輸入阻抗的測試原理與方法

前言

輸入阻抗是影響心電圖機精準度的重要規格，也因此每臺心電圖機都必須測試輸入阻抗。本篇會介紹輸入阻抗的原理，并以實例算出心電圖機輸入阻抗的數值；此外，輸入阻抗與 CMRR 也有關聯，在此也會加以說明。

輸入阻抗測試原理

從電路學的角度來看人體組成，可將人體模擬成等效的電阻、電容電路；而輸入阻抗的測試目的，便是當心電圖機透過電極接觸到人體時，可以將最大的電壓耦合心電圖機，進而確保心電圖機的測量精準度。

輸入阻抗測試的原理是將信號源信號直接輸出到心電圖機，然后測量心電圖機上對應導程波形的電壓 V，接下來在信號源和心電圖機間經過一組并聯線路（620KΩ 并聯 47nF），再測量心電圖機上對應導程波形的電壓 Vi。在 IEC60601-2-25 / 27（YY 0782 / 1079 / 1139）中，輸入阻抗的要求為至少 2.5MΩ。Vi 和 V 的電壓差異要在 20% 以內；而 IEC60601-2-47（YY 0885）中則要求，輸入阻抗至少要 10MΩ，因此要求 Vi 和 V 的電壓差異要在 6% 以內。

圖1、測試線路示意圖（未加并聯線路），V 是心電圖機上對應導程波形的電壓

圖1 為未加測試輸入阻抗并聯線路的示意圖；圖中左側有一測試信號源，其電壓大小為 V，在不加并聯線路時，假設心電圖機上對應導程波形的電壓測量值也是 V。

下圖為加入并聯線路示意圖。其在中間加了 620K? 電阻并聯 4.7nF 電容的并聯線路，在加入并聯線路后，假設心電圖機上對應導程波形的電壓測量值變為 Vi。

圖2、測試線路示意圖（加入并聯線路），Vi 是心電圖機上對應導程波形的電壓

依據分壓原理：Vi=Zi/( Z+Zi )*V → Vi*(Z+Zi)=Zi*V → Vi*Z=Zi*(V-Vi)

故可得 Zi 與 Z 的關系式：Zi = Vi/( V-Vi )*Z ------------- (1)

接下來將說明如何從 (1) 式推得標準要求的 2.5M? 跟 10M?。在 IEC60601-2-25 / 27（YY 0782 / 1079 / 1139）中，Vi 和 V 的電壓差要在 20% 以內，也就是 ，將代入 (1) 式中得 ，Z 為 620K? 電阻并聯 4.7nF 電容。

在實際狀況中，Z 含有 4.7nF 電容，Zi 含有電極線的電容，兩者的容抗皆會隨著頻率而變化，也因此標準要求測試 0.67Hz 及 40Hz 兩個頻率；若是以純阻抗來表示輸入阻抗，因此忽略 Z 與 Zi 的容抗，則輸入阻抗 ；此結果與 IEC60601-2-25 / 27（YY 0782 / 1079 / 1139）要求相符。

IEC60601-2-47（YY 0885）則要求 Vi 和 V 的電壓差異要在 6% 以內，也就是，將代入 (1) 式中得，此結果與 IEC60601-2-47（YY 0885）要求的相符。

輸入阻抗測試方法

1. 測試環境設置

開始測試前，需先將測試環境架設好；由于環境中的市電頻率（50 / 60Hz）噪聲會透過輻射或大地的回路來干擾測試，因此如何避免這些噪聲影響測試結果，是測試前重要的準備工作。圖3 是使用鯨揚科技的單道測試儀「SECG 4.0」來測試一臺 12 導心電圖機的測試系統圖。

圖3、測試系統圖

測試時，首先需注意 SECG 4.0 及待測設備是否共地。建議做法便是將整個測試系統（包含 SECG4.0 及待測設備）共地到一片獨立（不可接其他系統的地或大地）的金屬板上，此金屬板建議大小為 60 公分 x 100 公分（或更大）；此做法有以下三個優點：(1) 整個測試系統共地 (2) 測試系統與其他系統地噪聲隔離 (3) 金屬板會吸收測試系統噪聲的能量。若待測設備沒有可接出的地線，這時待測設備輸入端為浮接（floating）的狀態；此時可以讓 SECG 4.0 地線單獨接至金屬板上。

圖中的測試計算機經過變壓器連接至插座上，此時若將計算機直接放置至金屬板上，市電噪聲便會進入測試系統，也因此測試計算機需放置至金屬板外，僅以 USB 連接至 SECG 4.0（或待測設備）上，以免影響測試結果。

2. 輸入阻抗測試實例

以下為 IEC60601-2-25（YY 0782）的測試實例及其步驟：

 (1) 架設好測試環境后，開啟 SECG 4.0 測試軟件

 (2) 選擇正弦波（3mV，0.67Hz）

 (3) 輸出信號至 RA 上，測量導程 II 輸出電壓為 Vref = 2.5mV，如圖4

圖4、導程 II 波形（未加 620kΩ / 4.7nF）

 (4) 加入并聯電路 620KΩ / 4.7nF

 (5) 設定直流偏壓為 300mV，然后測量導程 II 輸出電壓 Vpp = 2.4mV（下段詳細說明），如圖5

圖5、導程 II 波形（加 620kΩ / 4.7nF 及 300mV 直流偏壓）

 (6) 設定直流偏壓為 -300mV，然后測量導程 II 輸出電壓 Vpp = 2.4mV，如圖6

圖6、導程 II 波形（加 620kΩ / 4.7nF 及 -300mV 直流偏壓）

 (7) 調整輸出頻率為 40Hz（正弦波，3mV，40Hz）

 (8) 測量導程 II 輸出電壓為 Vref = 2.8mV，如圖7

圖7、導程 II 波形（40Hz，未加 620kΩ / 4.7nF）

 (9) 加入并聯電路 620KΩ / 4.7nF

 (10) 設定直流偏壓為 300mV，然后測量導程 II 輸出電壓 Vpp =2.5mV，如圖8

圖8、導程 II 波形（40Hz，加 620kΩ / 4.7nF 及 300mV 直流偏壓）

 (11) 設定直流偏壓為 -300mV，然后測量導程 II 輸出電壓 Vpp = 2.5mV

圖9、導程 II 波形（40Hz，加 620kΩ / 4.7nF 及 -300mV 直流偏壓）

 (12) 重復步驟 3 至步驟 11，但依次調整輸出電極為 LA / LL / V1 ~ V6，對應的測量導程為導程 I / III / V1 ~ V6

3. 計算心電圖機的輸入阻抗

由圖4 到圖9，可以算出不同頻率時心電圖機輸入阻抗的估計值。

 (1) 在 67Hz 時：

圖4 為待測心電圖機在 3mV, 0.67Hz 正弦波的測試結果，取其導程 II 為 Vref=2.5mV。圖5、圖6 分別為加入并聯電路及 +300mV、-300mV 的測試結果，導程 II 為 Vpp=2.4mV。

若仔細觀測圖5 的波形，可以看到 0.67Hz 正弦波上有一個 60Hz 的干擾噪聲，這是由于加入 620KΩ / 4.7nF 并聯電路后造成心電圖機不平衡的輸入，因而環境的 60Hz 噪聲被心電圖機引入，放大顯示出來，要減小外界環境的 60Hz 干擾噪聲必須確實接上金屬片，或增加心電圖機的 CMRR 值，這點會在后面再詳細討論。

若是噪聲無法wan全消除，Vpp 值的計算就必須避開噪聲的影響，圖10 中需要取上下噪聲的平均值后再計算 Vpp 值，因此 Vpp = 2.4mV，而不是 2.55mV。相同的方法用在圖8 的 40Hz 信號上。

圖10、加并聯電路產生的 60Hz 干擾噪聲，需要取上下噪聲的平均值后再計算 Vpp 值

由 (1) 式  Zi=Vi/( V-Vi )*Z=2.4/(2.5-2.4)*620kΩ=14880kΩ=14.88MΩ

輸入阻抗約為 14.88MΩ

 (2) 在 40Hz 時：

圖7 為待測心電圖機在 3mV, 40Hz 正弦波的測試結果，取其導程 II 電壓為 Vref=2.8mV。圖8、圖9 分別為加入并聯電路及 +300mV、-300mV 的測試結果，其導程 II 為 Vpp=2.5mV。

由 (1) 式  Zi=Vi/( V-Vi )*Z=2.5/(2.8-2.5)*620kΩ=5166kΩ=5.16MΩ

輸入阻抗約為 5.16MΩ

輸入阻抗與 CMRR 的關聯

CMRR（共模抑制比，Common Mode Rejection Ratio）為抑制 50 / 60Hz 環境噪聲的能力。在 CMRR 不平衡測試中，會加入 51KΩ 并聯 47nF 來模擬電極皮膚阻抗線路，且在加入此并聯電路后 CMRR 測試結果仍需符合標準要求；620KΩ / 4.7nF 并聯電路的加入會和 CMRR 不平衡測試結果相似，因此心電圖機的 CMRR 值越優，加入 620KΩ / 4.7nF 并聯電路測試輸入阻抗時 50 / 60Hz 噪聲的干擾越小。

在 CMRR 不平衡測試中，加入并聯阻抗后差異越小，代表心電圖機抑制 50 / 60Hz 環境噪聲越好；在輸入阻抗測試中，加入并聯阻抗后差異越小代表心電圖機輸入阻抗越大，越能完整地將測試信號耦合輸入心電圖機。因此，CMRR 不平衡測試時值越優，測試輸入阻抗時受到的干擾越小。

結語

心電圖設備中輸入阻抗的規格，影響到實際測試人體時的電壓精準度，心電圖機的輸入阻抗越高測試時所受的人體影響越??；此外，相同心電設備在不同頻率其輸入阻抗會不同，因此標準會在不同頻率下測試輸入阻抗。另外，CMRR 與輸入阻抗的相關聯，也造成輸入阻抗較好，CMRR 通常也較好。

SECG 4.0 是一臺可以wan全符合各類心電標準要求的性能測試儀器（CMRR 和系統噪聲除外），除了標準信號源外還包含了 620KΩ / 4.7nF 并聯電路和 ± 300mV 直流電壓的疊加線路，使得輸入阻抗的測試更方便和準確。

參考數據

1. IEC 心電標準 IEC60601-2-25:2011、IEC60601-2-27:2011、IEC60601-2-47:2012。

2. 中國心電標準 YY0782-2010、YY1079-2008、YY0885-2013、YY1139-2013。

3.  Application Note「CMRR 測試原理和方法」。