第七章 干扰和噪声
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上海大学“生物医学传感器与测量”课程
在印制板布线时，应在运放的两输入管脚处， 布一圈地线，以达到屏蔽的目的。
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
针对50Hz工频干扰的抑制方法
心电图测量
右腿驱动电路
脑电、肌电测量
屏蔽、合理接地、滤波器
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
（2）电感性耦合（磁耦合）
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
场的特性
场源
磁场(E/H<377Ω) 电场(E/H>377Ω)
场
传
场
播
源
时
的
所
性 质
通 过 的
介
质
近场
远场 (E/H=377Ω)
λ/2π
波阻抗＝ 电场E 磁场H
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
在研究电磁场耦合形成干扰时，应把以电场为主 的干扰与以磁场为主的干扰区分开
电场通过电容性耦合引入干扰 磁场通过电感性耦合引入干扰
（1） 电容性耦合
在电子系统内部元件和元件之间，导线和导线 之间以及导线与元件，导线、元件与结构件之间都 存在着分布电容。一个导体上的电压或干扰成分通 过分布电容使导体上的电位受到影响，这种现象称 为电容性耦合。
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
公共接地电阻
经公共阻抗耦合
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
干扰耦合路径：电场和磁场耦合
场的性质取决于
场源的性质 场源周围的介质 观察点与源之间的距离
以 / 2为界区分近/远场
用波阻抗描述场源的性质
远场时，Rc等于介质特性阻抗，空气Rc为377Ω 近场时 Rc E / H
场源为大电流低电压，则Rc<377 Ω；磁场性质 场源为小电流高电压，则Rc>377 Ω；电场性质
干扰电流产生的磁通随时间变化而形成干扰电压。在系统内 部，线圈或变压器的漏磁是形成干扰的主要原因；在系统外部， 多数是由于两个导线在长距离平行架设中形成干扰电压。 电路2中的感应电压：
Us BAcos
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
（2）电感性耦合（磁耦合） 抑制电感耦合的常用方法： ❖远离干扰源，减小干扰源的影响； ❖采用绞合线的走线方式； ❖尽量减小耦合通道(回路闭合面积A和cosθ值)
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
干扰和噪声的区别
干扰：描述一系统受另一系统的影响而在该系 统中产生误差电压和电流的现象
噪声：被测信号中加入的随机振动，来自于测 量系统的内部，由构成测量系统的材料与元器 件产生
生物医学信号测量 强干扰和噪声背景下的微弱信号测量
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
§ 7.2 人体电子测量的干扰
电磁干扰的形成有三个条件：干扰源、耦 合通道（即引入方式）与敏感电路（即接受电 路）。
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
§ 7.2.1 干扰源
能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常工作 的物体或设备称为干扰源。
包括自然界宇宙射线、太阳辐射产生的周期电振动； 周围普通电气电子设备产生的放电现象，如 •发动机点火 •继电器触电引起电弧 •照明电灯的辉光放电 •电容电感瞬变过程 •各种变压器、广播、电视、雷达等传播的电磁能
o 频率特性
频带宽(EMG:DC-10kHz)
o 幅值特性
幅值微弱 EEG:几微伏-几百微伏 EMG:几微伏-几千微伏
o 各类生理信号常常复合交织在一起
采集心电(ECG)信号时，常常混杂有频带复用（或部分复用）而强 度更大的肌电(EMG)信号以及其他无规律的运动干扰信号等。
上海大学“生物医Hale Waihona Puke Baidu传感器与测量”课程
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
信号及干扰源的频率分布
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
§ 7.2.2 干扰耦合的途径
传导耦合
耦
合
经公共阻抗耦合
通
道
电容性耦合
电场和磁场耦合
电感性耦合
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
电源内阻及电源线的 公共阻抗
一个电路的干扰电流经 公共阻抗形成干扰压降， 立刻引入其它电路
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
（2）电感性耦合（磁耦合） 每个绞合结的微小面积所引起的感应电压大体
相等，由于相邻的绞合结方向相反，而使局部的感 应电压相互抵消。
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
（2）电感性耦合（磁耦合）
减小耦合通道——减小面积A和cosθ值 可采取尽量使信号回路平面与干扰回路平面垂直，并使信号线 贴近地平面布线，以减小回路的闭合面积等。
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
第七章 生物医学测量的 干扰和噪声
张麒
上海大学
通信与信息工程学院
§ 7.1 生理信号的基本特征 § 7.2 人体电子测量的干扰 § 7.3 抑制电磁场干扰的主要方法 § 7.4 噪声与低噪声放大器
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
§ 7.1 生理信号的基本特征
（1） 电容性耦合
若导线2为信号端，与放大器输入端相连，那么便构 成敏感电路。由容性耦合形成的对敏感电路的干扰，在 不考虑C1时为：
u2s
1 R
jC j(C C2 )
u1s
增大R， 并减小C
干扰
平行导线容性耦合
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
电场干扰简单估算
Cd1为人体与50Hz、220V电源馈 电线之间的分布电容
在心电测量中的工频干扰(a)及肌电干扰(b)
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
生物医学测量的干扰和噪声问题：
（1）被测信号是微弱信号，测试系统具有较高的灵敏度。灵敏 度越高，对干扰和噪声也就越敏感，即极易把干扰引入测试系 统或者放大噪声。 （2）工频50Hz干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围之内， 而50Hz干扰又是普遍存在的。 （3）生物体本身属于电的良导体，而且“目标”大，难以屏蔽 并很容易接受外部干扰。
多导心电图、脑电图等测量时，要求将导线收紧为一束
Cd2为人体与大地间的分布电容 Cd1 << Cd2 若取100Cd1 = Cd2 则耦合到人体的50Hz工频电压)
UCM= Cd1 *220/(Cd1 + Cd2 )=2V
足以完全淹没微弱的生物 电信号
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
抑制容性耦合常用的方法：
❖提高输入阻抗R ❖采用屏蔽导线(需减小干扰源导线和屏蔽伸出导 线间耦合电容C) ❖在印制电路板内破坏电容耦合最关键的部位，是 处在前置级的第一个运放； ❖减小共模干扰
在印制板布线时，应在运放的两输入管脚处， 布一圈地线，以达到屏蔽的目的。
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
针对50Hz工频干扰的抑制方法
心电图测量
右腿驱动电路
脑电、肌电测量
屏蔽、合理接地、滤波器
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（2）电感性耦合（磁耦合）
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
场的特性
场源
磁场(E/H<377Ω) 电场(E/H>377Ω)
场
传
场
播
源
时
的
所
性 质
通 过 的
介
质
近场
远场 (E/H=377Ω)
λ/2π
波阻抗＝ 电场E 磁场H
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在研究电磁场耦合形成干扰时，应把以电场为主 的干扰与以磁场为主的干扰区分开
电场通过电容性耦合引入干扰 磁场通过电感性耦合引入干扰
（1） 电容性耦合
在电子系统内部元件和元件之间，导线和导线 之间以及导线与元件，导线、元件与结构件之间都 存在着分布电容。一个导体上的电压或干扰成分通 过分布电容使导体上的电位受到影响，这种现象称 为电容性耦合。
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公共接地电阻
经公共阻抗耦合
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干扰耦合路径：电场和磁场耦合
场的性质取决于
场源的性质 场源周围的介质 观察点与源之间的距离
以 / 2为界区分近/远场
用波阻抗描述场源的性质
远场时，Rc等于介质特性阻抗，空气Rc为377Ω 近场时 Rc E / H
场源为大电流低电压，则Rc<377 Ω；磁场性质 场源为小电流高电压，则Rc>377 Ω；电场性质
干扰电流产生的磁通随时间变化而形成干扰电压。在系统内 部，线圈或变压器的漏磁是形成干扰的主要原因；在系统外部， 多数是由于两个导线在长距离平行架设中形成干扰电压。 电路2中的感应电压：
Us BAcos
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
（2）电感性耦合（磁耦合） 抑制电感耦合的常用方法： ❖远离干扰源，减小干扰源的影响； ❖采用绞合线的走线方式； ❖尽量减小耦合通道(回路闭合面积A和cosθ值)
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
干扰和噪声的区别
干扰：描述一系统受另一系统的影响而在该系 统中产生误差电压和电流的现象
噪声：被测信号中加入的随机振动，来自于测 量系统的内部，由构成测量系统的材料与元器 件产生
生物医学信号测量 强干扰和噪声背景下的微弱信号测量
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§ 7.2 人体电子测量的干扰
电磁干扰的形成有三个条件：干扰源、耦 合通道（即引入方式）与敏感电路（即接受电 路）。
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§ 7.2.1 干扰源
能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常工作 的物体或设备称为干扰源。
包括自然界宇宙射线、太阳辐射产生的周期电振动； 周围普通电气电子设备产生的放电现象，如 •发动机点火 •继电器触电引起电弧 •照明电灯的辉光放电 •电容电感瞬变过程 •各种变压器、广播、电视、雷达等传播的电磁能
o 频率特性
频带宽(EMG:DC-10kHz)
o 幅值特性
幅值微弱 EEG:几微伏-几百微伏 EMG:几微伏-几千微伏
o 各类生理信号常常复合交织在一起
采集心电(ECG)信号时，常常混杂有频带复用（或部分复用）而强 度更大的肌电(EMG)信号以及其他无规律的运动干扰信号等。
上海大学“生物医Hale Waihona Puke Baidu传感器与测量”课程
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信号及干扰源的频率分布
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§ 7.2.2 干扰耦合的途径
传导耦合
耦
合
经公共阻抗耦合
通
道
电容性耦合
电场和磁场耦合
电感性耦合
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
电源内阻及电源线的 公共阻抗
一个电路的干扰电流经 公共阻抗形成干扰压降， 立刻引入其它电路
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
（2）电感性耦合（磁耦合） 每个绞合结的微小面积所引起的感应电压大体
相等，由于相邻的绞合结方向相反，而使局部的感 应电压相互抵消。
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
（2）电感性耦合（磁耦合）
减小耦合通道——减小面积A和cosθ值 可采取尽量使信号回路平面与干扰回路平面垂直，并使信号线 贴近地平面布线，以减小回路的闭合面积等。
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第七章 生物医学测量的 干扰和噪声
张麒
上海大学
通信与信息工程学院
§ 7.1 生理信号的基本特征 § 7.2 人体电子测量的干扰 § 7.3 抑制电磁场干扰的主要方法 § 7.4 噪声与低噪声放大器
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§ 7.1 生理信号的基本特征
（1） 电容性耦合
若导线2为信号端，与放大器输入端相连，那么便构 成敏感电路。由容性耦合形成的对敏感电路的干扰，在 不考虑C1时为：
u2s
1 R
jC j(C C2 )
u1s
增大R， 并减小C
干扰
平行导线容性耦合
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
电场干扰简单估算
Cd1为人体与50Hz、220V电源馈 电线之间的分布电容
在心电测量中的工频干扰(a)及肌电干扰(b)
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
生物医学测量的干扰和噪声问题：
（1）被测信号是微弱信号，测试系统具有较高的灵敏度。灵敏 度越高，对干扰和噪声也就越敏感，即极易把干扰引入测试系 统或者放大噪声。 （2）工频50Hz干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围之内， 而50Hz干扰又是普遍存在的。 （3）生物体本身属于电的良导体，而且“目标”大，难以屏蔽 并很容易接受外部干扰。
多导心电图、脑电图等测量时，要求将导线收紧为一束
Cd2为人体与大地间的分布电容 Cd1 << Cd2 若取100Cd1 = Cd2 则耦合到人体的50Hz工频电压)
UCM= Cd1 *220/(Cd1 + Cd2 )=2V
足以完全淹没微弱的生物 电信号
上海大学“生物医学传感器与测量”课程
抑制容性耦合常用的方法：
❖提高输入阻抗R ❖采用屏蔽导线(需减小干扰源导线和屏蔽伸出导 线间耦合电容C) ❖在印制电路板内破坏电容耦合最关键的部位，是 处在前置级的第一个运放； ❖减小共模干扰