Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Узлы и элементы биотехнических систем. Учебное пособие
.pdf
на входе прибора один из электродов (правая нога) заземляется, что
Рис. 2.3. Схема подавителя синфазных помех: 1 – нулевой провод
сети; 2 – фазный провод сети; 3 – распределенная емкость между
фазным проводом и телом; 4 – фазоинверсный усилитель
обычно обеспечивает существенное снижение помехи, но так же, как
и применение дифференциального усилителя, не во всех случаях является достаточной мерой. Это объясняется значительным электродно-кожным сопротивлением в цепи заземленного электрода, которое,
как правило, не может быть менее 10–15 кОм.
Для дополнительного снижения помехи находит применение
так называемый подавитель, представляющий собой усилитель, схема
включения которого приведена на рис. 2.3. Как следует из схемы, на
вход усилителя подается напряжение синфазной помехи, снимаемое с
одного из электродов, усиливается и подается в противофазе с помехой между электродом правой ноги и землей. Применение подавителя
позволяет снизить требования к коэффициенту режекции и симметричности входных цепей, что особенно важно для многоканальных
приборов.
Усилитель электроэнцефалографа, имеющий наиболее высокий коэффициент усиления, обычно содержит еще и фильтр, настроенный на частоту питающей сети. Фильтр обеспечивает вырезание из
диапазона усиливаемых частот узкой полосы 45–55 Гц.
31
2.3. Усилители с гальванической развязкой
Работа с биообъектами выдвигает ряд особых требований к
усилительным каскадам, причем в качестве основных из них выделяют необходимость качественного усиления малых сигналов на фоне
высокого уровня синфазных помех и обеспечение защиты от попадания опасных токов на объект. Эти требования в значительной степени
реализуются с помощью развязывающих (изолирующих) усилителей.
Изолирующие усилители обеспечивают развязку между входом и выходом по постоянному току при допустимых уровнях синфазных напряжений от 2 до 7,5 кВ. Коэффициент подавления синфазных помех достигает значения более 100 дБ. Входные сопротивления
обычно лежат в диапазонах 108...10
11
Ом. Они имеют узкую полосу
пропускания: 0...3 кГц – для усилителей с трансформаторной развязкой и 0...15 кГц – для усилителей с оптической развязкой. Усилители с
оптической развязкой обладают худшей линейностью по сравнению с
трансформаторной развязкой.
Главное применение изолирующих усилителей – устройства
медицинской техники, для которых малые сигналы скрыты в существенно больших, а утечка по постоянному току может иметь фатальные последствия. Кроме того, для них характерны длинные двухпроводные линии связи, в которых наводятся синфазные помехи, возникающие из-за того, что потенциалы различных точек земли различны
из-за блуждающих токов, а усилительные схемы и удаленные датчики
имеют заземление. Эта связь может быть паразитной (емкостной), но
может представлять собой непосредственное заземление проводников,
когда по соображениям безопасности источник входного сигнала и
усилитель должны быть заземлены.
Схема, поясняющая действие на усилитель синфазных помех
от заземляющего контура, приведена на рис. 2.4. В этой схеме датчик
соединен двухпроводной линией (с сопротивлениями проводов
и
) со входами усилителя. Неинвертирующий вход усилителя со-
единен со средней точкой питания усилителя (эта точка схематично
показана как дополнительный средний вход усилителя) и с экранирующим корпусом усилителя. Источник входного сигнала и усилитель
через комплексные сопротивления Z1 и Z2 имеют связь с землей в
различных точках, что создает источник синфазных помех
с
внутренним сопротивлением Zn. Например, при удалении двух точек
,
32
заземления на расстоянии 500 м разность
Рис. 2.4. Действие синфазных помех на усилитель
от заземляющего контура
может составить 10–
15 В при внутреннем сопротивлении Zn, равном 1 Ом. Контур, образо-
ванный парой соединительных проводов ( и
), сопротивлениями
связи Z1 и Z2 и землей, пронизывается различными переменными
магнитными полями, что приводит к возникновению в контуре ЭДС,
которая суммируется с напряжением помехи
. За счет токов, те-
кущих во входных цепях усилителя и обусловленных источником,
синфазная помеха преобразуется в дифференциальную. Предполагая,
что сопротивление линии связи много меньше входного сопротивле-
ния усилителя , и
:
), определим ток, вызываемый помехой
(2.4)
Падение напряжения от этого тока на сопротивлении низкопо-
тенциального провода
представляет собой поперечную помеху:
33
(2.5)
Из выражения (2.5) следует, что для уменьшения дифференци-
альной помехи надо уменьшать
и увеличивать Z
=
CM
Однако ZCM редко поддается контролю, поэтому значительная часть
поперечной помехи попадает на вход усилителя. Для борьбы с этой
помехой используют гальваническое разделение входной и выходной
частей усилителя с помощью оптронных, емкостных или трансформаторных развязок.
Таким образом, организуются две изолированные части: передающая и приемная. Передающая часть работает под потенциалом
измерителя (датчика), а приемная – под нулевым потенциалом. Для
реализации подобного устройства необходимо, чтобы передающая
часть имела отдельный, изолированный от приемной схемы так называемый плавающий источник электрической энергии, общая точка
которого соединяется чаще всего с одним из дифференциальных входов передатчика. Этот вход усилителя играет роль «плавающей земли» (рис. 2.5).
Использование трансформатора для передачи энергии в плавающий источник питания передатчика устраняет электрическую
связь между входом и выходом схемы на постоянном токе и в области
низких частот, но остается связь на высоких частотах из-за наличия
паразитных межобмоточных емкостей ( и
) питающего транс-
форматора. Нельзя полностью устранить также емкостную связь в
тракте передачи сигнала (
).
Рис. 2.5. Блок-схема изолирующего усилителя
34
Наиболее просто гальваническая сигнальная развязка реализу-
Рис. 2.6. Схема оптической развязки на операционных усилителях
для кардиомонитора: ПР – правая рука; ЛР – левая рука; ПН – правая
нога; Еиз – изолированное питание
ется простой передачей аналогового сигнала через оптопару. Однако
при этом следует иметь в виду наличие значительных искажений из-за
зависимости параметров оптопары от температуры, уменьшения яркости светоизлучающих диодов с течением времени, нелинейности передаточной функции, собственных шумов оптопары и т. д.
Уменьшения влияния погрешностей передачи сигнала за счет
оптопары можно достичь путем дифференциального включения согласованных фотодиодов. Схема подобной оптической развязки на
операционных усилителях для кардиомонитора приведена на рис. 2.6.
Значком V обозначена изолированная общая точка, которую иногда
называют «плавающей землей». Один фотодиод оптрона является
приемником сигнала, а второй замыкает цепь отрицательной обратной
связи.
Нелинейность передачи для этой схемы не превосходит
0,07 %. Типичная полоса пропускания составляет 60 кГц. Входным
сигналом для этой микросхемы является ток, поэтому источник сигнала должен обладать довольно высоким сопротивлением. При этом
шум, спектральная плотность которого на частоте 1 кГц составляет
0,65 пА/Гц
0 5
, может достигать достаточно высокого уровня.
В усилителях с емкостной гальванической развязкой входной
сигнал усиливается входным усилителем (ВУ) и преобразуется в часто-
35
ту схемой преобразования «напряжение – частота» (ПНЧ) – см. рис. 2.7.
Рис. 2.7. Структурная схема конденсаторного развязывающего
усилителя
Рис. 2.8. Структурная схема изолирующего усилителя
с трансформаторной связью
Далее сигнал переменного тока передается в выходную часть усилителя через керамические конденсаторы С1 и С2 гальванического барьера, после чего преобразуется в напряжение преобразователем «частота – напряжение» (ПЧН).
Схема изолирующего усилителя с трансформаторной связью
AD215 представлена на рис. 2.8.
Здесь для передачи входного сигнала через изолирующий барьер используется балансная амплитудная модуляция несущей часто-
36
ты 430 кГц. Внутренний синхрогенератор управляет демодулятором и
передает часть энергии через трансформатор 72 для питания изолированной части и управления модулятором. Встроенный изолированный
выпрямитель с фильтром обеспечивает питание изолированной части
схемы постоянным током силой до 10 мА при напряжении ±15 В.
Пульсации напряжения на выходе демодулятора подавляются
ФНЧ Бесселя с полосой пропускания 150 кГц. В результате амплитуда
пульсаций выходного напряжения усилителя не превышает 5 мВ. Полоса пропускания схемы 0...120 кГц. При ограничении полосы пропускания до 50 кГц дополнительным выходным фильтром амплитуда
пульсаций выходного напряжения снизится до 1,2 мВ. Нелинейность
коэффициента передачи схемы при К−1 не превышает 0,015 %. С помощью входного усилителя сигнал может быть усилен в 10 раз, а при
снижении требований к линейности – даже в 100 раз.
Характеристики изолирующих усилителей приведены в табл. 2.2.
Если в части медицинской аппаратуры, связанной с пациентом, имеется возможность преобразования аналоговых сигналов в последовательные цифровые коды, то в качестве надежной гальванической развязки могут быть использованы пространственно-разнесенные инфракрасные или лазерные приемопередатчики, находящиеся
друг от друга на таком расстоянии, что становится практически невозможным гальванический контакт. При проектировании такой развязки следует иметь в виду, что приемопередатчики должны находиться в прямой видимости и при работе аппаратуры между ними не
должны попадать «затеняющие» предметы. Известно применение такого типа развязки в медицинских системах и комплексах, содержащих в своем составе персональные компьютеры.
Идеальная гальваническая развязка обеспечивается при использовании радиоканалов. Такие схемы находят широкое применение в имплантируемых кардиостимуляторах для их подстройки, в радиотаблетках, измеряющих различные параметры работы желудочнокишечного тракта, и т. п. При проектировании таких устройств следует обеспечивать высокую надежность работы приемопередающей аппаратуры с учетом возможных помех от рабочей аппаратуры, создающей достаточно мощные электромагнитные поля. Кроме этого,
необходимо учитывать, что разрешенной для медицинского оборудования является определенная полоса радиочастот [3].
37
Таблица 2.2
Модель
Макси-
мальное
напряже-
ние изо-
ляции
(60 Гц),
В
Сопро-
тивление
изоляции,
Ом/про-
ходная
емкость,
пФ
Кобс на по-
стоянном
токе/частоте
60 Гц, дБ
Диапазон
усиления
Нелинейность
(К=1) ,%
Полоса пропус-
кания (К=1), кГц
Тип
развязки
ISO100
750
10lz/2,5
146/106
–
0,07
60
Оптическая
IS0124
1500
1014/2
140/-
1
0,01
50
Емкостная
IS0175
1500
10'"/6
160/115
1...100
0,1
60
То же
AD215
1500
2-109/4,5
100/-
1...10
0,015
120
Трансфор-
маторная
AD210
2500
5 109/5
120/-
1…100
0,012
20
То же
Важнейшие параметры изолирующих усилителей
2.4. Подключение усилителей биопотенциалов к микроэлектродам
Характерной особенностью микроэлектродов является то, что
они имеют очень большое сопротивление при значительной величине
собственной емкости. Приближенная эквивалентная схема микроэлектродной цепи (рис. 2.9) состоит из емкости между клеточной жидкостью или внешним электролитом и кончиком электрода С1; сопротивления кончика электрода R\; емкости между стволом электрода и
внешним электролитом С2; сопротивления канала ствола R2; паразитной емкости входной цепи усилителя биопотенциалов (УБП) Сп.
Рис. 2.9. Эквивалентная схема микроэлектродной цепи
38
При подключении к усилителю микроэлектроды ведут себя
Рис. 2.10. Вариант схемы с отрицательной эквивалентной
входной емкостью
как фильтры нижних частот, что хорошо видно из рис. 2.9, в то время
как металлические электроды оказываются фильтрами верхних частот. Типовым микроэлектродам присуща большая шунтирующая
(проходная) емкость С и высокое последовательное сопротивление R\.
Для согласования УБП с высокоомным выходом микроэлектрода используют операционные усилители с большим входным сопротивлением, а для компенсации высокой паразитной емкости операционный усилитель охватывается положительной обратной связью,
что создает компенсирующую отрицательную эквивалентную входную емкость.
Для получения отрицательной входной емкости используют
схему, приведенную на рис. 2.10.
Считая входное сопротивление ОУ бесконечно большим, для
данной схемы можно записать
(2.6)
где
– коэффициент усиления, выбираемый небольшим;
– емкость обратной связи;
и
– входные напряжение и ток.
Из выражения (2.6) следует, что входная эквивалентная емкость системы микроэлектрод – ОУ определяется выражением
С
=(1 − ) (при
э
>1 Сэ отрицательна).
39
Если обозначить через RM сопротивление микроэлектрода и
через См – емкость электрода вместе с кабелем, то суммарная емкость
на входе составит
Эта емкость равна нулю, если = (− 1)
, (2.7)
. Реализовать это
условие можно, подбирая величины Ку и СОс, но при этом надо иметь
в виду, что в силу наличия положительной обратной связи в схеме
может возникнуть автогенерация. Поэтому на практике Ку и См подбирают так, чтобы последнее соотношение выполнялось как можно
более точно, без перехода в режим автоколебаний.
2.5. Генераторы сигналов. Функциональные генераторы
Генераторы сигналов различных типов и назначений широко
используются в медицинском приборостроении. Это могут быть
устройства воздействия на биообъект с терапевтической целью, блоки
зондирования внутренних структур организма, узлы управления работой медицинской аппаратуры и т. д.
Схемотехнически электронные генераторы представляют собой усилители, охватываемые положительной обратной связью. Усилители могут быть построены на дискретных элементах, на базе таймеров, цифровых интегральных схем и на операционных усилителях.
Для формирования управляемых сигналов различной формы,
а также для формирования синусоидальных сигналов при минимальных искажениях, особенно в области низких и инфранизких частот,
используют так называемые функциональные генераторы (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Блок-схема функционального генератора
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]