1、第三章 信号处理,生物信号属低频微弱信号信号处理主要包括：信号放大、滤波、信号隔离本章重点：前置放大级的设计第一节 生物电放大器前置级原理一、基本要求1、高输入阻抗2、高共模抑制比3、低噪声、低漂移4、设置保护电路,（一）高输入阻抗输入阻抗不高信号衰减、失真电极面积影响电流密度、电极阻抗,设：差模增益为Ad，输出电压为Uo ，得：,设Zs1=Zs2=Zs，且ZsAd1CMRR3 有：CMRRAd1CMRR3,结论: 同相并联差动放大器总共模抑制比主要取决于第一级的差动增益及第二级 的共模抑制能力,例3-1：,如图所示为同相并联结构的ECG前置级实用电路，所用器件的共模抑制比均为100dB。输入
2、回路中两电极阻抗分别为20k、23k。放大器输入阻抗实际有80M。放大器中所用电阻的精度= 0.1，其他参数如图所示。求包括电极系统在内的放大电路的总共模抑制比。,同相并联差动结构电路作为生物电放大器前置级的设计步骤为：,(1)器件选择。通过测量，确定共模抑制比严 格对称的A1、A2（通常相差不应超过 05dB）和高共模抑制比参数的A3（通常 大于100dB）。,(2)在影响共模抑制能力的诸因素中，第二级差 动放大电路中电阻的匹配精度是主要的。通 常用精密电桥选择高精度、高稳定性电阻， 确定R1，再由Ad2 的设计值确定RF(下支路 的RF选电位器)。,(3)前置级增益以及组成前置级的两级放大
3、电路 的增益分配，都影响总的CMRR值。在前置级 增益确定之后，Ad1、Ad2互相制约。但是 Ad1 值取得较高一些，是有利于总的共模抑 制能力的提高的。,（二）同相串联结构的前置放大电路,特点： 少用个运放。差动信号均由同相端进入，A1的输出uo1和ui2一起送入，从A2获得单端输出，故称串联结构。,可见，共模抑制能力的提高，取决于器件A1、A2本身的共摸抑制比是否相等，并且受外回路电阻的匹配精度的影响。 前者易实现，故放大电路的CMRR取决于电阻的匹配精度。,缓冲级与差动放大器构成的前置级,提高放大电路的共模抑制能力的措施仍然是使A1、A2的共模抑制比相等，并尽可能提高差动级的电阻匹配精度
4、。,（三）由专用仪器放大器构成的前置放大器,AD620为一个低成本、低功耗、高精度的单片仪器放大器。AD620的性能比传统的三运算放大器优越。特点：1.只用一个外部电阻就能设置放大倍数 为11000；2.电源范围宽(2.318V)；3.体积小；4.功耗非常低(最大供电电流仅1.3mA)；适用于低电压、低功耗的应用场合。,AD620外形图,AD620内部原理图,为保证增益控制的高精度，输入端三极管用差分双极输入；用超工艺获得更低的输入偏置电流；通过输入级内部Q1-A1-R1和Q2-A2-R2反馈环路,保持输入三极管的集电极电流恒定，所以输入电压相当于加到外部增益控制电阻RG两端上；两个内部增益电
5、阻R1、R2精确定为24.7k。,增益：,外部控制电阻值为：,由,主要技术参数：1.输入阻抗 （input impedance）；2.共模抑制比（common mode rejection ratio， CMRR）；3.偏置电流(bias current)；4.输入失调电压(input offset voltage)；5.输入噪声（input noise）。,（1）输入阻抗室温25时的差模输入阻抗。动态情况下，两个输入端间有并联的电容值。该参数为10G/2PF。（2）共模抑制比（CMRR）通常取平均值，温度变化有差异。通常指低频条件。若频率增高，CMRR值有所减小。在放大增益不同， CMRR值
6、也不同。,（3）偏置电流（bias current）两输入端到地有一个小的偏置电流（直流），AD620该参数为0.5nA，最大为2nA。（4）输入失调电压（input offset voltage）一般两个输入端电压差为零（两输入端短接地）时，其输出都不为零。如果在任意一个输入端加上一个大小和方向合适的直流电压，便可人为地使输出为零，这个外加的直流电压即运放的失调电压。AD620的最大值可达125V。（5）输入噪声输入噪声分电压噪声和电流噪声。低频范围（生理信号）的1/f噪声，会引起运放工作点漂移；电阻、半导体结间噪声受温度、频率影响。频率1kHz时输入电压噪声为9 ；0.110Hz频段输入电
7、流噪声为10PApp,（四）AD620构成的常用生理参数前置放大电路 常用于传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换 1. 压力传感器电路 高电阻值,低电源电、体积小、低功耗压力传感器电路,压力检测电路,3k、+5V供电的压力传感器电桥；电桥功耗仅1.7mA,AD620和AD705缓冲电压驱动器对信号调节,使总供电电流仅为3.8mA；电路产生的噪声和漂移极低。,四、前置级共模抑制能力的提高方法：1.正确设计电路参数；2.改进电路。 （一）屏蔽驱动 ECG导联引线芯线和电缆屏蔽层（接地时），对放大器输入端的分布电容为C1，C2 。 C1，C2不等，电极阻抗RS不平衡，则Rs1C1Rs2C2,使
8、共模电压不等量衰减，放大器CMRR下降。,问 题：输入端的共模电压产生共模误差输出。,解决思路：使屏蔽层电容不起衰减作用。办 法：导联线的屏蔽层不接地，接到与共模输入信 号等电位点上，共模电压不衰减地送到差动 放大器输入端，不会产生共模量不等量衰减 形成共模误差。,（1）取放大电路的共模电压驱动屏蔽层，使分布电容C1、C2的端电压保持不变。（2）A1、A2构成缓冲级，其输出分别为： 电阻网络R-R接A1、A2的输出端，在网络的中点取出A1、A2输出电压的平均值Uic，经缓冲放大器A3驱动屏蔽层，消除由C1、C2引起的不均衡衰减。,、,屏蔽驱动电路,实际应用电路(三) 右腿驱动技术 右腿不直接接
9、地，接到A3的输出。从两Ra结点取共模电压，经A3放大后通过R0电阻反馈到右腿。人体的位移电流这时不再流入地，而是流向R0和A3的输出。当病人和地之间出现很高电压时，A3饱和，右腿驱动电路不起作用，A3等效于接地，R0起限流保护，安全保护。,A3不饱和时的共模电压。反相端输入为：,讨论：（1）要小，可增大2RF/Ra（2）Vcm大时， R0必须起保护作 用，其值较大。 故A3要求能 在微电流下工作，则RF可选较 大值。,例：如果选RF=R05M，Ra典型值为25k，则等效电阻为12.5k。若位移电流 =0.2A，则：,由AD620构成的实际心电监测电路,第二节 隔离级设计,为了人体安全的目的，
10、通常生物电信号测量技术采用浮地形式，以便实现人体与电气上的隔离。,浮地概念,所谓浮地（或浮置），即信号在传递的过程中，不是利用一个公共的接地点逐级地往下面传送（如阻容耦合、直接耦合等），而是利用诸如电磁耦合或光电耦合等隔离技术，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。,一、光电耦合,光电二极管耦合 光电晶体管耦合,光电晶体管转移特性,用于模拟信号的耦合转换，要求光电耦合器有很好的线性特性,ECG-6511前置放大光电耦合级电路,发光二极管DA有电流通过发光时，DB、DC中产生反向电流,A1为耦合驱动级，在输入信号为零的初始状态，Ii0，A 点为虚地点，B点呈负电位，有：,
11、静态： 47k上的电流I恒定，从A点流出，电容C以IC充电，C点电位升高，VA导通，产生IDA， 发光二极管DA发光，光电池DB产生反向电流IDB 流入A点，当IDBI时，电容C的充电电流为0，C点电位恒定，发光二极管DA和光电池DB中的电流达一稳定值IDA0、IDB0； 同理，IDA0使IDC0有IDC0=I，调整50k电位器，使U0确定静态值。,动态：输入Ui0，有Ii注入A点，致Uc下降，使IDA减小，DA光强变弱，继而 减低。,当 ，Ic0（C反向充电结束）。此时：,输出为：,输入为：,光电耦合电压转换比率为：,结论：转移过程的线性度取决于光电器件DA 、DB、DC的特性，尤其是DB和
12、DC的对称性。为了提高线性度，DB和DC的偏置电路参数也应保持对称。,互补方式光电耦合电路,优点：通过选择芯片的对称性，提高电路的线性度。,光电晶体管耦合器T117，两个光电耦合器PH1和PH2对称性好，电流转移系数分别是1和2 。运放A1、A2工作在线性状态。A1通过PH1形成负反馈。静态时：IiI1，电容C中的电流为0，当信号ui 到达平衡时：,耦合输出级A2有：输出：,由于1=2，所以：,R3和C改善电路的稳定性和频率特性HP1工作速度远低于A1，A1进入工作的瞬间，由HP1形成的负反馈环路是断开的，来不及建立负反馈，使A1输出电压过冲。引入R3后，反馈系数变小，增加电路的稳定性。电容C
13、为A1提供快速反馈环节。,RF/Ri为电压转换率,数字信号的光电耦合AD转换后，对每一位数字信号分别用一个光电耦合器件。单级耦合电路,数字信号光电耦合,单级光电耦合,浮地电源通过R为发光二极管提供静态工作电流，使之工作在线性区。光电三极管中的信号电流经RL 送入A2。耦合级工作速度： 由RL与耦合器结电容的时间常数p决定。,内部带有光电隔离的仪用放大器,用匹配的光敏二极管CR3和CR2，大大减小非线性和时间-温度的漂移。运放A1，发光二极管CR1和光敏二极管CR3形成负反馈，使I1=IIN。因CR2和CR3严格匹配，从CR1接受的光强相等，I2=I1=IINA2完成电流-电压转换，VOUT=I
14、2Rk总的传输函数为：,集成光电隔离仪用放大器在生理参数测量中的应用,电源采用DC/DC隔离隔离耐压值：3kV表示放大器每个输入端和输入地之间应能经受幅度3kV、宽度10ms脉冲电压的测试；两个输入端之间能经受幅度6kV、宽度10ms脉冲电压的测试；隔离栅应能经受峰-峰值5000V连续高压的测试 。,二、电磁耦合,变压器不能传递低频、直流信号，故先通过调制电路，把低频信号调制在高频载波上，经过变压器耦合，再解调，恢复生物信号。浮地放大器的直流电源由载波发生器（几十kHz-100kHz）、隔离变压器隔离，通过整流滤波获得。调制器的激励源亦经隔离变压器从载波发生器得到。,第三节生理放大器滤波电路设
15、计,在生物医学信号处理中，滤波电路常用由集成运算放大器和RC网络组成的有源滤波器,一、有源滤波器的设计方法,二、有源带阻滤波器的设计,带阻滤波器又称陷波器（notch filter），用于滤除通带中某一频段的频率成分。 用B表示阻带宽度，用Q表示品质因数，分别用来表征带阻滤波器的频率抑制或选频特性。,图3.25双T型有源陷波器 （a）基本电路（b）频率响应,（1）双T陷波器：,双T网络之前加一级缓冲电路，之后接一级运放，构成有源双T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，使陷波点频率f0处的信号相互抵消，衰减到零。,（2）文氏桥式陷波器,电桥的元件参数关系为：R1=2R2，C1=C2=C ，R3=R4=R此时电桥的抑制频率为：,因为R1=2R2，对任一频率信号，UAD=Ui/3，当输入信号频率f=f0时，UBD=Ui/3，则UAB=0，则电桥处于平衡状态。,文氏桥陷波器电路,文氏桥无源滤波器的频率选择性很差，需在文氏电桥电路后加接运算放大器组成有源陷波器。,
