生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)第三章生理參數(shù)測量與處理

BiomedicalElectronics第一節(jié)生理參數(shù)測量放大器第二節(jié)模擬濾波器設(shè)計生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)3.1.3光隔離放大器

為了保證人體絕對安全，通常的生物電信號測量用浮地形式，實(shí)現(xiàn)人體與電氣上的隔離。

浮地(或浮置)：信號在傳遞的過程中，不是利用一個公共的接地點(diǎn)逐級往下傳送，如阻容耦合、直接耦合，而是利用電磁耦合或光電耦合等隔離技術(shù)，信號從浮地部分傳送到接地部分，兩部分之間沒有電路上的直接聯(lián)系，通過地線構(gòu)成的漏電流完全被抑制。不但保障了人體的絕對安全，而且消除了地線的干擾電流。浮地為浮地部分電路的等電位點(diǎn)，符號和接地部分的地符號是不同的。浮置部分由浮置電源供電，接地部分由工頻市電供電，構(gòu)成兩個獨(dú)立的供電系統(tǒng)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)電氣隔離設(shè)計有兩種方案：1、通過電磁耦合，經(jīng)變壓器傳遞信號。2、通過光電耦合，用光電器件傳遞信號，光電耦合采用最多的方案，具有廣闊的發(fā)展前途。光電耦合器件具有重量輕、應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等突出的優(yōu)點(diǎn)。它具有良好的線性和一定的轉(zhuǎn)換速度，既可以作為模擬信號的轉(zhuǎn)換也可以作為數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。能實(shí)現(xiàn)與TTL電路的兼容性設(shè)計，光電耦合器件可以由TTL集成電路直接驅(qū)動，反過來也可以直接驅(qū)動TTL集成電路，接口電路簡單、方便。一、光電耦合1、光電耦合的特點(diǎn)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)由PN結(jié)構(gòu)成的光電耦合器件包含有一個作為發(fā)送輻射部件的發(fā)光二極管和一個作為輻射探測器的光電二極管或光電晶體管(包括達(dá)林頓晶體管)，如圖。2、光電耦合器件稱為光電二極管耦合和光電晶體管耦合。光電晶體管按照晶體管的電流增益放大光電二極管的電流，具有0.1-0.5的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)。為了提高電流轉(zhuǎn)移系數(shù)，改用達(dá)林頓晶體管，構(gòu)成達(dá)林頓光電晶體管，可以獲得1—10的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)3、光電耦合器件的工作頻率受光電晶體管基極和集電極之間的電容的影響，不加補(bǔ)償改進(jìn)的簡單應(yīng)用電路的頻率上限100kHz，光電二極管耦合器可以獲得1MHz的工作頻率。4、線性特性

用于模擬信號的耦合轉(zhuǎn)換，要求光電耦合器具有很好的線性特性，圖為某光電晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線，虛線表示不加負(fù)載的的輸入、輸出電流特性。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)光電耦合器件種類繁多，不同的光電耦合器件有不同的應(yīng)用電路。下圖為日本ECG-6511前置放大光電耦合電路。實(shí)例1生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)光電耦合器件為光電池二極管耦合器，其中DB和Dc為光電池。光電池短路時其短路電流和光照近似為正比例關(guān)系。（1）靜態(tài)工作參數(shù)在發(fā)光二極管DA有電流通過而發(fā)光時，DB和Dc中產(chǎn)生反向電流。光電器件是電流控制器件，為了工作在線性動態(tài)范圍，須首先提供合適的靜態(tài)參數(shù)。如圖，A1為耦合驅(qū)動級，輸入信導(dǎo)為零的初始狀態(tài)，Ii=0，A點(diǎn)為虛地點(diǎn)，B點(diǎn)呈負(fù)電位，流過47k上的I為一恒定電流，從A點(diǎn)流出，電容C以Ic充電，使C點(diǎn)電位升高，導(dǎo)致三極管TA導(dǎo)通，產(chǎn)生IDA，發(fā)光二極管DA發(fā)光。光電池DB受光照后，產(chǎn)生反向電流IDB流入A點(diǎn)，當(dāng)IDB=

IDB時，電容C的充電電流為0，C點(diǎn)電位保持恒定，發(fā)光二極管DA和光電池DB的電流達(dá)到一穩(wěn)定值IDA0、IDB0

，即光電器件的靜態(tài)值。同時，IDA0導(dǎo)致IDC0=I，調(diào)整50k電位器，使U0=0，靜態(tài)工作參數(shù)被確定。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)（2）當(dāng)有傳輸信號時，假設(shè)輸入Ui＞0，則有Ii流入A，使Uc下降，IDA減小，發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度變?nèi)?，IDB減小。當(dāng)△Ii=│△IDB│時，Ic=0(電容C的反充電電流)，達(dá)到某一動態(tài)的平衡穩(wěn)定狀態(tài)。同時，│△IDC│=│△IDB│=△Ii，耦合輸出級的輸出為所以通過光電耦合的電壓轉(zhuǎn)換比率為

轉(zhuǎn)移過程的線性度取決于光電器件DA、DB、DC的特性，尤其是DB、DC的對稱性。為了提高線性度，DB、DC的偏置電路參數(shù)也應(yīng)保持對稱。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)（3）高頻負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)電路中A2的負(fù)反饋支路1k電阻和0.001μF電容構(gòu)成高頻負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過光電耦合后的生物電信號中，由于光的頻譜很寬而增加的大量高頻干擾成分在高頻負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)作用下可被濾除干凈。（3）過流保護(hù)電路晶體管TA和12Ω電阻組成光電耦合器的過流保護(hù)電路。當(dāng)驅(qū)動電流過大使12Ω電阻上的壓降超過0.7v時，TB導(dǎo)通，將TA基極電流對地短路，從而使流過發(fā)光二極管DA的電流不超過其額定值。這種電路，具有良好的過流保護(hù)作用。上述為一種實(shí)用的耦合級電路，但是晶體管TA的非線性增加了整個耦合級的非線性，下面介紹一種更加實(shí)用、合理的耦合級電路。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)利用兩個光電器件特性的對稱性提高耦合級電路的線性度。PH1和PH2是經(jīng)過嚴(yán)格挑選的特性對稱的兩個光電耦合器，運(yùn)放A1和A2工作在線性狀態(tài)。且A1通過PH1形成負(fù)反饋。PH1、PH2的電流轉(zhuǎn)移系數(shù)分別是β1、β2。實(shí)例2圖為互補(bǔ)形式的耦合級電路，選用光電晶體管耦合器Tll7。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)（1）在靜態(tài)時，根據(jù)運(yùn)算放大器的理想特性及電路的結(jié)構(gòu)，Ii=I1，電容C中的電流為0。當(dāng)信號ui到達(dá)平衡時由PH1、PH2特性對稱，對應(yīng)某確定的ID值，β1=β2

RF／Ri為電路的電壓轉(zhuǎn)換比率

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)（2）R3、C很重要，作用是改善電路的穩(wěn)定性和頻率特性。光電耦合器件的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于運(yùn)放器件。在Al進(jìn)入工作的瞬間，由光電耦合形成的負(fù)反饋環(huán)路是斷開的，負(fù)反饋過程來不及建立，造成A1輸出端電壓的過沖。在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)引入R3，反饋系數(shù)變小，從而增加了電路的穩(wěn)定性。電容C的引入，為A1提供了一個快速反饋環(huán)節(jié)。（3）A1組成的浮地部分，通過C和PH1構(gòu)成兩條反饋。假定PH1具有良好的線性，PH1、PH2均具有β的電流增益。用τp=RpCp表示PHl的時間常數(shù)，A1的輸出UA通過R3變?yōu)殡娏?，用變換系數(shù)為β/R3

的電壓電流變換表示，則等效電路如圖。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)對階躍信號的響應(yīng)分析生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)若例如設(shè)C＝0，則如圖(b)中曲線a，呈現(xiàn)階躍響應(yīng)如圖(b)中曲線b，呈指數(shù)上升。適當(dāng)選擇C、R3、I(t)可使曲線在a、b之間。

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)R3和C對電路的性能有很大影響，R3C過大，電路的頻帶上限降低；R3C過小，則電路的穩(wěn)定性變差。①靜態(tài)工作電流I1取l-2mA，在動態(tài)范圍，值較大時噪聲明顯增加；②R3滿足互補(bǔ)方式光電耦合電路的參數(shù)設(shè)計④C通常取1500pF左右⑤RF由Ri和電壓轉(zhuǎn)換比確定互補(bǔ)光電耦合電路的頻帶平坦區(qū)可達(dá)0-40kHz，滿足生物電信號模擬量耦合的要求。線性度可達(dá)到0.1％以上。式中UD為發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓；在最大輸入信號下，R3的值應(yīng)符合A1的動態(tài)范圍。③生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)3.1.4橋路放大器橋路放大器是生物檢測裝置中的一種常見電路。光、聲、熱等非電量通過電阻式傳感器變換成電阻量，然后通過電阻電橋變換成相應(yīng)電壓信號輸出，再經(jīng)前置放大器將信號放大。

基本電橋放大器如圖,其中R(1+δ)為傳感元件。1)當(dāng)δ=0時，電橋處于平衡狀態(tài)，Vo=0。2）當(dāng)δ≠0時，當(dāng)物理量變化導(dǎo)致電阻R變化(δ=△R/R為電阻變化的相對值)，電橋失去平衡，Vo≠0。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)輸出電壓與待測量之間存在非線性關(guān)系。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)若δ＜＜1，考慮到忽略二次以上的高階無窮小，輸出簡化為當(dāng)δ>0.1～0.2時，v。與δ之間有較大的非線性關(guān)系。當(dāng)δ變化范圍較大時，需采用非線性校正措施。1、將輸出電壓反饋到電橋電源，使固定的電橋電源電壓變?yōu)閹в蟹答伒墓╇婋娫?，達(dá)到線性化目的。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)移項，整理令則即v0與δ為線性關(guān)系，電路見下圖生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)該電路允許δ變化范圍可達(dá)±100%，輸出電壓v0與δ為線性關(guān)系。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)2、運(yùn)算法是實(shí)現(xiàn)非線性校正的另一種方法，從數(shù)學(xué)模型找出非線性校正電路的模擬運(yùn)算式，然后用運(yùn)算電路來實(shí)現(xiàn)。基本思想：從檢測裝置的非線性函數(shù)式v0=f（δ）寫出其反函數(shù)δ=f-1（v0），代入線性運(yùn)算表達(dá)式vL=kδ，便可獲得校正電路運(yùn)算式vL=kf-1（v0）