人体内有很多的生物电信号,如心电、肌电和脑电等,精确测量该类信号,使得医生能够正确掌握患者的病情,可以对症下药。该类信号主要具有如下特点:频率低(一般几百Hz以下) 、幅值小、易受环境干扰。在测量此类信号时,如果受到干扰,就有可能得到错误的结果,进而导致医生误判病情,甚至造成严重的后果。因此,本文就如何消除干扰,提高测量的精准度,进行了一系列探索。
某种放大设备,可以对生物电信号进行放大,然后进行相关测量。为了验证产品性能,进行如下试验:在放大器的输入端加一个已知的三角波信号,然后用示波器测试放大器的输出, 这样计算得到放大器对三角波的增益,最后就可以判断该放大器的性能。测试仪器为R&S公司的RTE示波器,带宽为1GHz,每通道为5GSa/S的采样率,每通道最大存储深度为40M,可以满足本次测试的应用。
由于输入的三角波为已知信号,因此我们主要观察放大器的输出信号。测试环境中存在环境噪声、工频干扰以及电路固有噪声的影响,本应该平滑的输出波形上有明显的毛刺(如图1所示),毛刺的峰峰值最高会超过20mV,这对测试结果有较大的影响,这样就无法正确评估该医疗放大器的性能了。如果按照这样的结果来设置产品参数,医生在使用该产品时就有可能误判病人的病情。
图1 原始波形
如何来消除噪声的影响,提高测试的精准度呢?根据信号本身的特性,以及RTE示波器的功能。我们进行如下探索:
1 选择合适的带宽
测试低频信号时,示波器的带宽太大,就会从环境中引入跟多的高频噪声。示波器为1G带宽,对带宽不加限制,直接测量该几百赫兹的信号,会发现很多噪声毛刺,见图1。这样可以考虑把示波器带宽设为20MHz,再去测量波形上的毛刺明显减少,见图2。
图2 限制带宽测量信号
限制带宽,相当于直接滤出高频噪声的干扰。如下示意图所示:
2 选择合适的波形去噪算法
RTE具有各种波形去噪算法,并且单个通道可以显示三种波形的功能。这样我们在不限制示波器带宽的情况下,可以选择合适的波形算法,以减小高频噪声的干扰。分别选择Average算法和Highres算法,进行测试:
2.1 Average算法
通过对多次采集的波形的相同时刻采样点进行平均计算,这样可以有效降低高斯白噪声的影响,减少毛刺,光滑波形,使得波形尽量接近真实。需要注意的是:该算法是对相同时间上的采集点(可认为是数据)进行平均计算,而不是对波形多次平均。其局限在于:仅在信号很相近且触发位置连续稳定时才能正常工作。示意图如下所示:
利用该算法,测得如下波形(如图3所示),噪声明显减小了
图3 Average模式
2.2 HighRes算法
当被测信号的波形符合一定特点时,可以采用分辨率增强模式来获得更高的等效采样率,这样可以提高被测信号的准确度。其特点为:示波器按固定的时间间隔进行采样:触发一次后,示波器对电压进行连续的等时间间隔采样,然后根据采样点重建信号波形。实时采样模式用来捕获非重复性或单次信号。在实时采样模式下,可以设置采样抽取(Decimation)模式减少样本数。下图所示为HighRes工作模式:
经过该算法,测试结果同样非常理想,如图4所示:
图4 HighRes模式
3 探头的选择
相较于无源探头,有源差分探头具备低寄生电容和高带宽特性,并且最为关键的是,有源差分探头具有高共模抑制比(CMRR),对共模噪声的抑制能力比较强。用来测试此类信号,应该会有很好的结果。