某醫療設備中放大器低頻信號的測試

　　ScopeArt按語(yǔ):

　　這天上午，ScopeArt先生在微創(chuàng )醫療舉辦轟轟烈烈的500場(chǎng)之一的客戶(hù)端巡回交流會(huì )?？蛻?hù)邀請我們中午在其食堂就餐，午飯后要拿R&S示波器和另外廠(chǎng)商示波器做一下底噪的對比。由于上午交流討論得過(guò)于激烈，待到我們去食堂吃飯時(shí)發(fā)現食堂快打烊了。中午時(shí)我們就現場(chǎng)PK了一番底噪，結果可想而知：R&S示波器光榮勝出。但是我們的ScopeArt先生是一個(gè)問(wèn)題先生。他問(wèn)客戶(hù)：您為什么要關(guān)心這底噪問(wèn)題啊。于是就在現場(chǎng)搭起環(huán)境，實(shí)測了客戶(hù)一直很糾結的信號。當時(shí)有一種爭分奪秒之感，因為下午的客戶(hù)交流會(huì )時(shí)間快到了。但是，這次實(shí)測的結果是令人愉悅的，其成果之一就是本文文章中的這個(gè)測試案例。

　　各位看官讀完本文可能覺(jué)得奇怪，文中的信號看起來(lái)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測試不出來(lái)呢? 嘿嘿，這就是示波器的測量藝術(shù)吧~~

　　總述

　　人體內有很多的生物電信號，如心電、肌電和腦電等，精確測量該類(lèi)信號，使得醫生能夠正確掌握患者的病情，可以對癥下藥。該類(lèi)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(lèi)信號時(shí)，如果受到干擾，就有可能得到錯誤的結果，進(jìn)而導致醫生誤判病情，甚至造成嚴重的后果。因此，本文就如何消除干擾，提高測量的精準度，進(jìn)行了一系列探索。

　　正文

　　某種放大設備，可以對生物電信號進(jìn)行放大，然后進(jìn)行相關(guān)測量。為了驗證產(chǎn)品性能，進(jìn)行如下試驗：在放大器的輸入端加一個(gè)已知的三角波信號，然后用示波器測試放大器的輸出, 這樣計算得到放大器對三角波的增益，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(mǎn)足本次測試的應用。

　　由于輸入的三角波為已知信號，因此我們主要觀(guān)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，這對測試結果有較大的影響，這樣就無(wú)法正確評估該醫療放大器的性能了。如果按照這樣的結果來(lái)設置產(chǎn)品參數，醫生在使用該產(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，提高測試的精準度呢?根據信號本身的特性，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(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，對帶寬不加限制，直接測量該幾百赫茲的信號，會(huì )發(fā)現很多噪聲毛刺，見(jiàn)圖1。這樣可以考慮把示波器帶寬設為20MHz，再去測量波形上的毛刺明顯減少，見(jiàn)圖2。

　　圖2 限制帶寬測量信號

　　限制帶寬，相當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(guò)對多次采集的波形的相同時(shí)刻采樣點(diǎn)進(jìn)行平均計算，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(shí)間上的采集點(diǎn)(可認為是數據)進(jìn)行平均計算，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)位置連續穩定時(shí)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

　　當被測信號的波形符合一定特點(diǎn)時(shí)，可以采用分辨率增強模式來(lái)獲得更高的等效采樣率，這樣可以提高被測信號的準確度。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，示波器對電壓進(jìn)行連續的等時(shí)間間隔采樣，然后根據采樣點(diǎn)重建信號波形。實(shí)時(shí)采樣模式用來(lái)捕獲非重復性或單次信號。在實(shí)時(shí)采樣模式下，可以設置采樣抽取(Decimation)模式減少樣本數。下圖所示為HighRes工作模式：

　　經(jīng)過(guò)該算法，測試結果同樣非常理想，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)，對共模噪聲的抑制能力比較強。用來(lái)測試此類(lèi)信號，應該會(huì )有很好的結果。