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1、现代医学电子仪器原理与设计现代医学电子仪器原理与设计(shj)第第二二第一页，共38页。第三第三(d sn)第第 信号处理信号处理 第一节第一节 生物电放大器前置级原理生物电放大器前置级原理 生物信号特征生物信号特征低频微弱信号，低频微弱信号，为了对生物信号进行各种为了对生物信号进行各种(zhn)处理、记录、显示，必须处理、记录、显示，必须首先把信号放大到所要求的强度。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电放大器前置级通常采用差动放大电路结构。大电路结构。生
2、物电信号本身为高内阻的微弱信生物电信号本身为高内阻的微弱信号。号。第1页/共38页第二页，共38页。1基本(jbn)要求2（一）高输入阻抗图图3-1 3-1 生物电放大器和输入生物电放大器和输入(shr)(shr)回路回路第2页/共38页第三页，共38页。第3页/共38页第四页，共38页。（二）高共模抑制（二）高共模抑制(yzh)比比 第4页/共38页第五页，共38页。（三）低噪声、低漂移（三）低噪声、低漂移 生物电信号：微弱生物电信号：微弱(微伏级、毫伏微伏级、毫伏级级)、低频信号、高阻抗。、低频信号、高阻抗。放大器本身固有噪声：组成放大器放大器本身固有噪声：组成放大器各元件各元件(yunj
3、in)的噪声。的噪声。-放大器放大的信号下限。放大器放大的信号下限。理想的生物放大器：理想的生物放大器：1.低噪声；低噪声；2.抑制外界干扰；抑制外界干扰；3.低零点漂移低零点漂移(对称结构的差动放大电路对对称结构的差动放大电路对元件元件(yunjin)参数严格筛选；参数严格筛选；交流放大电路零点不会逐级放交流放大电路零点不会逐级放大大放大直流信号可进行调制放大直流信号可进行调制变成交流进行放大变成交流进行放大)。第5页/共38页第六页，共38页。（四）设置保护电路（四）设置保护电路放大器输入保护放大器输入保护(保护电路本身保护电路本身)人体安全保护人体安全保护校准校准(jio zhn)电路：
4、电路：a).检验仪检验仪器工作情况；器工作情况；b).校准校准(jio zhn)仪器指示值。仪器指示值。第6页/共38页第七页，共38页。2差动放大(fngd)电路分析方法理想运放理想运放(yn fn)的条件：虚短、虚断；的条件：虚短、虚断；第7页/共38页第八页，共38页。第8页/共38页第九页，共38页。第9页/共38页第十页，共38页。第10页/共38页第十一页，共38页。由电阻失配和运算(yn sun)放大器本身产生的共模误差电压：第11页/共38页第十二页，共38页。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(sh r z k
5、n)；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(sh r z kn)；第12页/共38页第十三页，共38页。3差动放大(fngd)应用电路（一）同相并联结构的前置放大(fngd)电路图图3-3 3-3 同相并联结构的前置放大同相并联结构的前置放大(fngd)(fngd)电路电路第13页/共38页第十四页，共38页。理想运放理想运放(yn fn)的条件：虚短、虚断；的条件：虚短、虚断；第14页/共38页第十五页，共38页。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(jngqu)匹配，可充分发挥对称电路误差电压抵消的优点，并能
6、获得低漂移。非理想情况下：考虑A1,A2器件(qjin)本身的共模抑制能力：第15页/共38页第十六页，共38页。第一级电路(dinl)的共模抑制比：两级放大(fngd)的差动增益：第16页/共38页第十七页，共38页。总的共模(n m)抑制比：选择(xunz)A1，A2的性能参数，使：具有(jyu)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：1.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)；2.第二级电阻精度选取：选择高精度、高稳定性电阻。3.前置级增益分配：合理分配各级放大倍数。第17页/共38页第十八页，共38
7、页。4 4前置前置前置前置(qin zh)(qin zh)级共模抑制能力的提高级共模抑制能力的提高级共模抑制能力的提高级共模抑制能力的提高 图3-10 导联线分布电容影响(yngxing)从而造成共模(n m)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。第18页/共38页第十九页，共38页。（一）屏蔽(pngb)驱动 图3-11 屏蔽(pngb)驱动电路第19页/共38页第二十页，共38页。理想(lxing)情况下：非理想情况：下考虑A1,A2不对称产生差模电压，由于(yuy)A3的作用使Uic对称。有效消除C
8、1、C2的影响 第20页/共38页第二十一页，共38页。（三）右腿驱动(q dn)图3-12 右腿驱动(q dn)电路等效电路Ro:安全保护(boh)作用；Ro一般取值：。第21页/共38页第二十二页，共38页。理想理想(lxing)运放的条件：虚短、虚断；运放的条件：虚短、虚断；第22页/共38页第二十三页，共38页。第二节 隔离(gl)级设计 隔离(gl)：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(gl)的目的：保障从身安全，消除电源、地线干扰。实现电气隔离(gl)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
9、单独供电。第23页/共38页第二十四页，共38页。1 1光电耦合光电耦合光电耦合光电耦合光电耦合种类光电耦合种类(zhngli)(zhngli)：光电二极管耦合；光电晶：光电二极管耦合；光电晶体管耦合。体管耦合。光电耦合的工作原理：发光二极管把电能(dinnng)转化为光能，光敏二极管(或光敏三极管)光能转化为电能(dinnng)。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：第24页/共38页第二十五页，共38页。晶体管特性(txng)曲线：第25页/共38页第二十六页，共38页。数字信号光电耦合：发光二极管电压(diny)降：1.5V；要求：选取(xunq)R
10、i。隔离(gl)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 单级光电耦合第26页/共38页第二十七页，共38页。第27页/共38页第二十八页，共38页。图3-18 互补方式(fngsh)光电耦全电路第28页/共38页第二十九页，共38页。A1B返馈用RF表示(biosh)：忽略电容(dinrng)C的作用：第29页/共38页第三十页，共38页。2电磁电磁(dinc)耦合：耦合：理想理想(lxing)变压器：变压器：变压器频率特性：变压器频率特性：频率频率(pnl)越低越低越大铁芯越大铁芯(或磁芯或磁芯)容易饱和，容易饱和
11、，频率越高损耗越大。频率越高损耗越大。一般采用调制载波传输。一般采用调制载波传输。第30页/共38页第三十一页，共38页。第三节第三节 生理生理(shngl)(shngl)放大器滤波器电路设计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(dinl)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。第31页/共38页第三十二页，共38
12、页。2 2有源带阻滤波器的设计有源带阻滤波器的设计(shj)(shj)1 1有源滤波器的设计有源滤波器的设计(shj)(shj)方法方法第32页/共38页第三十三页，共38页。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(dnsh)Q值太高，滤波器的性能不稳定。第33页/共38页第三十四页，共38页。图3-25 双T型有源陷波器第34页/共38页第三十五页，共38页。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(xnho)相互抵消，衰减到零。第35页/共38页第三十六页，共38页。图3-27 文氏桥有源陷波器第36页/共38页第三十七页，共38页。此时电桥的抑制(yzh)频率为：2.2.文氏桥式陷波器文氏桥式陷波器3.3.电桥电桥(din qio)(din qio)的元件参数关系的元件参数关系为：为：因为(yn wi)：对任一频率信号，当输入信号频率第37页/共38页第三十八页，共38页。