某医疗设备中放大器低频信号的测试

　　ScopeArt按语:
　　这天上午，ScopeArt先生在微创医疗举办轰轰烈烈的500场之一的客户端巡回交流会。客户邀请我们中午在其食堂就餐，午饭后要拿R&S示波器和另外厂商示波器做一下底噪的对比。由于上午交流讨论得过于激烈，待到我们去食堂吃饭时发现食堂快打烊了。中午时我们就现场PK了一番底噪，结果可想而知：R&S示波器光荣胜出。但是我们的ScopeArt先生是一个问题先生。他问客户：您为什么要关心这底噪问题啊。于是就在现场搭起环境，实测了客户一直很纠结的信号。当时有一种争分夺秒之感，因为下午的客户交流会时间快到了。但是，这次实测的结果是令人愉悦的，其成果之一就是本文文章中的这个测试案例。
　　各位看官读完本文可能觉得奇怪，文中的信号看起来幅值并不是很小，信号中叠加的噪声也不是很大啊。为什么其它示波器就测试不出来呢 嘿嘿，这就是示波器的测量艺术吧~~
　　总述
　　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。
　　正文
　　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。