Теперь переходим к аналоговой части нашей схемы. Аналоговая часть строится на базе инструментального операционного усилителя AD620. Сведения об операционных усилителях (ОУ) необходимые для дальнейшего понимания излагаемого см. здесь. Рассмотрим даташит на AD620 (здесь) и обнаружим, что там электрокардиограф (кардиограф) строится по следующей схеме:
рис.4
Мы эту схему упростим до следующего вида:
рис.5
Дело в том, что “драйвер правой ноги” (right leg driver – ещё это часто имеет название «референтный электрод») на основе AD705J нам не нужен так как он предназначен для борьбы с наводкой в 50 Гц, которая обычно возникает если прибор гальванически соединён с сетью в 50Гц. У нас прибор с сетью, как мы уже знаем, не соединён и питается от батарейки в 9В, поэтому здесь схема «драйвера правой ноги» на основе усилителей лишняя и более того в нашем случае привносила бы дополнительный шум. В итоге в качестве “драйвера правой ноги” у нас будет просто нулевой провод. Почему именно нулевой провод? Дело в том, что разность потенциалов между телом человека и нулевым потенциалом схемы может быть довольно большой и в итоге может получиться так, что потенциалы, снимаемые с тела и подаваемые на входы усилителя, относительно нулевой точки схемы имеют слишком большую величину, при этом выходят за диапазон допустимых величин потенциалов подаваемых на входы ОУ и это несмотря на то, что разность потенциалов между плюсовым и минусовым входом усилителя в пределах милливольта (см. подробнее об этом здесь – где: «. потенциалы относительно нуля схемы, подаваемые на входы +IN и –IN усилителя должны быть в пределах определяемых . «). Подобное чревато режимом насыщения усилителя, в котором он не усиливает, а просто выдаёт на выход постоянную составляющую равную примерно верхнему или нижнему значению напряжения питания усилителя (в нашем случае это около +3В или -3В). Чтобы этого избежать нужно привести потенциалы тела к требуемому диапазону – к уровню близкому потенциалу нулевого провода схемы. Поэтому мы и подключаем этот нулевой провод к правой ноге человека (максимально далеко от сердца – так принято в медицине, чтобы минимизировать всякий риск поражения током). В итоге потенциал, снимаемый с тела человека близок к нулевому потенциалу схемы, а значит, попадает в диапазон допустимых величин потенциалов подаваемых на входы ОУ.
Необходимо так же отметить, что имеет место такое явление как поляризация электродов при их контакте с кожей. Это приводит к тому, что на входе усилителя помимо изменяющейся разности потенциалов, обусловленной электрической активностью сердца (полезный сигнал, который мы стремимся измерить) появляется ещё и постоянная составляющая, чья величина может достигать 300 мВ как в положительную, так и в отрицательную сторону (см. С.В. Фролов, В.М. Строев, А.В. Горбунов, В.А. Трофимов Методы и приборы функциональной диагностики. Изд-во ТГТУ, здесь также есть об этом, правда на английском языке). Если мы сразу усилим данный сигнал в 1000 раз, то в итоге получим величину около 300В или -300В – что явно выходит за пределы возможностей усилителя. В итоге мы просто получим усилитель в режиме насыщения. Чтобы этого избежать усилитель строят из 2-х ОУ и фильтра высоких частот (ФВЧ) между ними – это и изображено в схеме даташита. Первый усилитель AD620 имеет коэффициент усиления 7, далее у усиленного таким образом сигнала при помощи ФВЧ в виде RC-цепочки вида:
Читайте также: Предел последовательности с факториалом примеры
рис.6
убирается постоянная составляющая – та самая, что получается при усилении составляющей обусловленной поляризацией электродов. Эту самую постоянную составляющую не пропускает конденсатор RC-цепочки, включённый последовательно со входом следующего усилителя. Далее полученный сигнал поступает на 2-й AD620 с коэффициентом усиления около 140. Тау RC цепочки – 0.3 сек. Получается схема вида рис.7:
рис.7
Схема на рис.7 не полная – нужен опорный уровень (см. объяснение здесь) – его мы сделаем на основе OP97. Также необходимо добавить конденсаторы для борьбы с самовозбуждением по питанию операционников (см. объяснение здесь). В итоге аналоговая часть схемы имеет вид рис.8
рис.8
Здесь не хватает лишь схемы стабилизированного питания. То есть той части схемы рис.8, которая там обозначена как:
рис.9
Блок питания построим на основе микросхемы TL431. За основу возьмём схему вот отсюда (здесь). Достоинство источника питания выполненного по этой схеме – меньший уровень шумов по сравнению, например, с импульсными источниками питания.
рис.10
Эта схема выдаёт стабилизированное напряжение -2.5В и +2.5В. В принципе этого уже достаточно чтобы запитать схему – AD620 может работать и при +2.3В, -2.3В, а OP97 при +2В, -2В (см. даташиты). К тому же в данной схеме блока питания можно отказаться от конденсаторов C1 и C2 в 470 мкФ и оставить только конденсаторы C3, C4 в 0.1 мкФ – всё это без ухудшения характеристик кардиографа (отказываемся от конденсаторов большой ёмкости в схеме, в том числе и с целью убрать возможный риск по электробезопасности). Вместе с тем, учитывая, что конечная цель – энцефалограф, где необходимо будет также применять ОУ TLC272 с минимальным питанием в 5В, для некоторого запаса, разумно применить стабилизированный источник на +3В, -3В, что даст возможность запитать TLC272 6-тью вольтами. Тогда с учётом рекомендацийдаташита на TL431
схему вида рис.10 переработаем к виду рис.11:
рис.11
Здесь просто в схеме рис.10 части вида
рис.12
заменили частями вида
рис.13
а также убрали конденсаторы на 470 мкФ. В даташите на TL431 схема вида рис.13 соответствует рисунку:
рис.14
Так как у нас Vka должно быть +3В, Vref=2.5В и Iref около нуля, то R1/R2=Vka/Vref-1=0.2. Чтобы выполнялось это условие возьмём R1=2 кОм R2=10 кОм. Это и будут значения сопротивлений R1, R2 схемы рис.11.
Таким образом, схема аналоговой части энцефалографа сводится к схеме рис.8 и источнику питания для этой схемы рис.11 (ну или рис.10, причём, без конденсаторов в 470 мкФ).
Также необходимо отметить, что к GND Arduino (см. рис.2, рис.3) подключается потенциал -3В нашей аналоговой части, а, не нулевая точка, как можно было бы подумать. Разность потенциалов между, например, A0 и GND Arduino должна бытьтолько положительной. К A0 Arduino подключается выход (OUTPUT) второго усилителя AD620.
ОУ – устройство часто изображаемое на схеме следующим образом:
рис.1b
В нашем случае построения системы для измерения ЭКГ и ЭЭГ (см. здесь и здесь) мы будем работать с OP97 и AD620. Рассмотрим сначала AD620. В даташите на него он обозначен следующим образом:
Читайте также: Как перенести файлы ватсап на карту памяти
рис.2b
AD620 – инструментальный ОУ. Слово инструментальный говорит о его лучших характеристиках по сравнению с обычным ОУ. Усиливаемый сигнал подаётся на входы +IN и соответственно –IN. Коэффициент усиления данного усилителя задаётся при помощи резистора подключаемого к входам Rg (их соответственно два – №1 и №8). Какой резистор, какому коэффициенту усиления соответствует – смотрим в даташите. Питание ОУ AD620 – двуполярное. Это означает, что у него есть выводы для питания, которые обозначаются как +Vs и –Vs. И теперь если мы подключим к ним, например, батарейку в 5В (причём минус батарейки нужно подключать к –Vs, а плюс соответственно к +Vs), а на сигнальные входы +IN и соответственно –IN подадим разность потенциалов, которую надо усилить, то усиленный в K раз сигнал (где K – коэффициент усиления задаваемый Rg – см. выше) мы можем снять с данного устройства подключившись к выводу OUTPUT и точке, собираемой нами схемы, с потенциалом в 2.5В относительно минуса батарейки. Точка с потенциалом 2.5В относительно минуса батарейки называется нулевой точкой. Это и есть тот самый нуль относительно которого меряется потенциал (усиленный сигнал) на выводе OUTPUT усилителя. Данную точку можно получить при помощи обыкновенного резистивного делителя вида рис.3b.
рис.3b
Таким образом, простейшая схема подключения данного ОУ выглядит следующим образом:
Таким образом плюс батарейки относительно нулевой точки имеет потенциал равный +2.5В, а минус батарейки относительно нулевой точки имеет потенциал –2.5В (см. рис.3b). То есть потенциал нулевой точки ровно посередине между плюсом и минусом батарейки. Отсюда и название данного способа питания – двуполярное питание (так как получается что на вывод –Vs усилителя мы подали минус 2.5В относительно нулевой точки, а на +Vs мы подали плюс 2.5В относительно нулевой точки).
Так же необходимо отметить, что потенциалы подаваемые на входы +IN и –IN усилителя относительно нуля схемы должны иметь величину в тех же пределах, что и потенциалы источника питания. То есть если на –Vs и +Vs мы подали соответственно –2.5В и +2.5В, то на –IN и +IN нельзя подавать, например, соответственно 230В и 230.1В. В данном примере разность потенциалов 230.1–230=0.1В хоть и небольшая, но усилена не будет. По даташиту необходимо выяснять приемлемый диапазон потенциалов на входах соответствующего ОУ. Например, для AD620 в соотвествии с его даташитом Input Voltage Range (диапазон входных напряжений) при подаче питания в –2.5В и 2.5В на –Vs и +Vs напряжение относительно нуля на –IN или +IN должно быть не больше Vs–1.2В = 2.5–1.2 = 1.3В и не меньше –Vs+1.9В = –2.5+1.9 = –0.6В. Это значит, что если, например, подать на –IN и +IN соответственно 0.2В и 0.3В, то теперь разность потенциалов между –IN и +IN в тот же 0.1В уже может быть усилена. В схеме электрокардиографа (см. рис.5) для того чтобы потенциалы с тела человека подаваемые на вход усилителя были бы в тех же пределах, что и потенциалы источника питания, нулевая точка источника питания подключается при помощи так называемого референтного электрода к правой ноге пациента (ещё такое подключение называется “драйвер правой ноги” – right leg driver). В итоге потенциалы на теле человека будут колебаться в пределах нулевой точки источника питания усилителя, а значит будут попадать в диапазон Vs–1.2В, –Vs+1.9В.
Так же есть следующая важная особенность. Выходное напряжение усилителя надо мерить относительно OUTPUT и нулевого провода схемы, однако, на практике иногда некоторые ОУ добавляют к выходному сигналу свой сдвиг на ту или иную постоянную величину. Поэтому у таких ОУ для того чтобы убрать эту постоянную величину и чтобы в итоге измерения относительно нулевого провода схемы были бы корректными обычно предусмотрен вывод REF (так называемый опорный вход) на который необходимо подавать нулевой потенциал схемы. Причём подавать на вывод REF нулевой потенциал нужно от источника с минимальным выходным сопротивлением, а иначе подача на REF нулевого потенциала не достигнет желаемого эффекта. Таким образом, на вход REF нулевой потенциал обычно подаётся через ОУ включённого по схеме так называемого повторителя, у которого, как известно выходное сопротивление близко к нулю, а входное наоборот стремится к огромной величине. На вход повторителя, коэффициент усиления которого равен единице, подаётся нулевой потенциал, с выхода повторителя снимается нулевой потенциал и подаётся на REF. ОУ включённый по схеме повторителя выглядит так:
Читайте также: Ошибка 339 как исправить
рис.5b
Тогда схема включения усилителя с REF будет выглядеть так:
рис.6b
В нашей схеме электрокардиографа повторитель, выдающий опорное напряжение для усилителей AD620 построен на основе OP97 (см. рис.8) – здесь на плюсовой вход OP97 подан нулевой потенциал, а с выхода OP97 опорный нулевой потенциал подаётся на специально предназначенные для этого REF выводы усилителей AD620. OP97 также двуполярный.
Кроме ОУ с двуполярным питанием есть и так называемые однополярные, например, TLC272. У таких усилителей выходное напряжение меряется не относительно нулевой точки, а относительно минуса батареи, а соответственно выводы для питания такого ОУ обозначаются как GND (сюда минус батареи) и VDD (а сюда плюс).
Ну вот, пожалуй, и всё. Этих сведений достаточно для понимания, что куда подавать и что, где мерить у усилителей на нашей схеме электрокардиографа.
Подробнее об операционных усилителях также можно посмотреть здесь:
AD620 – это недорогой, обладающий высокой точностью инструментальный усилитель, который требует всего одного внешнего резистора для задания коэффициентов усиления от 1 до 10000. Усилитель обладает малым энергопотреблением (максимальный потребляемый ток всего 1.3 мА).
Обладающий малой максимальной нелинейностью (40 ppm), низкими напряжением смещения (50 мкВ, макс.) и дрейфом напряжения смещения (0.6 мкВ/°C, макс.) AD620 является идеальным выбором для прецизионных измерительных систем, например, в электронных весах или при интерфейсе с датчиками. Более того, низкий шум, малый входной ток смещения и низкое энергопотребление делают AD620 привлекательным для медицинских систем, например, аппаратов ЭКГ и бесконтактных тонометров.
Обеспечение малого входного тока смещения (1.0 нА, макс.) стало возможным благодаря применению во входном каскаде супербета транзисторов. AD620 обладает низким входным шумом напряжения (9 нВ/√Гц на 1 кГц, размах 0.28 мкВ в полосе от 0.1 Гц до 10 Гц) и низким входным шумом тока (0.1 пА//√Гц), что делает его хорошим выбором для предварительного усиления. Кроме того, AD620 хорошо подходит для систем с мультиплексированием благодаря установлению в пределах погрешности 0.01% за 15 мкс и имеет достаточно низкую стоимость для использования в проектах с отдельными усилителями в каждом канале.
