3. Шумовая диагностика жидкостей биологического происхождения

Известно, что биологические системы как растительного, так и животного происхождения являются чрезвычайно чувствительными к воздействию магнитного поля (МП) [1]. В настоящее время существует значительное количество гипотез объясняющих взаимодействие МП с биологическими системами. Наиболее адекватно наблюдаемые магнитобиологические эффекты в растительных биосистемах объясняются с помощью следующих гипотез: перераспределения температурных колебаний в макромолекулах, параметрического резонанса, ионного циклотронного резонанса и диссипативного резонанса. В сельскохозяйственном производстве имеются несистематизированные попытки использования переменных и постоянных МП для обработки растений и семян.

Установлено, что обработка биосистем МП с частотой, лежащей в пределах диапазонов КНЧ, приводит к существенному резонансному отклику биосистемы на оказанное воздействие, причем наблюдаются как резонансные максимумы, так и минимумы [2].

При исследовании сопротивления пятипроцентного раствора мочевины, помещенной в измерительную ячейку, при протекании через неё слабого постоянного тока не более 100 мкА были замечены флуктуации напряжения на контактах измерительной ячейки (рисунок 6). Причём их спектральная плотность обратно пропорциональна частоте. Т.е. эти флуктуации представляют собой розовый шум или фликкер-шум. Среднее значение амплитуды флуктуаций напряжения составляет 50—70 мВ.

При одновременном воздействии на среду магнитного поля Земли и синусоидального переменного МП наблюдается зависимость характера фликкер-шума от частоты магнитного поля в диапазоне от 5 Гц до 700 Гц.

5. Установка для регистрации флуктуаций напряжения на контактах измерительной ячейки

Исследуемый раствор помещался в ячейку для измерения проводимости (электроды покрыты платиновой чернью), которая подключалась к регулируемому источнику тока и осциллографу. Температура раствора контролировалась с помощью термометра с точностью до 0,5 ⁰С. Магнитное поле создавалось катушкой с индуктивностьюL= 0,1 Гн расположенной так, что силовые линии магнитного поля были перпендикулярны силовым линиям электрического поля создаваемого электродами ячейки. Ячейка с исследуемым раствором и катушка помещалась в заземленную камеру для устранения радиопомех, при этом ослабление в диапазоне 100 кГц — 300 МГц измеренное с помощью анализатора спектра С4-48 составляло 40 дБ. Ток, протекающий через ячейку, не превышал 100 мкА.

Усилитель сигнала выполнен на микросхеме AD620 — однокристальном прецизионном инструментальном усилителе, основанном на модификации классической схемы на трех операционных усилителях. Отсечка абсолютного значения позволяет пользователю выставлять коэффициент усиления с высокой (не более 0,15% при 100-кратном усилении) точностью при помощи всего одного резистора.

Упрощенная схема усилителя AD620 изображена на рисунке 7.

6. Упрощенная схема усилителя AD620

Входные транзисторы Q1 и Q2 образуют единственный дифференциальный биполярный высокоточный входной каскад, однако имеют в 10 раз меньший ток утечки благодаря технологии обработки Superbeta. Обратная связь через цепочки Q1-A1-R1 и Q2-A2-R2 обеспечивает постоянный коллекторный ток через транзисторы Q1 и Q2, тем самым увеличивая входное напряжение на внешнем резисторе R_G, задающем коэффициент усиления. Это создаёт дифференциальное усиление входного сигнала на A1/A2, которое на выходах описывается формулой G = (R1 + R2)/RG + 1. "Вычитатель" A3 устраняет синфазные сигналы, тем самым формируя одиночный выход относительно вывода REF. Значение R_Gтакже определяет крутизну характеристики прямой передачи предусилителя. При уменьшении R_Gдля увеличения коэффициента усиления крутизна характеристики прямой передачи асимптотически возрастает до уровня, определяемого входными транзисторами. У такого подхода имеются три важных преимущества:

а) коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи повышается, тем самым повышая выставляемый коэффициент усиления и уменьшая погрешность, вызванную усилением;

б) произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (которое определяется ёмкостями C1 и C2 и крутизной характеристики прямой передачи предусилителя) возрастает с увеличением выставляемого коэффициента усиления, тем самым оптимизируя частотную характеристику;

в) входной шум уменьшается до величины 9 нВ/√Гц, которая определяется, главным образом, коллекторным током и сопротивлением базы входных каскадов.

Сопротивление внутренних резисторов усилительного каскада, R1 и R2, уменьшено до величины 24,7 кОм, что позволяет с высокой точностью выставлять коэффициент усиления единственным внешним резистором. Уравнение для коэффициента усиления, таким образом, имеет вид:

, .

Технические характеристики микросхемы AD620:

- коэффициент передачи 1 — 10000

- коэффициент подавления синфазной помехи 100 дБ (G=10)

- время установления (до 0,01%) 15 мкс

- напряжение смещения 50 мкВ

- дрейф напряжения смещения 0,6 мкВ/°С

- ток смещения 1 нА

- уровень шумов (f=1кГц) 9 нВ/√Гц

На рисунках 8–10 изображены частотные и шумовые характеристики усилителя AD620.

7. АЧХ усилителя AD620

8. Зависимость спектральной плотности напряжения шумов от частоты усилителя AD620

9. Зависимость спектральной плотности шумового тока от частоты усилителя AD620

Предварительные эксперименты показали, что при определенных частотах МП напряжение претерпевает скачкообразное изменение. Поэтому проводилось исследование количества скачков напряжения в единицу времени, то есть частоты изменения напряжения. За временной отрезок, в течение которого учитывалось изменение напряжения, было принято 60 секунд. Частота МП изменялась с шагом в 1 Гц. После каждого изменения частоты МП системе было отпущено время на релаксацию в течение 30 секунд.

Из вида зависимости количества скачков напряжения в единицу времени от частоты МП следует, что имеются чередующиеся максимумы и минимумы частоты изменения напряжения. С увеличением частоты МП растет как амплитуда этих максимумов, так и общая частота скачков.

Обработка раствора мочевины МП была проведена на тех частотах, на которых были обнаружены максимумы и минимумы изменения флуктуаций напряжения. Обнаружена корреляция результатов исследования по измерению частоты флуктуаций напряжения от изменения частоты МП. На рисунках 11 ­12 изображены осциллограмма и спектр раствора мочевины обработанной на частоте 10 Гц.

10. Осциллограмма раствора мочевины обработано

на частоте 10 Гц

11. Спектр сигнала раствора мочевины обработано

на частоте 10 Гц