2.1.5. Фильтр высоких частот в измерительном усилителе

На измерительный усилитель кроме входного сигнала так же может поступать постоянная составляющая, обусловленная поляризацией электродов.

Полезные сигналы имеют уровень от долей микровольт до десятков милливольт, а электродный потенциал - сотни милливольт. Усилитель с большим коэффициентом усиления может перегружаться электродным потенциалом. Поэтому приняты общие требования ко всем усилителям биопотенциалов (УБП), устанавливающие, что усилитель должен работать, сохранять все свои параметры при величине входного электродного потенциала от +0.3В до -0.3В.

Простейшей формой отделения электродного потенциала является установка CR цепи (ФВЧ). Т.к. входное сопротивление усилителя биосигналов (УБС) должно быть велико, более 5 МОм, то обычно оно нестабильно. Поэтому во входной цепи СR фильтр не принято устанавливать. Установке СR цепи на входе так же препятствует необходимость защиты этой цепи от перегрузок - цепь должна разрядиться (успокоиться) от потенциалов перегрузок и статического электричества за время менее 1 сек - большее время восстановления не допустимо. Обычно быстрое восстановление достигается введением в схему ключа, например контактов реле замыкающего емкость. Коммутации на входе высокочувствительного усилителя являются источниками помех и наводок. По всем этим соображениям цепь СR фильтра устанавливают после первого каскада усиления, а усиление первого каскада выбирают небольшим (менее 10), что бы он не перегружался от электродного потенциала +/-0.3В [7].

Структурная схема измерительного усилителя с ФВЧ представлена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Структурная схема измерительного усилителя с ФВЧ

Если обеспечена устойчивость работы усилителя биосигналов (УБС) при электродных потенциалах +/- 0,3В, то этого еще не достаточно. Статическое электричество и особенно импульсы электродефибрилятора даже хорошие электроды могут поляризовать до напряжений больших, чем +/-0,3В. Для контроля за такими ситуациями УБС должен обеспечить индикацию наличия перегрузок, приводящих к изменению усиления или потере сигнала. При этом должен обеспечиваться выход из режима перегрузки за время меньшее, чем 5 секунд.

Для ускорения разряда СR цепи используют ключ, ускоренно разряжающий емкость С от напряжения перегрузки. При этом наблюдается неприятное явление: большинство типов конденсаторов обладают свойством адсорбции, т.е. их диэлектрик запоминает поданное напряжение помехи - он поляризуется. При замыкании разрядного ключа емкость разряжается только на 90 - 95 %, а 5 - 10% - адсорбционный остаток - остается и уходит очень медленно - сотни секунд. Этого остатка может хватать для перегрузки усилителя. Поэтому в цепи СR фильтра устанавливают конденсаторы с наименьшей и контролируемой адсорбцией (такими являются конденсаторы с полистирольным диэлектриком и некоторые другие пленочные конденсаторы).

Принципиальная схема измерительного усилителя с ФВЧ показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Принципиальная схема измерительного усилителя с ФВЧ

На рис. 2.7 изображены два фильтра высоких частот, ФВЧ₁ – это С₁R₅ и ФВЧ₂ – это С₂R₇.

Для учебных целей достаточно, чтобы постоянная времени RC – цепи (τ) составляла 0,32 сек (реально полагается 3,2с, но это потребует громоздких конденсаторов). Для расчета номиналов конденсаторов C₁ и C₂ воспользуемся соотношением: