Российский медицинский информационный ресурс rosmedic.ru
Главная arrow Приборные медицинские методы диагностики и лечения arrow Электрич. методы получения информации arrow Уменьшение влияния синфазного сигнала на характеристики биоусилителя
Уменьшение влияния синфазного сигнала на характеристики биоусилителя

Особенностью входных усилителей устройств, используемых для проведения электрокардиографии и электроэнцефаллографии, является отсутствие во входных цепях разделительных конденсаторов. Это следствие того, что низшая частота пропускания входного сигнала оценивается десятыми-сотыми долями герца или более низкими частотами. Для ее обеспечения необходимо иметь такие большие разделительные емкости у конденсаторов, что массогабаритные показатели устройства становятся неоправданно большими. К тому же, при наличии конденсаторов и большой постоянной времени у входной цепи при подключении объекта к усилителю будут наблюдаться длительные переходные процессы, которые затрудняют практическое применение измерительных устройств.

Типовая схема входной цепи биоусилителя приведена на рисунке. Входной сигнал, усиливаемый им, показан в виде двухгенераторов ЭДС/2 Такое разделение единого генератора ЭДС UBX на два необходимо для того, чтобы эффективно учесть действие синфазного сигнала U. Он приложен к обоим входам дифференциального усилителя.

Типовая схема входной цепи биоусилителя приведена на рисунке. Входной сигнал, усиливаемый им, показан в виде двухгенераторов ЭДС/2 Такое разделение единого генератора ЭДС UBX на два необходимо для того, чтобы эффективно учесть действие синфазного сигнала U. Он приложен к обоим входам дифференциального усилителя.

Image
Входная цепь усилителя биологических сигналов

Синфазный сигнал создается постоянным напряжением, имеющимся в точках подключения дифференциальных входов, а также наводками переменного напряжения на биологическую ткань. Так что в общем случае в состав U входят как постоянная, так и переменная составляющие.

Резистором Rл и конденсатором Сл (на рисунке) охарактеризованы активное и емкостное сопротивления линии, с помощью которой генератор синфазного сигнала подключен к общей шине усилителя. В большинстве случаев Rn → 0, если имеется провод, соединяющий биоткань и общую шину. Если его нет, то Rл достаточно большое. Наличие его обусловлено наличием сопротивления утечки. В этом случае следует учитывать емкость Rл между биотканью и общей шиной. При больших значениях сопротивлений Rл и емкости Сл внешние переменные электромагнитные поля могут наводить на них переменное напряжение, которое будет суммироваться с синфазным сигналом.

Считая Rn=0 и идеальными операционные усилители DA1, DA2, каждое из плеч симметричной входной части можно представить в виде, показанном на рисунке.

Image
Эквивалентная схема плеча входной части

Выходное напряжение плеча Uвых1, будет равно

Image

Соответственно, выходное напряжение второго плеча Uвых2 находится из аналогичного уравнения.

Image

В вычитающем устройстве на ОУ DАЗ с единичным коэффициентом усиления выходные напряжения плеч вычитаются друг из друга. Выходное напряжение Uвых3 равно

Image

Хотя в данной структуре обеспечивается полное подавление синфазного сигнала (в идеальном случае), он оказывает существенное влияние на уровни выходных напряжений плеч Uвых1 и Uвых2

В итоге значение коэффициентов усиления плеч входной части приходится ограничивать значением, при котором при максимальных значениях входного полезного и синфазного сигналов операционные усилители плеч остаются в линейном режиме. Максимальный уровень переменного напряжения, созданного работой органов биоорганизма, обычно не превышает нескольких мВ. В то же время значение квазипостоянной разности потенциалов, составляющей синфазный сигнал, может достигать значений в доли вольта (0,3-0,5 В) и будет существенно меняться в зависимости от состояния на данный момент времени потовых желез.

Если считать, что операционный усилитель становится нелинейным при выходном напряжении 10 В, а максимальный синфазный входной сигнал равен 1 В, то коэффициент усиления каждого плеча входной части Кu

Image

не может превышать значения 10, а усилитель DA3 вычитающего устройства будет работать с синфазным сигналом равным 5 В. Для получения возможности увеличения коэффициента усиления у входного устройства, улучшения режима работы ОУ вычитающего устройства, снижения влияния нелинейных искажений, возникающих в усилительном тракте, синфазный входной сигнал уменьшают с помощью схемотехнических методов.

Основная идея решения этой технической задачи заключается в том, что последовательно с синфазным сигналом включается источник напряжения, равный ему по величине и противоположный по фазе. Два одинаковых напряжения, вычитаясь друг из друга, дают итоговое нулевое напряжение синфазного сигнала, приложенного к входной части. Для реализации этой идеи обычно применяют отрицательную обратную связь, вводят дополнительный усилитель DA4. Если имеется синфазный сигнал Uсф, то он усиливается в Ки раз каждым из плеч входной части и подается на вход ОУ DA4 через резисторы R4. Коэффициент усиления ОУ DA4 равен К4.

Image

Так как сигналы ОУ DA1 и ВА2 суммируются с помощью резисторов R4, то результирующий коэффициент усиления синфазного сигнала равен

Image

Благодаря тому, что обратная связь является стопроцентной, уровень синфазного напряжения, приложенного к дифференциальным входам входного устройства, уменьшается в Image раз.

Image
Image
Схема входной части, в которой синфазный входной сигнал компенсируется с помощью отрицательной ОС

Так, если в рассмотренном выше примере коэффициент усиления Ки=10, R5/R4 = 100, то уровень синфазного сигнала на входах на входах усилителя Image уменьшится в 2000 раз и вместо 1 В станет равным 0,5 мВ. Подобная компенсация влияния синфазного сигнала эффективна только на достаточно низких частотах. При широкополосном DAA, что позволило бы компенсировать влияние высокочастотного синфазного входного сигнала, возможна потеря устойчивости у входной части. В этом случае полностью справедливо правило, что чем больше коэффициент усиления синфазного сигнала, тем уже полоса частот, в которой схема работает эффективно, и наоборот.

Для устранения потери устойчивости параллельно с резистором R5 может включаться конденсатор. Его емкость выбирают такой, чтобы можно было сбить самовозбуждение входной части. Причем с целью расширения полосы рабочих частот используется минимальное значение этой емкости.

При таком техническом решении входы дифференциальной входной части подключают в электродам, установленным на участках, разность потенциалов между которыми хотят измерить (выводы 1,2). Выход усилителя DA4 подключается к третьему электроду, который обычно установлен на электрически неактивной зоне (вывод 3).

Цепи уменьшения синфазных сигналов на входах биоусилителя обычно характерны для автоматизированных измерительных устройств и используются, например, в кардиомониторах.

При практической реализации усилителей биосигналов следует использовать микросхемы, имеющие малые входные токи, низкие уровни собственных шумов и минимально возможные дрейфы напряжений смещения.


Центр Независимого Оценивания предлагает вам варианты ЗНО 2010 по украинскому языку литературе и т.д.

 
« Пред.
 
 
Rambler's Top100