Чому б ви поставили свій підсилювач на вході перед фільтруванням для ЕКГ-сигналу?


14

У цій статті на easures.com вони показують ланцюг сигналів для вимірювання ЕКГ.

введіть тут опис зображення

Сирий сигнал ЕКГ містить шум і компенсує щонайменше на величину більше, ніж реальний сигнал. (Декілька мВ ЕКГ, кілька десятків мВ від шуму електропередачі та зсуву електрода та до декількох сотень мВ базової лінії блукають через рух грудей.)

Це інтуїтивно змусить мене зробити фільтрацію сигналу перед підсилювачами, щоб уникнути посилення небажаних компонентів сигналу. Однак у цій статті вони фільтрують сигнал після вхідного підсилювача, видалення шуму високої частоти навіть після другого підсилювача.

Я не можу по-справжньому придумати причину, чому вони б це зробили. Єдине, що спадає на думку, - це дуже високий опір джерела сигналу, але фільтрація не вплине на джерело сигналу, оскільки цей діапазон частот, очевидно, знаходитиметься в смузі пропускання.

Чи пропускаю я якусь важливу причину, чому ви б робили кондиціонування сигналу в такому порядку?


Це досить гарна стаття.
Скотт Сейдман

Відповіді:


25

Чи пропускаю я якусь важливу причину, чому ви б робили кондиціонування сигналу в такому порядку?

Так і є...

Передній диференціальний підсилювач буде обраний таким, щоб він мав загальний режим відхилення багатьох десятків дБ, цілком можливо, в області 80 дБ.

Цей диференціальний підсилювач перетворює диференціальний сигнал в односмуговий сигнал, і будь-які перешкоди загального режиму будуть в основному ігноруватися.

Якщо ви повинні поставити фільтри на обидві ніжки розмінного підсилювача, щоб уникнути невідповідності балансу, вам доведеться вибирати компоненти (наприклад, конденсатори та резистори), які відповідають рівню принаймні рівня -80 дБ.

Ви можете вважати, що 1% конденсаторів мають потенційно різницю у значенні 2%, і це, в дБ, може розглядатися як -20 log (50) = -34 дБ. Іншими словами, ви ніколи не отримаєте пристойних диференціальних характеристик загального режиму з фільтрами на кожній нозі перед диф-підсилювачем.


1
Чи можливо, що диференціальний шум є достатньо великим, щоб гарантувати фільтрацію перед підсилювачем, незважаючи на зменшення CMRR?
DavidG25

2
Це може статися, але знадобиться компонент DM набагато більший, ніж кілька сотень мВ (100mV дає лише половину вольта на виході цього підсилювача). Ще однією причиною посилення на ранніх етапах є те, що ви робите шум у решті систем менше проблем, застосовуючи 14dB посилення на передньому кінці. Зараз на практиці реальність є безладною, і, швидше за все, існуватимуть фільтри перед різним підсилювачем, але вони, як правило, виходять за межі діапазону, що цікавить, щоб невеликі допуски мали мінімальний ефект. Вони існують, щоб уникнути електроніки такі речі, як радіопередачі.
Ден Міллс

1
@DanMills: +1 для останньої точки, хоча це може бути додатково розширено, зауваживши, що заглушка між двома входами підсилювача забезпечить фільтрування низьких частот без створення диференціального шуму, але зазвичай не розглядається як "фільтр" на вимову в блок-схемі.
Supercat

1
@supercat Дійсно, і ви можете зробити це на крок далі і розділити цю шапку на два послідовно, після чого розмістіть МАЛУ цінність одного від місця стику до шасі. Невідповідність двох великих ковпачків серії зменшується, оскільки велика частина напруги КМ в діапазоні, що цікавить, опускається через малий ковпачок на землю, тоді як у РФ кришки великої серії мають незначні опори, а ковпачок на землю шунтує струм ВЧ.
Ден Міллс

8

Енді та Нік запропонували чудові відповіді. Дозвольте мені спробувати трохи попекти їх.

По-перше, математика говорить, що посилення потім фільтрування еквівалентно фільтруванню, а потім посиленню. Це, звичайно, стосується ідеальної ситуації, тому давайте обговоримо неідеальність.

Великий тут, ІМО, - це насичення. Якщо шум настільки великий, що насичує ваш підсилювач, всі ставки вимикаються. Ви втрачаєте сигнал. Це нас тут турбує ?? Не зовсім. Зазвичай ми залишаємо коефіцієнт підсилення цієї стадії InAmp досить низьким, щоб мати справу зі зміщенням 100мВ або близько постійного зміщення електродів постійного струму, тому посилення скромне, і ми навряд чи наситимо.

Наступне занепокоєння, пов'язане з неідеальністю, як уже згадувалося, - це загальний режим шуму та CMRR. Ми хочемо, щоб CMRR в діапазоні пропусків був чудовим. Якщо ми пошкодимо CMRR у прохідній смузі, зменшуємо SNR. Я не повністю з Ніком на попередній фільтрації в діапазоні кГц, але я зазвичай дотримуюся вказівок виробника для радіочастотної фільтрації, і, можливо, навіть на десятиліття частоту нижче їхніх рекомендацій. Коли я будую ці фільтри, я часто використовую ковпачки X2Y, щоб намагатися добре відповідати кришкам .

Нарешті, давайте подумаємо про шлях сигналу на всьому шляху до сигналу в тілі. Імпеданс інтерфейсу електрод / шкіра буде завждиваріюються, і кожен дизайн повинен враховувати це. Через величезний вхідний опір сьогоднішніх InAmps, це не так вже й велика угода, як раніше. Насправді, щоб відповідати стандартам безпеки лікарні NFPA99 (коли я знаю, що я повинен принести прилад через клінічну інженерію для обстеження), я часто накладаю великий резистор на кожен відвід електрода, щоб гарантувати відповідність (<10 мікроампер) зважаючи на відмову напруги в рейці на входах підсилювача. Я добре співпадаю з цими резисторами, але це, мабуть, не має такої різниці, як мені подобається, думаю, особливо, враховуючи невідповідність електрода, тож певною мірою ми жартуємо собі, щоб вважати, що тільки тому, що ми не робимо ' t вставте фільтр до того, як підсилювач того, що сигнальні шляхи всіх електродних проводів добре узгоджені - вони '. Варіанти тут, однак, можуть зробити цвях частоти відсічення фільтра, який ми вирішимо поставити сюди трохи неясним.

Вкиньте загнану ногу в суміш, і ви, напевно, на 20 дБ краще. InAmps - це не те, чим вони були в дні Джона Вебстера . У нас недорогі агрегати з опорами, про які він міг тільки мріяти.

Те, як я підходжу до таких питань, полягає в тому, щоб перевести міг диференціального сигналу в односкладний, як тільки можливо, обробляючи так обережно, як я можу піти праворуч до тих пір, поки інструментний підсилювач зі скромним посиленням, і після цього я роблю все, що завгодно Я хочу. При гарному виборі деталей ви можете дійсно отримати шум на рівні мікронапруги за допомогою сигналів рівня мілівольт.

В останньому моменті, хороша ідея Ніка щодо захисту ШОЕ. Що стосується моїх речей, я не особливо дбаю, але ви коли-небудь замислювалися про те, як клінічні одиниці ЕКГ не просто з'являються, коли пацієнт дефібрилюється? Тисячі вольт представлені на входах, а добре розроблений пристрій просто сміється і займається своєю справою.


8

Я другий відповідь @ Енді , і я хотів би додати одне.

Закликається пасивний фільтр низьких частот між електродами та InAmp. Я ставлю частоту відсічення десь в області кГц.

блок-схема з низькочастотним фільтром між електродами та підсилювачем приладів

InAmps мають великий CMRR на низьких частотах, але CMRR деградує на більш високих частотах (вище 3 кГц-10 кГц залежно від мікросхеми). Виправлення на високих частотах - ще одна проблема для InAmps. Високочастотний сигнал може бути виправлений на вхідному етапі InAmp, а потім з'явитися як зміщення постійного струму.
(Докладніше в примітці до цього додатка: Аналогові пристрої MT-070. Вбудований RFI захист .

Оскільки сигнал ЕКГ низький, то високу частоту можна відфільтрувати навіть із дещо невідповідними пасивними компонентами.


1
Високі частоти не потрібно фільтрувати як звичайний режим, оскільки вони можуть бути відфільтровані низькочастотним ПІСЛЯ підсилювача. Ви не хочете, щоб пасивні сигнали перед підсилювачем на будь-якій невеликій сигнальній системі, і особливо на ЕКГ, ви хочете, щоб усі вимірювальні електроди були підключені до "нескінченного" вхідного опору FET-стадій, нездатних пропускати струм через тіло. Привід RL повільно вирівнює землю вашого ланцюга і заземлення тіла, ви НЕ хочете утворювати схему з струмом, що витікає з приводу RL, і в канал вимірювання.
Бен

1
@Ben Високочастотний загальний режим повинен бути відфільтрований перед InAmp. InAmps добре відхиляє загальний режим на низьких частотах. На жаль, InAmps мають проблеми із загальночастотним загальним режимом (вище 10 кГц, хоча це залежить від однієї моделі InAmp до іншої). CMRR залежить від частоти і знижується на більш високих частотах. [Просто, щоб продовжити тему. Я розглядаю це головним чином як захист InAmp від EMI. Якщо ми хочемо розглянути аспекти безпеки пацієнтів, я також буду радий це зробити.]
Нік Алексєєв

Вам не потрібен CMRR на частотах, що перевищують смугу сигналу. Якщо вони проходять через підсилювач, це не має значення, оскільки наступний смуговий пропуск фільтрує їх. Те, що ви не хочете, - це джерела шуму попереду першого підсилювача.
Бен

1
@Ben Крім зниження CMRR на високій частоті, InAmps також страждає від виправлення на високій частоті. Високочастотний сигнал може виправлятися на вхідному етапі InAmp, а потім з'являтися як зміщення постійного струму на виході. Більше в цій примітці до програми: Аналогові пристрої MT-070. Вбудований RFI захист вхідного сигналу .
Нік Алексєєв

7

Єдине фільтрування, яке ви робили перед першим підсилювачем, - це те, що стосується форми антени / хвилеводу. І це стосується лише мікрохвильової та вищої частот.

Звичайні пасивні фільтри додають шум - ви хочете, щоб сигнал був максимально більшим порівняно з поданим шумом. Навіть якщо це означає, що ви також підсилюєте перешкоджаючі сигнали, ви не змінюєте співвідношення сигнал до вбудованих смугових сигналів, тому ви можете фільтрувати перешкоди так само ефективно, як і раніше. Але ви не можете настільки ефективно підсилити після фільтрації, тому що ви вже змішані в шумі фільтра.

Потім ви часто повторюватиметесь після фільтрації, оскільки тепер повний динамічний діапазон можна застосувати до частот, що цікавлять вас. Але це додатково до попереднього підсилення, а не замість цього.

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.