2. Электрический расчет

Для исследования сигнала, поступающего на измерительный кардиоусилитель, используется комплекс, состоящий из генератора синусоидальных импульсов, преобразующего устройства и самого кардиоусилителя.

Общая структура лабораторной установки представлена на рис.2.1.

Рис.2.1. Блок-схема лабораторной установки

В этой структурной схеме используются следующие обозначения:

ПУ – преобразующее устройство;

КУ – кардиоусилитель.

2.1. Измерительный усилитель

2.1.1. Назначение и состав измерительного усилителя

Главное назначение измерительного усилителя состоит в усилении входного сигнала в соответствии с требованиями, предъявляемыми к сигналу, и подавлению синфазных помех.

В соответствии с анализом электрокардиосигнала, проведенным в разделах 1.1 и 1.2., можно принять следующие требования к измерительному усилителю:

• Уровень входного сигнала единицы мВ;

• Входное сопротивление

• Коэффициент ослабления синфазного сигнала ( ) больше 70 дБ;

• Обеспечить коэффициент усиления равный 150 (чтобы усилить входной сигнал в максимальном случае до 750 мВ).

Структурная схема измерительного усилителя показана на рис. 2.2. В соответствии с перечнем необходимых операций в измерительный усилитель входят:

1. Усилители первого каскада (У₁, У₂), большое входное сопротивление которых позволяет избежать нестабильности входных сигналов;

2. Дифференциальный усилитель (ДУ), основное назначение которого состоит в подавлении синфазной помехи за счет большого коэффициента ослабления синфазной помехи ( ).

Рис.2.2. Структурная схема измерительного усилителя

Усиление входного сигнала может происходить в усилителях первого каскада (У₁, У₂) и в дифференциальном усилителе (ДУ). Общий коэффициент усиления равен:

На входе измерительного усилителя максимальная величина R – пика составляет порядка 5 мВ, а на выходе для нормальной работы устройств необходимо получить усиленный сигнал порядка 750 мВ, то общий коэффициент усиления ( ) выбирает равным 150.

Коэффициент усиления первого каскада ( ) выбираем равным 7,5, чтобы он не перегружался при воздействии на входной сигнал постоянной составляющей 0,3 В.

А коэффициент усиления второго каскада ( ) выбираем равным 20 для обеспечения подачи сигнала на АЦП порядка 300 мВ, для это необходимо поставить фильтр высоких частот.

2.1.2. Входной каскад измерительного усилителя

Входной каскад состоит из двух операционных усилителей (рис. 2.3), обеспечивающих дифференциальный коэффициент усиления, определяемый соотношением [4]:

Рис.2.3. Входной каскад усилителя

Поскольку = 7,5, то выбираем:

и

2.1.3. Дифференциальный усилитель

Второй каскад (рис. 2.4), состоящий из одного операционного усилителя, имеет коэффициент усиления, определяемый соотношением:

При выполнении соотношения [5]

Получаем:

Его задача – получение однополосного выходного сигнала и подавление остаточной синфазной помехи.

Рис. 2.4. Дифференциальный усилитель

Так как = 20, то выбираем:

2.1.4. Синфазные помехи

Одним из источников помех при работе усилительных схем являются помехи, наводимые во входных цепях усилителей. Например, помехи, возникающие в проводах, соединяющих электроды (датчики) со входами усилителя. Если помеха, создаваемая за счет индуктивных и емкостных связей за счет ЭДС поляризации электродов и т.д., в равной мере наводится в обоих проводниках подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя, то она называется синфазной помехой, продольной помехой или помехой общего вида – .

Характеристикой, позволяющей оценить способность схемы к подавлению синфазных помех, является коэффициент ослабления синфазного сигнала , который определяется как отношение коэффициента передачи полезного сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала помехи [5]. Для подстройки служит переменный резистор (рис. 2.4).

Более высокий коэффициент подавления синфазных помех достигается за счет использования современных ОУ, высокоточных сопротивлений и специальных схем включения, например по схеме на рис. 2.5.

Рис.2.5. Типовая схема подавления синфазной помехи

Рассчитаем для входного каскада (рис.2.2):

При этом коэффициент ослабления синфазного сигнала будет равен:

Рассчитаем для дифференциального усилителя (рис.2.6):

Подавление синфазной помехи требует прецизионных операционных усилителей (ОУ) и точной установки их усилений. Это достигается при точности номиналов используемых резисторов 0.1% ( ). 

Введем обозначения (рис.2.6):

Рис. 2.6. Дифференциальный каскад измерительного усилителя

Получаем выражение [6]:

где - среднее значение α.

При этом коэффициент ослабления синфазного сигнала будет равен:

Общий коэффициент ослабления синфазного сигнала равен:

Или