某醫(yī)療設(shè)備中放大器低頻信號(hào)的測(cè)試

　　ScopeArt按語:

　　這天上午，ScopeArt先生在微創(chuàng)醫(yī)療舉辦轟轟烈烈的500場(chǎng)之一的客戶端巡回交流會(huì)?？蛻粞?qǐng)我們中午在其食堂就餐，午飯后要拿R&S示波器和另外廠商示波器做一下底噪的對(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)食堂快打烊了。中午時(shí)我們就現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(chǎng)搭起環(huán)境，實(shí)測(cè)了客戶一直很糾結(jié)的信號(hào)。當(dāng)時(shí)有一種爭(zhēng)分奪秒之感，因?yàn)橄挛绲目蛻艚涣鲿?huì)時(shí)間快到了。但是，這次實(shí)測(cè)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(gè)測(cè)試案例。

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

　　總述

　　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。

　　正文

　　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20mV，這對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大的影響，這樣就無法正確評(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(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)。用來測(cè)試此類信號(hào)，應(yīng)該會(huì)有很好的結(jié)果。