使用心電圖機測量待測者的心電圖時，常會因為待測者身上的市電訊號干擾，造成心電圖上的50/60Hz雜訊增加，這可能會影響醫生正確判讀心電圖波形所代表的心臟疾病。因此，如何在市電干擾嚴重的環境下，正確無誤的測量心電圖，成為一項嚴峻的挑戰。

另外，身體的不同位置可能存在不同的直流電壓差，兩位置間(例如：左手、右手間)的直流電壓差可達300mV、甚至1000mV。而心電訊號的電壓範圍一般介於0.5mV到3mV之間，因此如何避免這些數百mV的DC訊號干擾正常心電訊號，又是另一種挑戰。

在醫療測試標準中，共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio；CMRR)的測試目的，就是為了確保心電圖機在上述的50/60Hz干擾和DC偏移的情形下，仍然可以正常的顯示心電圖，以利醫生做正確的判讀。本文將詳細介紹CMRR測試的原理和方法。

CMRR測試原理

測試線路

依據三項心電圖機測試標準中所規定的測試線路圖，如圖1：

圖1：CMRR測試線路圖

圖1左側的訊號產生器用於產生市電頻率的訊號，其模擬的就是干擾待測者身上的市電訊號，旁邊經過一個由C1、Ct、Cx並聯组成的共200pF線路到B點(共模點)，這200pF電容模擬的就是人體對地的容抗。圖中兩個封閉虛線，分別代表標準要求的線路金屬內外屏蔽，由於兩塊金屬片之間會有雜散電容Cx，並且這個Cx電容值會隨不同CMRR測試設備而不同，因此使用一個可調電容Ct使得Cx+Ct=100 pF，再加上C1得200pF。由於C1=100 pF，和Cx+Ct的100 pF剛好形成一半的分壓，因此Ct調到適當的值之後，B點電壓Vc會剛好是訊號產生器輸出電壓Vs的一半，也就是Vc=0.5Vs。

之後是S0開關，所有CMRR測試S0都是閉合的，只有雜訊電平測試時才打開。S0開關之後，所有待測心電圖機的電極線都串接一個51KΩ並聯47nF的模擬電極皮膚阻抗線路。除了N(RL)電極外，由S1到Sn開關控制各電極是否串接這個阻抗線路。另外待測電極，圖1的例子待測電極是R(RA)電極，可由S_DC開關控制是否有±300mV直流偏置電壓的疊加，此±300mV便是在模擬人體不同位置間的直流電壓差。

測試重點

CMRR的測試，除了IEC60601-2-47 (中國對應標準：YY 0885)移動式心電圖機部分要多測兩倍電源頻率外，所有標準中的測試方法幾乎相同，只是測試電壓，串接電極皮膚阻抗線路的方式和通過準則有些差異；另外，測試前，待測裝置50/60Hz頻率的陷波器(Notch Filter)必須關閉。

CMRR測試主要包含下面5項重點：

1. 設置訊號源電壓(Vs)：心電標準IEC60601-2-25/27 (YY 0782/1079/1139)要求20Vrms電源頻率訊號電壓(Vs)，IEC60601-2-47 (YY 0885)要求Vs = 8Vp-v (2.828Vrms)電源頻率和Vs = 1.422 Vp-v (0.502Vrms)兩倍電源頻率。腦電標準IEC60601-2-26則要求2Vrms電源頻率訊號電壓(Vs)。
2. 調整共模電壓Vc：在不接任何待測設備電極線的設置下，調整可調電容Ct直到共模點電壓值(Vc)為電源頻率訊號電壓值(Vs)的一半，即Vc=0.5Vs。這個步驟主要是確定Ct + Cx=100 pF。
3. 平衡測試：接上待測設備的所有電極線，先做平衡測試，依標準規定設置，S1到Sn全開或全閉，然後測量心電圖機上所有導聯波形幅度。由於所有電極線設置都相同，故稱為平衡測試。
4. 不平衡測試：依標準規定設置，一次一個開關，逐次開或閉待測電極的Sn開關，其餘Sn開關的開閉和待測電極的Sn開關相反。譬如當S1開關打開時，其餘S2~Sn開關閉合， S1開關所連接電極線稱為待測電極線，因為和其他電極線設置不同故稱此測試為不平衡測試。測量所有導聯波形幅度。
5. 疊加±300mV直流偏置電壓：在待測電極線上疊加±300mV直流偏置電壓，測量所有導聯波形幅度。

所有導聯波形幅度通過的準則IEC60601-2-25/27 (YY 0782/1079/1139)不超過10mmp-v (1mVp-v)，IEC60601-2-47 (YY 0885)不超過4mVp-v，IEC60601-2-26不超過0.1mVp-v。
依照上述，那麼多少dB的CMRR值才能通過標準呢？首先，CMRR dB值的公式為：

其中V_out為待測心電圖機上的導聯振幅值，V_in為CMRR測試儀器的共模電壓Vc。以IEC60601-2-25/27來說，V_out不超過10mmp-v (1 mVp-v)，V_in為共模點的電壓值10Vrms，所以通過IEC60601-2-25/27所需的CMRR值(最大)為：

依相同方式推算，IEC60601-2-47在電源頻率時所需的CMRR值為-60dB，兩倍電源頻率時CMRR值為-45dB；IEC60601-2-26所需的CMRR值則為-89dB。但由於心電、腦電標準皆需做不平衡測試(上述第4項)，此不平衡電路會在差動放大器前產生些微的電壓差，此時原來的共模訊號變成微小的差模訊號，經過差動放大器放大後輸出電壓會比平衡測試時更大些，但仍然要符合標準的要求。

CMRR測試方法

測試環境設置

開始測試CMRR時，首先要注意的是測試環境；由於環境中的市電頻率(50/60Hz)雜訊會透過輻射或大地的迴路而干擾測試，因此如何避免這些雜訊影響測試結果，是測試前重要的準備工作。圖2使用鯨揚科技的CMRR測試儀CMRR 3.0+測試一台12導心電圖機的測試系統圖。

圖2：CMRR測試系統圖

測試時，首先需注意CMRR 3.0+及待測設備是否共地。建議做法便是將整個測試系統(包含CMRR 3.0+及待測設備)共地到一片獨立的(不可接其他系統的地或大地)金屬板上，此金屬板建議大小為60cm X 100cm(或更大)。此做法的優點在於(1)整個測試系統共地；(2)測試系統獨立；(3)金屬板會吸收測試系統雜訊的能量。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CMRR 3.0+地線單獨接至金屬板上。

圖3為平衡測試CMRR 3.0+和心電圖機都沒有接至金屬板的測試結果。可以看到所有導聯輸出的訊號，因為市電頻率(50/60Hz)雜訊的干擾，會隨時間做不規則變化，也就是無法確定輸出訊號的大小，因而無法得到確定的結果。

圖3：測試系統無共地至金屬板上

CMRR測試實例

以下為IEC60601-2-25/27的測試實例及其步驟：

1. 關閉待測裝置的50/60 Hz頻率的陷波器

2. 先不連接所有的電極線到CMRR 3.0+上

3. 設置訊號源電壓Vs，IEC60601-2-25/27需選擇Supply Voltage為20Vrms

4. 選擇Frequency為50或60Hz

5. 調整共模電壓Vc : 調整面板上的Ct (Adjustable Capacitor) 直到Vc為~10Vrms

   

圖4：調整Vc電壓至Vs電壓的一半

6. 連接所有電極線到CMRR 3.0+上
7. 平衡測試：選擇Electrode with Impedance為None (S1到Sn全閉)
8. 調整DC Offset為Off
9. 測量ECG上所有導程輸出至少15秒 (最大輸出導聯I ~ 0.1mm)

圖5：平衡測試結果

10. 不平衡測試：調整Electrode with Impedance為RA (僅S1打開)
11. 測量ECG上所有導程輸出至少15秒(最大輸出導聯I = 2 mm)

圖6： RA不平衡測試結果(RA加阻抗)

12. 疊加+300mV直流偏置電壓，調整 DC Offset到+300 RA

13. 測量ECG上所有導程輸出至少15秒 (最大輸出導聯I = 2mm)

    

圖7：RA不平衡測試疊加+300mV直流偏壓

14. 疊加-300mV直流偏置電壓，調整DC Offset到-300 RA
15. 測量ECG上所有導程輸出至少15秒 (最大輸出導聯I = 2mm)

圖8：RA不平衡測試疊加-300mV直流偏壓

16. 調整DC Offset到Off
17. 調整Electrode with impedance到LA
18. 測量ECG上所有導程輸出至少15秒 (最大輸出導聯I = 2.2mm)

圖9：LA不平衡測試結果(LA加阻抗)

19. 調整 DC Offset到+300 LA
20. 測量ECG上所有導程輸出至少15秒 (最大輸出導聯I = 2.2mm)

圖10：LA不平衡測試疊加+300mV直流偏壓

21. 調整 DC Offset到-300 LA
22. 測量ECG上所有導程輸出至少15秒 (最大輸出導聯I = 2.2mm)

圖11： LA不平衡測試疊加-300mV直流偏壓

23. 重覆步驟1015，但依次調整 Electrode with impedance到LL/V1V6

依據上述實例測得的結果，尋找幅值最大的導聯。圖5平衡測試最大振幅的導聯I波形的幅度為~0.1mm, 在20mm/mV的增益下電壓V_out = 0.1 / 20 = 0.005mV, 代入(1)式中得CMRR值為：

但是實際上導聯I的輸出幾乎是一條直線，測量出的幅值應該不是正確的輸入10 Vrms的反應值，CMRR應該更優於-135 dB，這在後面「高於標準的CMRR測試」章節中會再詳細討論。

用同樣的方法測量圖6中 RA不平衡測試最大振幅的導聯I波形，得幅度為2mm, 在20mm/mV的增益下電壓V_out = 2 / 20 = 0.1mVp-v, 代入(1)式中得CMRR值為：

比較圖5和圖6的測量結果可以觀察到，不平衡測試的波形幅度一般會比平衡測試的波形幅度來得大；這是由於不平衡電路會產生些微的電壓差，此時原來的共模訊號變成微小的差模訊號，經過差動放大器放大後輸出電壓會比平衡測試時更大些。因此CMRR值變得較差。

圖7和圖8分別為不平衡測試時，疊加±300mV直流偏置電壓的測試結果。最大幅值都發生在導聯I，由於兩者導聯I都相等於沒有疊加DC的幅值，因此CMRR值皆為-109dB。這是由於待測設備疊加±300mV直流偏壓時仍在差動放大器的線性工作區間內的緣故。

圖9至圖11為LA不平衡測試結果，最大幅值都發生在導聯I，且導聯I幅值皆為2.2mm @20mm/mV，V_out = 0.11mV，因此CMRR值如下：

圖9-11：導聯I幅值2.2mm @20mm/mV，Vout = 0.11mV

接者繼續測試其他導聯線(LL/V1~V6)，若是所有測試，其導聯振幅皆不大於2.2mm (0.11 mVp-v)，則可以說此心電圖機的CMRR值約為108dB。

其他注意事項

關閉陷波器

CMRR測試頻率為市電頻率，若在此時開啟市電頻率的陷波器，測試電壓會被陷波器濾除；這時測試結果並不是差動放大器的CMRR值，而是陷波器及CMRR的綜合結果。為了確保差動放大器可以達到心電標準的要求，因此，標準明確描述測試CMRR時需將陷波器關閉。以下為心電圖機不平衡測試時，有無開啟陷波器比較。

圖12：不平衡測試(關閉陷波器)

圖13：不平衡測試(開啟陷波器)

由上圖可知，不平衡測試時開啟陷波器，陷波器會將大多數的50/60Hz測試訊號濾除，因此導聯波形幅度變得很小，不能反應差動放大器的CMRR值，也因此無法測得差動放大器真正的CMRR值。

不同心電圖機的CMRR測試結果

不同的心電圖機，因為使用的元件和線路的設計不同，CMRR的測試結果也會不同。在公式(1)中、CMRR值主要是由心電圖機的心電圖上測量各導聯波形的振幅V_out和CMRR測試儀器的輸出訊號振幅V_in兩個主要參數的比值再取20Log計算出來的，其中V_in值在標準中已有規定，因此CMRR值的決定主要在待測心電設備的硬體設計，因此若是測試結果CMRR值不符合標準所需，就必須重新檢視心電設備的硬體設計。

以下為使用相同CMRR測試儀器及測試環境設置下，不同心電圖機的測試結果。

由上面的兩台心電圖機測試的結果可以看出，雖然使用的是相同的測試儀器及測試環境設置，因待測心電圖不同，其導聯波形幅值V_out也會不同，計算後的CMRR值自然也會不同。

高於標準的CMRR測試

有些心電圖機製造商會要求其製造的心電圖機有更高於標準的CMRR規格(譬如140dB)，如此在一些市電干擾嚴重的環境中，仍可以正確無誤的測量心電圖。要達成這個目標，除了要能精確的測量心電圖顯示的最小電壓(V_out)外，可能還需要將CMRR測試儀器的測試電壓(V_in)提高，才能測到更高的CMRR值。

以圖5為例，測到的V_out = 0.01mV (0.2mm)，假設這台心電圖機最小可以測量導聯波幅就是到0.2mm，也就是0.01mV (20mm/mV增益的設置下)，針對Vc = 10Vrms的心電標準要求，最優只能測到-129dB 的CMRR值，因此若要測到更高的CMRR值，勢必要增加CMRR測試儀器的輸出電壓Vs。

圖14是將CMRR 3.0+的Vs設置到70.71Vrms (200Vp-p)，則Vc = Vs/2 = 35.35Vrms (100Vp-p)，此時測量到的導聯I的幅值仍是0.2mm，因此CMRR值就可以測到140dB，計算如下：

圖14：平衡測試(Vs = 70.71Vrms)

CMRR3.0+測試儀器有這樣超過標準所需電壓的輸出功能，可協助心電圖機製造商測試更高於標準CMRR規格的心電圖機。

結語

心電圖設備中CMRR的規格是抑制50/60Hz市電訊號干擾很重要的一項功能，而50/60Hz干擾或大或小無處不在，因此能夠確保顯示正確的心電圖波形，足夠的CMRR值實是一個重要因素。至於要如何正確地測量心電圖機的CMRR值，則又是另一項要注意的事項。

心電圖標準中都有明確的說明測試線路和步驟，因此依據標準的需求設計一台測試儀器來測試心電圖機的CMRR值是必需的。但由於標準線路中的高電壓電源(20Vrms = 58Vp-v)，低電源輸出容抗(200pF)，內外屏蔽的要求，每個項目都考驗著測試儀器的製造難度。CMRR3.0+逐一克服這些挑戰，完成可以符合各類心電和腦電設備CMRR測試的要求。另外，如前一節所述，在心電圖機最小可以測量導聯波幅到0.2mm，也就是0.01mV的條件下，可測到-140dB的CMRR值。

活動簡介

未來寬能隙半導體元件會在哪些應用成為主流？元件供應商又會開發出哪些新的應用寬能隙元件的電路架構，以協助電力系統開發商進一步簡化設計複雜度、提升系統整體效率？TechTaipei「寬能隙元件市場與技術發展研討會」將邀請寬能隙半導體的關鍵供應商一一為與會者解惑。

贊助廠商

立即報名