脉象采集仪地线干扰原因与对策分析--上海都康仪器设备有限公司

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脉象采集仪地线干扰原因与对策分析

我公司开发的一款脉象采集仪，采用压力和光电传感器探头，基于仿生学原理模仿医生手指切脉采集人体“寸”、“关”、“尺”脉象和血管血液流动跳变的信号，输入到信号放大电路后经过AD转换、数据编码，送入上位机。在设计调试时显示屏出现不规律的干扰波形。此干扰信号叠加在脉象信号上造成脉搏信号发生失真和畸变，使得上位机分析出现误差。

1 干扰分析

在电路中，压力传感器与信号调理放大器之间采用电缆连接，长度约为100cm，为避免外界的干扰耦合到电缆中，已将电缆屏蔽，电缆的阻抗除了直流电阻还有内电感产生的感抗。导体的电阻由直流电阻和交流电阻两部分构成。其中直流电阻为：，其中ρ是电阻材料电阻率，S 是导体长度（m），是导体截面积（mm2）。

探头电缆导线材料是铜，其导体材料电阻率为：。对于交流信号而言，由于存在趋肤效应，交变电流会集中在导体的表面，从而导致电流的有效截面积减小，电阻增加。交流电阻与直流电阻的换算关系为：，式中 r 是导线半径（m），是导线直流电阻，为流过导线交变电流频率。导体的截面半径越大，交流电阻越小，对于任意截面形状的导体，一般取。导线为圆截面导体的内电感为，其中是导线的长度（m），是导线的直径（m）。

从上式中可知导体的電感与其横截面的直径关系不密切，而与导体的长度密切相关。导线的阻抗与频率有关，当频率较低时，电阻成分起主要作用；而频率较高时，电感的感抗部分起了主要作用。由于导体阻抗的特性，在频率较高时增加导体的截面积并不能明显的降低导体的阻抗，但可以通过缩短导体的长度来降低高频阻抗。从参考文献中查阅到100cm长，直径0.65mm的导线，在1KHz频率下的阻抗约为53.9。

电路中所有的电流流回电源的路径就是地线。实际上地线总存在着电阻抗，当电流流过地线时，就会产生电压降。当两个电路共用一段地线时，在地线阻抗上产生的电压降就是一个额外的信号源，通过公共地线阻抗耦合到另一个电路中。如图1所示，地线的电位会受到每个电路工作状态的影响，随着连接到地线上电路的工作状态而变化。由于各个电路是以其地线电位为参考基准的，参考基准发生变化会导致电路工作异常。

光电传感器和压力传感器存在着公共地线，光电传感器中的红外发射管的工作电流（约为20mA）一直存在，而光电接收器受到环境光照影响，其工作电流是一个随机数。光电传感器在探头电缆公共地线阻抗上产生了电压降，叠加到压力传感器这个信号源上，通过放大在显示屏上呈现干扰波形。

2 改进措施

因压力传感器检测的是微弱信号，这种干扰电压会给脉搏测量带来非常不利的影响。目前脉象探头采用的接地方式为串联单点接地，为了减弱这种干扰，改用串并联混合单点接地。这种接地方式是将电路按照特性分组，相互之间不容易发生干扰的电路放在同一组，而相互之间容易发生干扰的电路放在不同的组。每个组内采用串联单点接地，以获得最简单的地线结构；不同组之间采用并联单点接地，避免相互之间产生干扰。采用混合串并联单点接地的关键，是不能将功率相差很大的电路或噪声电平相差很大的电路放在同一组内共用一段地线。

3 测试结果

采用混合串并联单点接地方式后的脉象探头电路如图2所示。将光电传感器和压力传感器分为两组，分别采用单独供电和并联单点接地。在各个组内，光电传感器、压力传感器与其信号调理放大器分别采用串联单点接地。在PCB设计上选用多层电路板，增加地平面层，以尽量减少信号电流回路围成的区域面积。脉象探头电路的接地方式经过改进后，脉象采集仪计算机显示屏在待采集状态时显示一条水平直线，使用示波器测量调理放大电路输出的波形幅度，其纹波干扰信号约为30～35mV，达到脉象采集仪的电路设计要求。

4 结束语

地线是所有电流回路的公共通道，因导线阻抗的存在，电路的接地方式直接影响电气设备的工作稳定性。特别是在微弱信号检测电路中，探头电缆的接地方式应根据电路特性，选择的适当接地方式。