人體內(nèi)有很多的生物電信號(hào)，如心電、肌電和腦電等，精確測(cè)量該類(lèi)信號(hào)，使得醫(yī)生能夠正確掌握患者的病情，可以對(duì)癥下藥。該類(lèi)信號(hào)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(cè)量此類(lèi)信號(hào)時(shí)，如果受到干擾，就有可能得到錯(cuò)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(cè)量的精準(zhǔn)度，進(jìn)行了一系列探索。
某種放大設(shè)備，可以對(duì)生物電信號(hào)進(jìn)行放大，然后進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。為了驗(yàn)證產(chǎn)品性能，進(jìn)行如下試驗(yàn)：在放大器的輸入端加一個(gè)已知的三角波信號(hào)，然后用示波器測(cè)試放大器的輸出, 這樣計(jì)算得到放大器對(duì)三角波的增益，最后就可以判斷該放大器的性能。測(cè)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(chǔ)深度為40m，可以滿足本次測(cè)試的應(yīng)用。
由于輸入的三角波為已知信號(hào)，因此我們主要觀察放大器的輸出信號(hào)。測(cè)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(huì)超過(guò)20mv，這對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大的影響，這樣就無(wú)法正確評(píng)估該醫(yī)療放大器的性能了。如果按照這樣的結(jié)果來(lái)設(shè)置產(chǎn)品參數(shù)，醫(yī)生在使用該產(chǎn)品時(shí)就有可能誤判病人的病情。
圖1 原始波形
如何來(lái)消除噪聲的影響，提高測(cè)試的精準(zhǔn)度呢？根據(jù)信號(hào)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(cè)試低頻信號(hào)時(shí)，示波器的帶寬太大，就會(huì)從環(huán)境中引入跟多的高頻噪聲。示波器為1g帶寬，對(duì)帶寬不加限制，直接測(cè)量該幾百赫茲的信號(hào)，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多噪聲毛刺，見(jiàn)圖1。這樣可以考慮把示波器帶寬設(shè)為20mhz，再去測(cè)量波形上的毛刺明顯減少，見(jiàn)圖2。
圖2 限制帶寬測(cè)量信號(hào)
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(gè)通道可以顯示三種波形的功能。這樣我們?cè)诓幌拗剖静ㄆ鲙挼那闆r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(cè)試：
2.1 average算法
通過(guò)對(duì)多次采集的波形的相同時(shí)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(duì)相同時(shí)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(duì)波形多次平均。其局限在于：僅在信號(hào)很相近且觸發(fā)位置連續(xù)穩(wěn)定時(shí)才能正常工作。示意圖如下所示：
利用該算法，測(cè)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(cè)信號(hào)的波形符合一定特點(diǎn)時(shí)，可以采用分辨率增強(qiáng)模式來(lái)獲得更高的等效采樣率，這樣可以提高被測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確度。其特點(diǎn)為：示波器按固定的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣：觸發(fā)一次后，示波器對(duì)電壓進(jìn)行連續(xù)的等時(shí)間間隔采樣，然后根據(jù)采樣點(diǎn)重建信號(hào)波形。實(shí)時(shí)采樣模式用來(lái)捕獲非重復(fù)性或單次信號(hào)。在實(shí)時(shí)采樣模式下，可以設(shè)置采樣抽?。╠ecimation）模式減少樣本數(shù)。下圖所示為highres工作模式：
經(jīng)過(guò)該算法，測(cè)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(wú)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(duì)共模噪聲的抑制能力比較強(qiáng)。用來(lái)測(cè)試此類(lèi)信號(hào)，應(yīng)該會(huì)有很好的結(jié)果。