Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Узлы и элементы биотехнических систем. Учебное пособие
.pdf
Коэффициент затухания α определяет форму характеристики
Рис. 3.5. Частотные характеристики фильтров различных типов:
1 – фильтр Бесселя (а = 1,732); 2 – фильтр Баттерворта (а = 1,414);
3 – фильтр Чебышева с неравномерностью 1 дБ; 4 – фильтр
Чебышева с неравномерностью 3 дБ
фильтра на переходном участке и вид выброса характеристики в полосе пропускания вблизи переходного процесса. Таким образом, коэффициент затухания определяет форму частотной характеристики
фильтра, т. е. его тип. На рис. 3.5 представлены частотные характеристики фильтров различных типов с различным коэффициентом затухания.
Неравномерность связывают с величиной отклонений (колебаний) вершины логарифмической амплитудно-частотной характеристики в полосе его пропускания (ΔL).
Добротность Q связывает среднюю частоту полосы пропус-
кания и ее ширину на уровне 3 дБ (рис. 3.6). Численно добротность
определяют как
(3.2)
где
– средняя частота; f1 и f2 – соответственно нижняя и верхняя
частота среза на уровне 3 дБ от Кп в полосе пропускания. Для активных фильтров Q= 1/α.
61
Рис. 3.6. Основные характеристики фильтров для различных
добротностей Q
Чувствительность S определяется как выраженное в процентах
изменение характеристики схемы при частичном изменении одной из
независимых переменных в схеме. Чувствительность данного характеристического параметра, например избирательности Q активного
фильтра относительно частичного изменения параметра элементов
схемы фильтра, определяется в следующем виде:
(3.3)
где X может быть любым из параметров пассивных элементов или
усилителя. В табл. 3.1 приведены основные характеристики фильтров второго порядка различного типа.
Выбирая типы и характеристики фильтров, можно обеспечить
требуемые преобразования биомедицинских сигналов в частотной области, например, с целью подавления помех различной природы.
62
Таблица 3.1
Тип фильтра
α
Отношение
Баттерворта
1,414
1,00
Бесселя
1,732
0,785
Чебышева:
неравномерность 0,5 дБ
1,578
1,390
неравномерность 1 дБ
1,059
1,218
неравномерность 2 дБ
0,886
1,074
неравномерность 3 дБ
0,766
1,000
а б
Рис. 3.7. Условное обозначение (а) и электрическая схема (б)
преобразователя «ток – напряжение»
Характеристики фильтров второго порядка
3.3. Линейные преобразователи сигналов
В случаях, когда по условию задачи требуется достаточно точно
измерить малые токи (например, при построении цифроаналоговых
преобразователей), используют источники тока, управляемые напряжением. Эти источники имеют второе название – преобразователи «ток –
напряжение» (условное обозначение приведено на рис. 3.7а).
В идеальных преобразователях такого типа входные и выходные сопротивления равны нулю. Для преобразования слабых токов (рис. 3.7б),
втекающих в общую точку, используются простейшие схемы, входное
сопротивление которых при конечных величинах КU определяется выражением
, (3.4)
Выходное сопротивление определяется как
(3.5)
где r
– выходное сопротивление ОУ; Rн – сопротивление источника
вых
входного сигнала.
63
Для преобразования и измерения относительно больших токов
Рис. 3.8. Схема измерителя тока
используют более сложные схемы, например с применением специальных микросхем (рис. 3.8). Такие схемы используются для измерения тока Iи, протекающего через сопротивление нагрузки R4, и выполнены на преобразователе «ток – напряжение» типа INA 168.
Для схемы, приведенной на рис. 3.8, с учетом идеальности ОУ,
малого тока базы транзистора VTI и равенства сопротивлений R1 и R2
выполняется соотношение
(3.6)
В измерителях сопротивлений некоторых типов терапевтической аппаратуры требуется обеспечивать ток нагрузки независимо от
выходного напряжения, а величину тока определять величиной входного управляющего напряжения. Такие схемы называют преобразователями «напряжение– ток» (рис. 3.9а). В идеальном варианте преобразователи этого класса имеют бесконечно большие входные и выходные сопротивления.
Варианты схем преобразователей «напряжение –ток», выполненные с использованием ОУ, включенных по инверсной и неинверсной
схемам, представлены на рис. 3.9б и рис. 3.9в соответственно. В обоих
вариантах сопротивление нагрузки R2, по которому течет ток нагрузки I2,
включено в цепь обратной связи. Выходные сопротивления (между выходом А1 и его инверсным входом) определяются выражением
(3.7)
64
Схему рис. 3.9б отличает то, что при использовании ОУ с
Рис. 3.9. Условное обозначение (а) и варианты источников тока с
нагрузкой в цепи обратной связи (б, в)
большим выходным током она может управлять мощной нагрузкой,
например электродвигателем.
На рис. 3.10 приведена схема преобразователя «напряжение –
ток с заземленной нагрузкой» (схема Хоуленда), в которой роль
нагрузки выполняет резистор R6. При условии выполнения соотношений R1 = R3, R2 = R4 выходной ток определяется выражением
(3.8)
65
Рис. 3.10. Структурная электрическая схема источника тока
с заземленной нагрузкой
К классу линейных преобразователей аналоговых сигналов относят схемы инверторов сопротивлений, используемые для компенсации потерь и повышения добротности колебательных контуров, а
также гираторы для физического или полунатурного моделирования
катушек индуктивности до некоторых сотен генри.
3.4. Нелинейные преобразователи аналоговых сигналов
В задачах обработки биомедицинских сигналов и формирования различных видов воздействия на биообъекты часто приходится
пользоваться нелинейными преобразователями вида U
= f(Uвх). Та-
вых
кие преобразования реализуются двумя способами: 1) на основе использования нелинейных физических эффектов; 2) с помощью различных методов аппроксимации.
3.4.1. Сравнивающие устройства (компараторы)
Аналоговые компараторы предназначены для сравнения величин двух аналоговых сигналов в соответствии с соотношением
=
(3.9)
где
U
вых
– анализируемый входной сигнал;
– опорный сигнал (уровень сравнения);
66
– уровень выходного сигнала при превышении входного
сигнала над опорным;
– уровень выходного сигнала при превышении опорного
сигнала над входным.
Таким образом, компаратор по своему выходному сигналу
имеет два состояния, что позволяет рассматривать его как элемент
перехода от аналоговых к цифровым сигналам.
Аналоговые компараторы строятся на операционных усилителях или реализуются как самостоятельные изделия.
Работа компаратора, построенного на ОУ, основана на том, что
из-за большого коэффициента усиления при разорванной цепи обратной связи даже небольшая разность потенциалов на его прямом и инверсном входах приводит к переходу ОУ в режим насыщения с
напряжением, близким к уровню питающего напряжения. Для ограничения уровня выходного напряжения могут быть использованы стабилитроны (рис. 3.11а).
Стабилитрон ограничивает уровень выходного сигнала на
уровне напряжения стабилизации
-
мого напряжения
= U* (рис. 3.11б).
Изменение полярности напряжения U
ходе через нуль напряжения Uн, т. е. при U
U
и на уровне своего пря-
CT
происходит при пере-
вых
= U
вх
оп (R1/R2
). Схемы с
аналогичными характеристиками могут быть использованы для фиксации момента достижения входным сигналом заданного уровня (порога). На рис. 3.11в показана временная диаграмма работы компаратора, настроенного на величину порогового напряжения Еп.
При использовании сумматора на входе компаратора можно
реализовать схемы линейного порогового элемента, которые широко
используются, например, при реализации функции нейронного элемента в теории распознавания образов (рис. 3.11г). Эта схема воспроизводит функцию вида
(3.10)
где а – весовые коэффициенты, задаваемые переменными резисторами.
Сравнивающие устройства можно выполнять на ОУ без обратной связи, используя свойство выходных каскадов входить в режим
насыщения (рис. 3.11д). Эти схемы обладают хорошей точностью и
низким быстродействием, из-за того что необходимо время на восстановление транзисторов выходных каскадов. Общее быстродействие
ухудшается еще и инерционностью стабилитрона.
67
Рис. 3.11. Варианты схем реализации компараторов
68
Приведенные схемы (см. рис. 3.11) обладают низкой помехо-
Рис. 3.12. Компаратор с петлей гистерезиса
защищенностью, поскольку наличие помехи в районе порога срабатывания может приводить к ложным срабатываниям. Для повышения
помехозащищенности устройств сравнения или для образования двух
порогов переключения вводят цепь положительной обратной связи
(рис. 3.11а). Цепь обратной связи образует в передаточной функции
ОУ гистерезис шириной ΔЕс = Еn2 – En1. Наличие указанной связи поз-
воляет сохранять одно из двух устойчивых состояний
даже если U
= 0. Пороги переключения Еn1 и Еn2 легко найти из усло-
вх
или
вия равенства напряжений Uи и Uн (рис. 3.11б), пренебрегая, например, влиянием входных токов:
(3.11)_
,
Если включить ограничивающий диод (см. рис. 3.12а, штриховая линия), то
где
– падение напряжения на открытом диоде.
69
(3.12)
Промышленность выпускает различные типы интегральных
Рис. 3.13. Схемы включения интегральных компараторов
компараторов, которые представляют собой усилители постоянного
тока с большим усилением, малым дрейфом, малым смещением нуля,
большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала.
Компаратор обладает логическим (двоичным) выходом, а его
входной каскад должен выдерживать большие синфазные и дифференциальные напряжения на входах, не попадая в режим насыщения,
что позволяет обеспечивать повышенное быстродействие.
Условие малой чувствительности к большим входным напряжениям может быть реализовано использованием двух ограничивающих диодов (рис. 3.13а).
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]