Глава2 Функциональные устройства на операционных усилителях для медицинских изделий

Львиную долю различных функциональных преобразований в современных электронных приборах, включая и медицинскую технику, выполняют цифровые устройства, системы и комплексы. Однако специфика медицинской техники, где исходная информация представляется, как правило, аналоговыми сигналами, требует использования определенной доли аналоговых электронных схем, которые кроме усиления и подавления помех могут применяться для выполнения некоторых вычислительных операций и других функциональных преобразований.

2.1. Линейные узлы математической обработки биологических сигналов

Среди множества различных аналоговых функциональных устройств определенное место занимают схемы, осуществляющие линейные преобразования над аналоговыми сигналами, такие как масштабирование, суммирование, интегрирование, дифференцирование и ряд других.

2.1.1. Схемы масштабирования и аналоговые сумматоры

Схемы масштабирования используют для пропорционального изменения сигнала, что эквивалентно умножению его величины на постоянный коэффициент. Для этой цели используют инвертирующие и неинвертирующие усилители. Промышленность выпускает различные типы таких схем. В них для измерения масштабов преобразования предусматриваются переключаемые сопротивления в цепях обратной связи и выводы для подключения внешних сопротивлений для регулировки коэффициентов передачи. Схемы масштабирования легко реализуются и с помощью ОУ общего назначения путем выбора соответствующих номиналов сопротивлений на входе и в цепях обратной связи.

В задачах съема и обработки медико-биологической информации часто приходится сталкиваться с сигналами, изменяющими амплитуду в широких пределах (большие динамические диапазоны) так, что использование масштабного звена на ОУ с фиксированным коэффициентом усиления не дает удовлетворительных результатов. В этом случае можно использовать схемы с электронной перестройкой коэффициента усиления с помощью транзисторных ключей или соответствующих микросхем, реализующих функции аналоговых коммутаторов. Пример такой схемы с регулировкой коэффициента усиления по цепи обратной связи приведен на рис 2.1, а. В этой схеме подача управляющего напряжения U_yпрi открывает соответствующий транзистор VT_i, закорачивая соответствующий резистор R_oj, в цепи обратной связи, уменьшая тем самым общую величину R_oc, а, следовательно, и коэффициент передачи ОУ. Для схемы рис 2.1, а справедливо соотношение U_вых=-U_вх·R_oc/R₁. Для более точных расчетов при определении величины R_ос учитываются не только замкнутые ключи, но и сопротивления открытых ключей r_о и токи утечки I₀ закрытых ключей.

Для реализации автоматической перестройки с целью предотвращения выхода ОУ на нелинейный участок из-за высоких значений входного сигнала можно использовать пороговые элементы, фиксирующие уровни выходных или входных напряжений ОУ. На рис.2.1, б показана схема изменения коэффициента усиления ОУ при достижении заданного выходного напряжения U_п, на который настраивается пороговый элемент, ПЭ, и который управляет отпиранием ключа VT₁. На рис.2.1, в показан вариант схемы автоматическою управления коэффициентом усиления несколькими пороговыми элементами, отслеживающими разные величины входною напряжения U_п1, U_п2 U_п3, и U_п4. На усилителе А₂., собрано согласующее масштабное звено (для разгрузки источника входного напряжения).

Рис. 2.1. Схемы с управляемым коэффициентом усиления

Часто для управления коэффициентом усиления в автоматическом режиме используют ЭВМ, которая передает код преобразуемого коэффициента усиления через согласующие устройства на управляющие входы ключей.

В ряде практических задач возникает необходимость управления коэффициентом передачи с помощью непрерывного управляющего сигнала. В этом случае можно также создавать управляемые сопротивления как по пели обратной связи, так и по цепи входного сопротивления. На рис. 2.1, г изображен вариант практической схемы управления коэффициентом усиления масштабного звена по цепи входного сопротивления. Ниже будут рассмотрены варианты управления коэффициентом передачи аналогового сигнала с помощью других схемотехнических решений, например, с помощью умножающих цифро-аналоговых преобразователей.

С использованием одновходовых и дифференциальных ОУ легко реализуются различные варианты аналоговых сумматоров-вычитателей. На рис. 2.2, а приведена схема одновходового сумматора. Основное уравнение его работы можно получить аналогично тому, как это сделано для схемы рис.1.18.

Будем считать, что ко входу усилителя подключены входные сопротивления Z₁₁, Z₁₂,..., Z_1n, на которые подаются напряжения U₁₁, U_12,………U_1n, тогда будут справедливы соотношения

i₂ = i₁₁ + i₁₂.+… i_1n ;

i_1j = (U_1j –ε)/Z_1j, j=1,n ;

U₂ = –K_y ε , откуда

Если К_у→∞, то

Рис. 2.2. Сумматоры-вычитатели на ОУ

,

откуда

(2.1)

Уравнение (2.1) считают основным уравнением реального одновходового ОУ, которое часто записывают в виде

,

где К_j=Z₀/Z_1j – коэффициенты усиления по j-тым входам

Для активных сопротивлений входа R_j и обратной связи R₀ абсолютная погрешность от конечности К_y определяется формулой

.

Относительная погрешность определяется выражением δU_К=ΔU_K6/U_2n, где U_2П - приближённое значение выходного напряжения. Тогда после преобразований получим

.

Из последнего выражения, зная допустимую относительную погрешность, можно ставить задачу выбора типа ОУ с необходимым К_у, исходя из выражения

.

На рис. 2.2, б приведена схема сумматора-вычитателя на основе дифференциального ОУ. При равенстве нулю входных токов усилителя для неинверсного входа можно записать

.

Для инверсного входа получаем

Принимая во внимание, что U_–= U₊, получим выражение

.

В частном случае, когда все сопротивления в схеме равны R₀=R_J=r₀=r_j=R получаем

.

Погрешность суммирования с учетом напряжения смещения ОУ для инвертирующего сумматора определяется выражением

.

Для неинвертирующего входа погрешность от смещения нуля определяется по формуле

ΔU_см=е_см(1+R₀/R_вх),

где R_вх – входное внешнее сопротивление инвертирующего входа, подключенного ко входу ОУ и к земле. Таким образом, погрешность неинвертирующего входа не зависит от числа входа сумматоров и может быть скомпенсирована путем подключения компенсирующего напряжения.