信号预处理-生物医学电子与仪器-03

第三章信号预处理第一节模拟滤波器设计第二节非线性变换第三节电压比较器第四节模拟存储器第五节信号的运算医学信号的提取过程中需要对信号进行预处理。这些处理方法包括：滤波、非线性变换、信号运算以心电为例：低频：去除电极干扰中频：去除50Hz高频：去除肌电干扰等第三章信号预处理模拟滤波器按通带性能分：LPFHPFBPFBEFAPF按近似方法分：契比雪夫巴特沃思贝塞尔按运算放大器作用分：无限增益有限增益由于一阶滤波器性能不理想，一般电路大多用二阶滤波电路。第一节模拟滤波器设计阻尼系数转折频率：二阶滤波器的一般形式QasassGsT1:)()(02002=++=ωωω模拟滤波器与放大器是任何医学仪器的必须部分。一、二阶滤波器的传递函数20022022002020022200220)()()()()(ωωωωωωωωωωω+++=++=++=++=sasAAssTBEsassAasTBPsasAssTHPsasAsTLPsGEBHL带阻带通高通低通按其形式分为：滤波器，为滤波器，为滤波器，为体现逼近准则滤波器。这就是归一化的，式中：归一，如频率传递函数可按某一参考BesselaChebyshevahButterwortaaLPsssasAsasAsTLPrrrrrrrLr322//'')'()/()/)(/()/()/()(0222200220====++=++=ωωβωβββωωωωωωωωω压控电压源式滤波器电路的一般形式无限增益多反馈环形滤波器电路的一般形式RRAYYAYYYYYYYAYUUsHAUUUYUYYUYUYUYUYYYYYicbcabcbia/'1)1()()()()()(:~323144122124232132141+=−−+++==⎪⎩⎪⎨⎧==+++=++求得传递函数：法为导纳，则由节点分析二、二阶低通滤波器设计⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+=−−+==342121112122121010)1()(1RRACCRRRCARRCaCCRRω:/1/124132211代入化为标准形式低通时取：sCYsCYRYRY====1212/)/1(1CCRRA++稳定条件：4/1)1/()(||/11)1411(2243214432134220211201212aAkARRRRARRRRRRRARkCRakAkCaRkCCC+−≤⎩⎨⎧−=+==++=⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=−−++==同时满足：则同时要求，以先选由于电容的种类少，所ωω高阶低通滤波器可以通过级联构成⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧+++=−−+======)1(110)1()(1:/1/12121342121222112121024132211CCRRARRACCRRRCACCRaCCRRRYRYsCYsCY稳定条件：代入化为标准形式ω三、二阶高通滤波器设计：图3.4⎪⎩⎪⎨⎧−−====)/)1(/2/1122112012RRARRaRRCCCCCω以先选由于电容的种类少，所带通滤波电路可以由低通和高通级联组合而成,现在多用数字滤波完成。四、带通滤波电路有一定Q值的窄带滤波电路有一定Q值的窄带滤波电路⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+==−=⎩⎨⎧=−=)11(11/22//2130313012RRRCCRBRRABQBωωωω两种方法：模拟陷波自适应滤波：数字信号处理方法模拟陷波器的结构形式：带通转化无源双T网络有源双T网络非对称阻容网络五、带阻滤波电路：A1反相型带通滤波器，A2加法运算。1、信号频段与带通频段相减⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+=====−==+)11(11222)2(021303716356135713156761RRRCCRBRRRRRRARRRRRRuuRRuRRuiiω2、无源双T网络无源双T网络结构sRCsRCsRCsH4)(1)(1)(:22+++=由节点变换分析法0)(1)4()(1)(1)(02022020==+⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=ωωωωωωωωωHRCH时，在无源双T网络特性分析)134~75.18(115501)(141)(14)4()(1)(1)(0020002002022020HzHzHzHzfarctgarctgH阻带宽度的陷波对=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧−−−−=+⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=ωωωωωωπωωωωωωϕωωωωωωω有源双T网络电路结构（实用电路）3、有源双T网络2022202022)()1(16)(1)(1)()1(4)(1)(1)1()(ωωωωωωωkHRCkssRCsRCKAkAsH−+⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=−+++=+−=有源双T网络传递函数HzBkHzBkkkHkH9.398.0198024])1(162[)1(162)(21)()()1(16)(1)(1)(2222020222020====−++±−+==−+⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=时，时，时，解出当ωωωωωωωωωω为反馈电压系数。，其中：右左kRVRRRVRRSCRRRCSKRRRSCkRRRRRSCRRRCSRRSCRRsH2133212233321132223213233321322232)]1()(2[)]1)(2(3[1)(231)(+=+=+−+++−+++++++=4、非对称阻容网络陷波实现AC-DC变换，调幅解调。输出为零截止，导通，，放大器输出为负，120DDUi。放大器为反向比例状态截止，导通，，放大器输出为正，210DDUiGND1R2RiU2D1D0U第二节非线性变换非线性电路用于实现信号的频率变换和振荡一、线性检波（半波整流，全波整流）iUoU⎪⎩⎪⎨⎧=)0()0(012iiioUURRUUGND1R2RiU2D1D0UioiUURDDDDDU=构成回路，，截止，导通，截止，导通，，4343120)(02103421RRUUDDDDUii=−=截止，导通，截止，导通，，0U2RiUGND1R2D1D4R4D3D5R2A+-+-1A输出信号的频率与输入电压成正比。频率通过计数可以实现简单的AD变换。HVLVTV−1T2T二、电压-频率变换(VFC)iUD1R2RRCTTV−+-+-1UiiiTcoiTcoiTiTUbUUCVRTTfTCRRTCRUCVRTTfTCRUCVRTRUICTRIVU∝==+==+−=+=−==+−=−=/11/11/)/(1212222212122111121，则，使调节，则输出脉冲频率为设复位时间为，所以其中HVLVTV−1T2T通常压-频变换之后，再转换为数字量。具有很高的抑制干扰能力，特别适用于遥测系统。放大VFC计数器输出信号定时复位利用电压比较器判断两电位信号的相对大小。可以作为模拟电路和数字电路的桥梁。比较器主要有两个性能：◎响应时间：10ns～20ns◎抗干扰性能：阈值电平附近的波动干扰。1、单限比较器（1）输出未箝位HVLVTViUoUoUiUTV+-第三节电压比较器（2）输出箝位oUiUTV+-HVLVTViUoUOV（3）反馈箝位HVLVTViUoU压和正向压降。分别为稳压管的稳定电和，，DwrTDLoirwHoirUEVRRVUVURURVEVURURV12212100−=−==+==+1RoUiUrV2R+-2、迟滞比较器迟滞比较器的输出特性具有迟滞回线特性iUHVTHVTLVoU)(1)(12121212211221212122111TLTLTLHLTHTHTHLHVRVRRRVVRRRVRRRUVVVRVRRRVVRRRVRRRUVV++=+++=++=+++=++状态转换到比较器从状态转换到比较器从oUiU1R2RTV+-)()(1)(121121212121LHTTHTHTLTLVVRRRVVRVRRRVVRVRRRV−+=Δ++=++=oUiU1R2RTV+-HVTHVTLVoUiV在模拟电路中，信号的存储是依靠记忆元件—电容器。某一时刻的电压值存储在电容器上，即所谓取样保持和峰值保持电路。在生物医学信号检测过程中，这是不可缺少的处理方法。一、采样保持电路1、组成：模拟开关、模拟信号存储电容、缓冲放大器2、性能：精度、速度oUiU+-+-第四节模拟存储器二、峰值保持电路输出跟踪输入信号峰值并保持此峰值，直到复位信号到达使输出复位到零。tUoURUitoUiUC2D1DR1R+-+-VR一、信号的微分在生物信号测量中，微分用于求出生理参数的变化率。例如在血压的测量中，除了收缩压、舒张压和平均压的测量之外，为描述心脏的机械泵血功能和血管的弹性，要对血压微分。sRCsHdtdUdtdURCUdtdUCiRiiRUiiicc−=−=−==−=−=)(00传递函数为τ第五节信号的运算C+-RoUiU→i→iC实用信号的微分，抑制高频噪声固有振荡角频率。为基本微分电路的取传递函数为ccCRCRCsRCsRCsRsHωω1)1)(1()(2211221112==++−=2CoUiU1C2R1R二、信号的积分在生物信号测量中，积分用于求出生理参数的动态功率。RCssHdtURCURUiiidtCUii1)(11010−====−=∫∫传递函数为oUiUCR