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某醫(yī)療設(shè)備中放大器低頻信號的測試

作者:陳寧娟 時間:2014-12-03 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  ScopeArt按語:

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/266326.htm

  這天上午,ScopeArt先生在微創(chuàng)舉辦轟轟烈烈的500場之一的客戶端巡回交流會??蛻粞埼覀冎形缭谄涫程镁筒停顼埡笠肦&S示波器和另外廠商示波器做一下底噪的對比。由于上午交流討論得過于激烈,待到我們?nèi)ナ程贸燥垥r發(fā)現(xiàn)食堂快打烊了。中午時我們就現(xiàn)場PK了一番底噪,結(jié)果可想而知:R&S示波器光榮勝出。但是我們的ScopeArt先生是一個問題先生。他問客戶:您為什么要關(guān)心這底噪問題啊。于是就在現(xiàn)場搭起環(huán)境,實(shí)測了客戶一直很糾結(jié)的信號。當(dāng)時有一種爭分奪秒之感,因?yàn)橄挛绲目蛻艚涣鲿r間快到了。但是,這次實(shí)測的結(jié)果是令人愉悅的,其成果之一就是本文文章中的這個案例。

  各位看官讀完本文可能覺得奇怪,文中的信號看起來幅值并不是很小,信號中疊加的噪聲也不是很大啊。為什么其它示波器就不出來呢? 嘿嘿,這就是示波器的測量藝術(shù)吧~~


  總述

  人體內(nèi)有很多的生物電信號,如心電、肌電和腦電等,精確測量該類信號,使得醫(yī)生能夠正確掌握患者的病情,可以對癥下藥。該類信號主要具有如下特點(diǎn):頻率低(一般幾百Hz以下) 、幅值小、易受環(huán)境干擾。在測量此類信號時,如果受到干擾,就有可能得到錯誤的結(jié)果,進(jìn)而導(dǎo)致醫(yī)生誤判病情,甚至造成嚴(yán)重的后果。因此,本文就如何消除干擾,提高測量的精準(zhǔn)度,進(jìn)行了一系列探索。

  正文

  某種放大設(shè)備,可以對生物電信號進(jìn)行放大,然后進(jìn)行相關(guān)測量。為了驗(yàn)證產(chǎn)品性能,進(jìn)行如下試驗(yàn):在的輸入端加一個已知的三角波信號,然后用示波器的輸出, 這樣計(jì)算得到對三角波的增益,最后就可以判斷該放大器的性能。測試儀器為R&S公司的RTE示波器,帶寬為1GHz,每通道為5GSa/S的采樣率,每通道最大存儲深度為40M,可以滿足本次測試的應(yīng)用。

  由于輸入的三角波為已知信號,因此我們主要觀察放大器的輸出信號。測試環(huán)境中存在環(huán)境噪聲、工頻干擾以及電路固有噪聲的影響,本應(yīng)該平滑的輸出波形上有明顯的毛刺(如圖1所示),毛刺的峰峰值最高會超過20mV,這對測試結(jié)果有較大的影響,這樣就無法正確評估該放大器的性能了。如果按照這樣的結(jié)果來設(shè)置產(chǎn)品參數(shù),醫(yī)生在使用該產(chǎn)品時就有可能誤判病人的病情。

    

 

  圖1 原始波形

  如何來消除噪聲的影響,提高測試的精準(zhǔn)度呢?根據(jù)信號本身的特性,以及RTE示波器的功能。我們進(jìn)行如下探索:

  1、選擇合適的帶寬

  測試低頻信號時,示波器的帶寬太大,就會從環(huán)境中引入跟多的高頻噪聲。示波器為1G帶寬,對帶寬不加限制,直接測量該幾百赫茲的信號,會發(fā)現(xiàn)很多噪聲毛刺,見圖1。這樣可以考慮把示波器帶寬設(shè)為20MHz,再去測量波形上的毛刺明顯減少,見圖2。

    

 

  圖2 限制帶寬測量信號

  限制帶寬,相當(dāng)于直接濾出高頻噪聲的干擾。如下示意圖所示:

    

 

  2、選擇合適的波形去噪算法

  RTE具有各種波形去噪算法,并且單個通道可以顯示三種波形的功能。這樣我們在不限制示波器帶寬的情況下,可以選擇合適的波形算法,以減小高頻噪聲的干擾。分別選擇Average算法和Highres算法,進(jìn)行測試:

  2.1 Average算法

  通過對多次采集的波形的相同時刻采樣點(diǎn)進(jìn)行平均計(jì)算,這樣可以有效降低高斯白噪聲的影響,減少毛刺,光滑波形,使得波形盡量接近真實(shí)。需要注意的是:該算法是對相同時間上的采集點(diǎn)(可認(rèn)為是數(shù)據(jù))進(jìn)行平均計(jì)算,而不是對波形多次平均。其局限在于:僅在信號很相近且觸發(fā)位置連續(xù)穩(wěn)定時才能正常工作。示意圖如下所示:

    

 

  利用該算法,測得如下波形(如圖3所示),噪聲明顯減小了

    

 

  圖3 Average模式

  2.2 HighRes算法

  當(dāng)被測信號的波形符合一定特點(diǎn)時,可以采用分辨率增強(qiáng)模式來獲得更高的等效采樣率,這樣可以提高被測信號的準(zhǔn)確度。其特點(diǎn)為:示波器按固定的時間間隔進(jìn)行采樣:觸發(fā)一次后,示波器對電壓進(jìn)行連續(xù)的等時間間隔采樣,然后根據(jù)采樣點(diǎn)重建信號波形。實(shí)時采樣模式用來捕獲非重復(fù)性或單次信號。在實(shí)時采樣模式下,可以設(shè)置采樣抽取(Decimation)模式減少樣本數(shù)。下圖所示為HighRes工作模式:

    

 

  經(jīng)過該算法,測試結(jié)果同樣非常理想,如圖4所示:

    

 

  圖4 HighRes模式

  3、探頭的選擇

  相較于無源探頭,有源差分探頭具備低寄生電容和高帶寬特性,并且最為關(guān)鍵的是,有源差分探頭具有高共模抑制比(CMRR),對共模噪聲的抑制能力比較強(qiáng)。用來測試此類信號,應(yīng)該會有很好的結(jié)果。

 

 

 

 

 

 

 

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