱自然信号,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。信号放大技术是人体电子测量系统中最基本的重要环节。 各种生物电放大器的结构、性能都是生物医学电子学的主要研究内容。各种生理参数，如血压、心音、呼吸的测量放大器也都具有各自独特的设计方法。放大器的核心是前置放大，所以前置级的设计是本章的重点。 ;第一节 生理参数测量放大器;2. 高输入阻抗; 心电、脑电、肌电等体表电位测量的放大器输入阻抗指标可参考下表。; 人体携带的工频干扰对测量电极是共模干扰，生物电信号为差模干扰。为了放大生物电信号，抑制干扰，生物电放大器通常选用差动放大形式，产生较大的差模增益Ad、较小的共模增益Ac，共模抑制比高。 共模抑制比是放大器的主要指标，值越大抗干扰能力越强。生物电放大器的CMRR一般要求60dB以上，高性能放大器可达100dB，这说明对于10mV的共模干扰和0.1μV的差模信号具有相同的输出。; 放大器的实际共模抑制能力受到放大器前边电极系统的影响。 通过两个电极提取生物电位时，等效源阻Zs1和Zs2一般不完全相等，其数值大小与人体汗腺 分泌情况、皮肤清洁程度有关。各个电极处的皮肤接触电阻是不平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状态不可能完全对称，这样使得与差动放大器两个输入相连的源阻抗Zs1和Zs2不平衡。 这种不乎衡造成的危害，是共模干扰向差模干扰的转化，从而造成共模干扰输出。对于这种转化，放大器本身的共模抑制能力再高也将无济于事。但是提高放大器的输入阻抗，则会减小这一转化。; 相对于幅度仅在微伏、毫伏级的低频生物电信号，放大器的这一要求是重要的。 高阻抗源本身就带来相当可观的热噪声，使输入信号的质量很差，所以为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格要求。 理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级。放大器内部噪声实际上使放大器能够放大的信号具有一个下限，也就是说放大器的噪声电平成为放大器设计的限制性条件。; 放大器的低噪声性能主要取决于前置级，正确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。 前置级的低噪声设计，是整个放大器设计的主要任务。 除了按照低噪声设计的原则正确进行设计外，常选用低噪声元器件降低放大器本身的内部噪声；采用严格的装配工艺，减小误差；限制放大器的频带宽度，降低输出噪声。; 除了肌电和神经动作电位外，绝大多数的生物电信号都具有十分低的频率成分。 由于电子元器件的温度漂移与老化引起放大器的零点漂移。直流放大器的零点漂移限制了直流放大器的输入范围，可导致末级放大器饱和，被测信号失真；使微弱缓变信号无法被放大，尤其在进行较长时间的记录、观察、监护时，基线漂移对测量带来严重的影响，使测量不能正常进行。 所以零点漂移是放大缓慢信号的限制因素，对放大器的零点漂移应认真加以研究，使放大器具有低漂移特性。; 采用完全对称的差动放大电路，利用电路的对称结构并对元器件参数进行严格挑选，可以有效地抑制放大器的温度变化造成的零点漂移。 为了放大微伏量级的直流信号，可采用温度补偿以及调制式直流放大器，把直流信号转换成交流信号，利用交流放大电路各级零点漂移不会逐级放大的基本思路进行设计，能够有效地改善直流放大器的低漂移性能。 在实际测量中，为了能够在一接通电源就进入正常的工作状态，或者转换导联时，发生瞬时过载的情况下，能够把基线迅速复零，还须在前置级设置复零电路，以保持测量连续进行。; 生物医学测量的生物电放大器通过电极与患者相连，放大器输入端的漏电流可能使人体遭受电击的危险。 为了安全，必须尽可能的减小漏电流，应在前置级加强绝缘，设置人体安全保护电路和放大器输入保护电路。使通过电极的电流保持在安全水平。 在进行人体生物电测量时，应考虑到同时作用于人体的其他医学测量设备或可能存在的干扰对放大器的破坏作用。; 生物电放大器通频带要略大于处理信号的频谱范围，以保证高保真和最佳信噪比，以及一定的抗干扰能力，进行放大器设计时，首先要知道生物电信号频率范围。动态范围由有输入信号的变化范围确定，最小值受噪声和漂移限制，最大值受放大器饱和区限制。采用增益控制和对数放大可有效提高放大器动态范围。 8、可快速校准 设有快速校准电路，以便通过标准信号源及时校准定标，显示被测信号波形，并指示其幅值。; 生物电放大器的前置级，都采用差动放大电路结构。能