输入阻抗的测试原理与方法
前言
输入阻抗是影响心电图机精准度的重要规格，也因此每台心电图机都必须测试输入阻抗。本篇会介绍输入阻抗的原理，并以实例算出心电图机输入阻抗的数值；此外，输入阻抗与 cmrr 也有关联，在此也会加以说明。
输入阻抗测试原理
从电路学的角度来看人体组成，可将人体模拟成等效的电阻、电容电路；而输入阻抗的测试目的，便是当心电图机透过电极接触到人体时，可以将最大的电压耦合心电图机，进而确保心电图机的测量精准度。
输入阻抗测试的原理是将信号源信号直接输出到心电图机，然后测量心电图机上对应导程波形的电压 v，接下来在信号源和心电图机间经过一组并联线路（620kω 并联 47nf），再测量心电图机上对应导程波形的电压 vi。在 iec60601-2-25 / 27（yy 0782 / 1079 / 1139）中，输入阻抗的要求为至少 2.5mω。vi 和 v 的电压差异要在 20% 以内；而 iec60601-2-47（yy 0885）中则要求，输入阻抗至少要 10mω，因此要求 vi 和 v 的电压差异要在 6% 以内。
图1、测试线路示意图（未加并联线路），v 是心电图机上对应导程波形的电压
图1 为未加测试输入阻抗并联线路的示意图；图中左侧有一测试信号源，其电压大小为 v，在不加并联线路时，假设心电图机上对应导程波形的电压测量值也是 v。
下图为加入并联线路示意图。其在中间加了 620kΩ 电阻并联 4.7nf 电容的并联线路，在加入并联线路后，假设心电图机上对应导程波形的电压测量值变为 vi。
图2、测试线路示意图（加入并联线路），vi 是心电图机上对应导程波形的电压
依据分压原理：vi=zi/( z+zi )*v → vi*(z+zi)=zi*v → vi*z=zi*(v-vi)
故可得 zi 与 z 的关系式：zi = vi/( v-vi )*z ------------- (1)
接下来将说明如何从 (1) 式推得标准要求的 2.5mΩ 跟 10mΩ。在 iec60601-2-25 / 27（yy 0782 / 1079 / 1139）中，vi 和 v 的电压差要在 20% 以内，也就是 ，将代入 (1) 式中得 ，z 为 620kΩ 电阻并联 4.7nf 电容。
在实际状况中，z 含有 4.7nf 电容，zi 含有电极线的电容，两者的容抗皆会随着频率而变化，也因此标准要求测试 0.67hz 及 40hz 两个频率；若是以纯阻抗来表示输入阻抗，因此忽略 z 与 zi 的容抗，则输入阻抗 ；此结果与 iec60601-2-25 / 27（yy 0782 / 1079 / 1139）要求相符。
iec60601-2-47（yy 0885）则要求 vi 和 v 的电压差异要在 6% 以内，也就是，将代入 (1) 式中得，此结果与 iec60601-2-47（yy 0885）要求的相符。
输入阻抗测试方法
1.测试环境设置
开始测试前，需先将测试环境架设好；由于环境中的市电频率（50 / 60hz）噪声会透过辐射或大地的回路来干扰测试，因此如何避免这些噪声影响测试结果，是测试前重要的准备工作。图3 是使用鲸扬科技的单道测试仪「secg 4.0」来测试一台 12 导心电图机的测试系统图。
图3、测试系统图
测试时，首先需注意 secg 4.0 及待测设备是否共地。建议做法便是将整个测试系统（包含 secg4.0 及待测设备）共地到一片独立（不可接其他系统的地或大地）的金属板上，此金属板建议大小为 60 公分 x 100 公分（或更大）；此做法有以下三个优点：(1) 整个测试系统共地 (2) 测试系统与其他系统地噪声隔离 (3) 金属板会吸收测试系统噪声的能量。若待测设备没有可接出的地线，这时待测设备输入端为浮接（floating）的状态；此时可以让 secg 4.0 地线单独接至金属板上。
图中的测试计算机经过变压器连接至插座上，此时若将计算机直接放置至金属板上，市电噪声便会进入测试系统，也因此测试计算机需放置至金属板外，仅以 usb 连接至 secg 4.0（或待测设备）上，以免影响测试结果。
2. 输入阻抗测试实例
以下为 iec60601-2-25（yy 0782）的测试实例及其步骤：
(1) 架设好测试环境后，开启 secg 4.0 测试软件
(2)选择正弦波（3mv，0.67hz）
(3) 输出信号至 ra 上，测量导程 ii 输出电压为 vref = 2.5mv，如图4
图4、导程 ii 波形（未加 620kω / 4.7nf）
(4) 加入并联电路 620kω / 4.7nf
(5) 设定直流偏压为 300mv，然后测量导程 ii 输出电压 vpp = 2.4mv（下段详细说明），如图5
图5、导程 ii 波形（加 620kω / 4.7nf 及 300mv 直流偏压）
(6) 设定直流偏压为 -300mv，然后测量导程 ii 输出电压 vpp = 2.4mv，如图6
图6、导程 ii 波形（加 620kω / 4.7nf 及 -300mv 直流偏压）
(7) 调整输出频率为 40hz（正弦波，3mv，40hz）
(8)测量导程 ii 输出电压为 vref = 2.8mv，如图7
图7、导程 ii 波形（40hz，未加 620kω / 4.7nf）
(9) 加入并联电路 620kω / 4.7nf
(10) 设定直流偏压为 300mv，然后测量导程 ii 输出电压 vpp =2.5mv，如图8
图8、导程 ii 波形（40hz，加 620kω / 4.7nf 及 300mv 直流偏压）
(11) 设定直流偏压为 -300mv，然后测量导程 ii 输出电压 vpp = 2.5mv
图9、导程 ii 波形（40hz，加 620kω / 4.7nf 及 -300mv 直流偏压）
(12) 重复步骤 3 至步骤 11，但依次调整输出电极为 la / ll / v1 ~ v6，对应的测量导程为导程 i / iii / v1 ~ v6
3. 计算心电图机的输入阻抗
由图4 到图9，可以算出不同频率时心电图机输入阻抗的估计值。
(1) 在 67hz 时：
图4 为待测心电图机在 3mv, 0.67hz 正弦波的测试结果，取其导程 ii 为 vref=2.5mv。图5、图6 分别为加入并联电路及 +300mv、-300mv 的测试结果，导程 ii 为 vpp=2.4mv。
若仔细观测图5 的波形，可以看到 0.67hz 正弦波上有一个 60hz 的干扰噪声，这是由于加入 620kω / 4.7nf 并联电路后造成心电图机不平衡的输入，因而环境的 60hz 噪声被心电图机引入，放大显示出来，要减小外界环境的 60hz 干扰噪声必须确实接上金属片，或增加心电图机的 cmrr 值，这点会在后面再详细讨论。
若是噪声无法wan全消除，vpp 值的计算就必须避开噪声的影响，图10 中需要取上下噪声的平均值后再计算 vpp 值，因此 vpp = 2.4mv，而不是 2.55mv。相同的方法用在图8 的 40hz 信号上。
图10、加并联电路产生的 60hz 干扰噪声，需要取上下噪声的平均值后再计算 vpp 值
由 (1) 式zi=vi/( v-vi )*z=2.4/(2.5-2.4)*620kω=14880kω=14.88mω
输入阻抗约为 14.88mω
(2) 在 40hz 时：
图7 为待测心电图机在 3mv, 40hz 正弦波的测试结果，取其导程 ii 电压为 vref=2.8mv。图8、图9 分别为加入并联电路及 +300mv、-300mv 的测试结果，其导程 ii 为 vpp=2.5mv。由 (1) 式zi=vi/( v-vi )*z=2.5/(2.8-2.5)*620kω=5166kω=5.16mω
输入阻抗约为 5.16mω
输入阻抗与 cmrr 的关联
cmrr（共模抑制比，common mode rejection ratio）为抑制 50 / 60hz 环境噪声的能力。在 cmrr 不平衡测试中，会加入 51kω 并联 47nf 来模拟电极皮肤阻抗线路，且在加入此并联电路后 cmrr 测试结果仍需符合标准要求；620kω / 4.7nf 并联电路的加入会和 cmrr 不平衡测试结果相似，因此心电图机的 cmrr 值越优，加入 620kω / 4.7nf 并联电路测试输入阻抗时 50 / 60hz 噪声的干扰越小。
在 cmrr 不平衡测试中，加入并联阻抗后差异越小，代表心电图机抑制 50 / 60hz 环境噪声越好；在输入阻抗测试中，加入并联阻抗后差异越小代表心电图机输入阻抗越大，越能完整地将测试信号耦合输入心电图机。因此，cmrr 不平衡测试时值越优，测试输入阻抗时受到的干扰越小。
结语
心电图设备中输入阻抗的规格，影响到实际测试人体时的电压精准度，心电图机的输入阻抗越高测试时所受的人体影响越小；此外，相同心电设备在不同频率其输入阻抗会不同，因此标准会在不同频率下测试输入阻抗。另外，cmrr 与输入阻抗的相关联，也造成输入阻抗较好，cmrr 通常也较好。
secg 4.0 是一台可以wan全符合各类心电标准要求的性能测试仪器（cmrr 和系统噪声除外），除了标准信号源外还包含了 620kω / 4.7nf 并联电路和 ± 300mv 直流电压的叠加线路，使得输入阻抗的测试更方便和准确。
参考数据
1. iec 心电标准 iec60601-2-25:2011、iec60601-2-27:2011、iec60601-2-47:2012。
2. 中国心电标准 yy0782-2010、yy1079-2008、yy0885-2013、yy1139-2013。
3. application note「cmrr 测试原理和方法」。
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输入阻抗测试原理
从电路学的角度来看人体组成，可将人体模拟成等效的电阻、电容电路；而输入阻抗的测试目的，便是当心电图机透过电极接触到人体时，可以将最大的电压耦合心电图机，进而确保心电图机的测量精准度。
输入阻抗测试的原理是将信号源信号直接输出到心电图机，然后测量心电图机上对应导程波形的电压 v，接下来在信号源和心电图机间经过一组并联线路（620kω 并联 47nf），再测量心电图机上对应导程波形的电压 vi。在 iec60601-2-25 / 27（yy 0782 / 1079 / 1139）中，输入阻抗的要求为至少 2.5mω。vi 和 v 的电压差异要在 20% 以内；而 iec60601-2-47（yy 0885）中则要求，输入阻抗至少要 10mω，因此要求 vi 和 v 的电压差异要在 6% 以内。
图1、测试线路示意图（未加并联线路），v 是心电图机上对应导程波形的电压
图1 为未加测试输入阻抗并联线路的示意图；图中左侧有一测试信号源，其电压大小为 v，在不加并联线路时，假设心电图机上对应导程波形的电压测量值也是 v。
下图为加入并联线路示意图。其在中间加了 620kΩ 电阻并联 4.7nf 电容的并联线路，在加入并联线路后，假设心电图机上对应导程波形的电压测量值变为 vi。
图2、测试线路示意图（加入并联线路），vi 是心电图机上对应导程波形的电压
依据分压原理：vi=zi/( z+zi )*v → vi*(z+zi)=zi*v → vi*z=zi*(v-vi)
故可得 zi 与 z 的关系式：zi = vi/( v-vi )*z ------------- (1)
接下来将说明如何从 (1) 式推得标准要求的 2.5mΩ 跟 10mΩ。在 iec60601-2-25 / 27（yy 0782 / 1079 / 1139）中，vi 和 v 的电压差要在 20% 以内，也就是 ，将代入 (1) 式中得 ，z 为 620kΩ 电阻并联 4.7nf 电容。
在实际状况中，z 含有 4.7nf 电容，zi 含有电极线的电容，两者的容抗皆会随着频率而变化，也因此标准要求测试 0.67hz 及 40hz 两个频率；若是以纯阻抗来表示输入阻抗，因此忽略 z 与 zi 的容抗，则输入阻抗 ；此结果与 iec60601-2-25 / 27（yy 0782 / 1079 / 1139）要求相符。
iec60601-2-47（yy 0885）则要求 vi 和 v 的电压差异要在 6% 以内，也就是，将代入 (1) 式中得，此结果与 iec60601-2-47（yy 0885）要求的相符。
输入阻抗测试方法
1.测试环境设置
开始测试前，需先将测试环境架设好；由于环境中的市电频率（50 / 60hz）噪声会透过辐射或大地的回路来干扰测试，因此如何避免这些噪声影响测试结果，是测试前重要的准备工作。图3 是使用鲸扬科技的单道测试仪「secg 4.0」来测试一台 12 导心电图机的测试系统图。
图3、测试系统图
测试时，首先需注意 secg 4.0 及待测设备是否共地。建议做法便是将整个测试系统（包含 secg4.0 及待测设备）共地到一片独立（不可接其他系统的地或大地）的金属板上，此金属板建议大小为 60 公分 x 100 公分（或更大）；此做法有以下三个优点：(1) 整个测试系统共地 (2) 测试系统与其他系统地噪声隔离 (3) 金属板会吸收测试系统噪声的能量。若待测设备没有可接出的地线，这时待测设备输入端为浮接（floating）的状态；此时可以让 secg 4.0 地线单独接至金属板上。
图中的测试计算机经过变压器连接至插座上，此时若将计算机直接放置至金属板上，市电噪声便会进入测试系统，也因此测试计算机需放置至金属板外，仅以 usb 连接至 secg 4.0（或待测设备）上，以免影响测试结果。
2. 输入阻抗测试实例
以下为 iec60601-2-25（yy 0782）的测试实例及其步骤：
(1) 架设好测试环境后，开启 secg 4.0 测试软件
(2)选择正弦波（3mv，0.67hz）
(3) 输出信号至 ra 上，测量导程 ii 输出电压为 vref = 2.5mv，如图4
图4、导程 ii 波形（未加 620kω / 4.7nf）
(4) 加入并联电路 620kω / 4.7nf
(5) 设定直流偏压为 300mv，然后测量导程 ii 输出电压 vpp = 2.4mv（下段详细说明），如图5
图5、导程 ii 波形（加 620kω / 4.7nf 及 300mv 直流偏压）
(6) 设定直流偏压为 -300mv，然后测量导程 ii 输出电压 vpp = 2.4mv，如图6
图6、导程 ii 波形（加 620kω / 4.7nf 及 -300mv 直流偏压）
(7) 调整输出频率为 40hz（正弦波，3mv，40hz）
(8)测量导程 ii 输出电压为 vref = 2.8mv，如图7
图7、导程 ii 波形（40hz，未加 620kω / 4.7nf）
(9) 加入并联电路 620kω / 4.7nf
(10) 设定直流偏压为 300mv，然后测量导程 ii 输出电压 vpp =2.5mv，如图8
图8、导程 ii 波形（40hz，加 620kω / 4.7nf 及 300mv 直流偏压）
(11) 设定直流偏压为 -300mv，然后测量导程 ii 输出电压 vpp = 2.5mv
图9、导程 ii 波形（40hz，加 620kω / 4.7nf 及 -300mv 直流偏压）
(12) 重复步骤 3 至步骤 11，但依次调整输出电极为 la / ll / v1 ~ v6，对应的测量导程为导程 i / iii / v1 ~ v6
3. 计算心电图机的输入阻抗
由图4 到图9，可以算出不同频率时心电图机输入阻抗的估计值。
(1) 在 67hz 时：
图4 为待测心电图机在 3mv, 0.67hz 正弦波的测试结果，取其导程 ii 为 vref=2.5mv。图5、图6 分别为加入并联电路及 +300mv、-300mv 的测试结果，导程 ii 为 vpp=2.4mv。
若仔细观测图5 的波形，可以看到 0.67hz 正弦波上有一个 60hz 的干扰噪声，这是由于加入 620kω / 4.7nf 并联电路后造成心电图机不平衡的输入，因而环境的 60hz 噪声被心电图机引入，放大显示出来，要减小外界环境的 60hz 干扰噪声必须确实接上金属片，或增加心电图机的 cmrr 值，这点会在后面再详细讨论。
若是噪声无法wan全消除，vpp 值的计算就必须避开噪声的影响，图10 中需要取上下噪声的平均值后再计算 vpp 值，因此 vpp = 2.4mv，而不是 2.55mv。相同的方法用在图8 的 40hz 信号上。
图10、加并联电路产生的 60hz 干扰噪声，需要取上下噪声的平均值后再计算 vpp 值
由 (1) 式zi=vi/( v-vi )*z=2.4/(2.5-2.4)*620kω=14880kω=14.88mω
输入阻抗约为 14.88mω
(2) 在 40hz 时：
图7 为待测心电图机在 3mv, 40hz 正弦波的测试结果，取其导程 ii 电压为 vref=2.8mv。图8、图9 分别为加入并联电路及 +300mv、-300mv 的测试结果，其导程 ii 为 vpp=2.5mv。由 (1) 式zi=vi/( v-vi )*z=2.5/(2.8-2.5)*620kω=5166kω=5.16mω
输入阻抗约为 5.16mω
输入阻抗与 cmrr 的关联
cmrr（共模抑制比，common mode rejection ratio）为抑制 50 / 60hz 环境噪声的能力。在 cmrr 不平衡测试中，会加入 51kω 并联 47nf 来模拟电极皮肤阻抗线路，且在加入此并联电路后 cmrr 测试结果仍需符合标准要求；620kω / 4.7nf 并联电路的加入会和 cmrr 不平衡测试结果相似，因此心电图机的 cmrr 值越优，加入 620kω / 4.7nf 并联电路测试输入阻抗时 50 / 60hz 噪声的干扰越小。
在 cmrr 不平衡测试中，加入并联阻抗后差异越小，代表心电图机抑制 50 / 60hz 环境噪声越好；在输入阻抗测试中，加入并联阻抗后差异越小代表心电图机输入阻抗越大，越能完整地将测试信号耦合输入心电图机。因此，cmrr 不平衡测试时值越优，测试输入阻抗时受到的干扰越小。
结语
心电图设备中输入阻抗的规格，影响到实际测试人体时的电压精准度，心电图机的输入阻抗越高测试时所受的人体影响越小；此外，相同心电设备在不同频率其输入阻抗会不同，因此标准会在不同频率下测试输入阻抗。另外，cmrr 与输入阻抗的相关联，也造成输入阻抗较好，cmrr 通常也较好。
secg 4.0 是一台可以wan全符合各类心电标准要求的性能测试仪器（cmrr 和系统噪声除外），除了标准信号源外还包含了 620kω / 4.7nf 并联电路和 ± 300mv 直流电压的叠加线路，使得输入阻抗的测试更方便和准确。
参考数据
1. iec 心电标准 iec60601-2-25:2011、iec60601-2-27:2011、iec60601-2-47:2012。
2. 中国心电标准 yy0782-2010、yy1079-2008、yy0885-2013、yy1139-2013。
3. application note「cmrr 测试原理和方法」。
DLMA-TL115型钢制拖链安装尺寸图
橡胶制品阿克隆磨耗试验机
日本进口色彩评价用LED人工太阳照明灯的特点
喷泉曝气机的优点
WZP-230热电阻的测量精度怎样才能更准
输入阻抗的测试原理与方法
《模组式动态汽车衡》团体标准征求意见
Y42X弹簧活塞式减压阀带双压力表的技术原理和参数分析
铁牛集团范宏伟关于卸料门油缸技术支持回复
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