Усилительное устройство

 

Изобретение может использоваться как усилитель биопотенциалов в медицине и обеспечивает повышение помехоустойчивости к синфазным помехам. Усилительное устр-во (УУ) содержит управляемые фазовращатели 1, 2, операционные усилители 3,4, резисторы 5-8, 18, управляемые делители напряжения (УДН) 9, 10, дифференциальный усилитель (ДУ) 11, выполненный на операционном усилителе 12, квадратурный фазорасщепитель 13, фазовые детекторы 14, 15 и цифровые интегрирующие звенья (ЦИС) 16, 17. Работа УУ поясняется для случаев, когда величины переходных сопротивлений электрод-биообъект одинаковы и когда различны. В первом случае на оба входа УУ поступают одинаковые по амплитуде и фазовому сдвигу синфазные сигналы помехи. При этом УУ обеспечивает полное подавление синфазной помехи и усиление сигнала биопо енциалов. Во втором случае ДУ 11 выделяет разностный сигнал. В точке соединения резисторов 8, 18 выделяется сигнал синфазной помехи, который поступает на квадратурный расщепитель 13. В зависимости от полярности сигнала разбаланса с помощью фазового детектора 14 и ЦИЗ 16 формируется сигнал изменения коэф. деления соотв. УДН, а с помощью фазового детектора 15 и ЦИЗ 17 - сигнал управления соотв. фазовращателя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. о (Л со СП со со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 Н 03 G 3/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3955019/24-09 (22). 11.09.85 (46) 23. 11.87. Бюл. ¹ 43 (71) Особое конструкторское бюро биологической и медицинской кибернетики. Ленинградского электротехнического института им.В. И . Ульянова Ленина) (72) В.А.Орлов (53) 621.396.662(088.8) (56) Микрокомпьютерные медицинские системы. Проектирование и примененение./Под ред. У.Томкинса и др. M.:

Мир, 1983, с, 21. (54) УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение может использоваться как усилитель биопотенциалов в медицине и обеспечивает повышение помехоустойчивости к синфазным помехам.

Усилительное устр-во (УУ) содержит управляемые фазовращатели 1, 2, операционные усилители 3,4, резисторы

5-8, 18, управляемые делители напряжения (УДН) 9, 10, дифференциальный усилитель (ДУ) 11, выполненный на

80„, 1354391 А1 операционном усилителе 12, квадратурный фазорасщепитель 13, фазовые детекторы 14, 15 и цифровые интегрирующие звенья (ЦИС) 16, 17. Работа

УУ поясняется для случаев, когда величины переходных сопротивлений электрод-биообъект одинаковы и когда различны. В первом случае на оба входа УУ поступают одинаковые по амплитуде и фаэовому сдвигу синфазные сигналы помехи. При этом УУ обеспечивает полное подавление синфазной помехи и усиление сигнала биопотенциалов.

Во втором случае ДУ 11 выделяет разностный сигнал. В точке соединения резисторов 8, 18 выделяется сигнал синфазной помехи, который поступает на квадратурный расщепитель 13. В зависимости от полярности сигнала разбаланса с помощью фазового детектора 14 и ЦИЗ 16 формируется сигнал изменения коэф. деления соотв. УДН, а с помощью фазового детектора 15 и

ЦИЗ 17 — сигнал управления соотв. фазовращателя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1354391

Изобретение относится к усилительной технике с подавлением синфазных помех и может быть использовано как усилитель биопотенциалов в медицине.

Цель изобретения — повышение помехоустойчивости к синфазным помехам.

На фиг. 1 показана структурная электрическая схема усилительного устройства; на фиг. 2 - структурная электрическая схема цифрового интегрирующего звена.

Усилительное устройство содержит первый и второй управляемые фазовра- щатели 1 и 2, первый и второй опера. ционные усилители (ОУ) 3 и 4, первый, второй, третий и четвертый резисторы

5-8, управляемые делители 9 и 10 напряжения, дифференциальный усилитель 11, выполненный на третьем ОУ 12, квадратурный фазорасщепитель 13, первый и второй фазовые,цетекторы 14 и 15, первое и второе цифровое интегрирующее звено 16 и 17, а также пятый резистор 18.

Цифровое интегрирующее звено содержит реверсивный счетчик 19, цифроаналоговый преобразователь 20, инвертор 21, первый переключатель 22, первый и второй сумматоры 23 и 24, дешифратор 25, триггер 26, второй .переключатель 27, двухуровневый компаратор 28 и задатчик 29 напряжения смещения.

Усилительное устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при отсутствии сигнала на входе устройства отсутствует сигнал (кроме напряжения собственных шумов) в цепи: точка соединения четвертого и пятого резисторов 8 и 18, квадратурного фазорасщепителя 13 и выход фазовых детекторов 14 и 15, причем на каждом из выходов квадратурного фазорасщепителя 13 напряжение шумов усилено и ограничено по амплитуде.

С помощью задатчиков 29 в каждом цифровом интегрирующем звене 16 и 17 устанавливаются такие уровни напряжений на входе двухуровневого компаратора 28, при которых напряжение шумов с выхода фазового детектора 14 (15) не вызывает его срабатывания„ т.е. переключения из нулевых состояний по каждому из выходов, а также с помощью задатчиков 28 устанавливается уровень опорного напряжения на опорном входе цифроаналогового.преобразователя 20 и уровень напряжения на входах вторых сумматоров 23 и 24 при котором на каждом выходе цифрового интегрирующего звена 16 и 17 появляется положительное напряжение, приводящее управляемые делители 9 н

10 напряжения и управляемые фазовращатели 1 и 2 в исходные состояния.

Исходным состоянием для управляемых делителей 9 и 10 напряжения является значение коэффициента передачи равIl tt ного 1, а для управляемых фа з ов р ащател ей 1 и 2 — значение фазового сдвига, равного e ro наименьшей величине (т . е . нулевому значению) .

Рассмотрим работу усилительного устройства в дв ух случаях : величины переходных сопротивлений электродбиоо бъ ек т одинаковы ; величины переходных сопротивлений электрод- биообъект различны .

При одинаковых переходных комплек сных сопротивлениях электрод- био25 объект н а каждый из входов усилительного устройства поступает синфа з ный сигнал . помехи Ue np Поскольку активные и емк остные составляющие переходных сопротивлений электрод- биоо бъект и

30 входные импед ан сы по каждому входу усилительного устройства принимаются одинаковыми, то соответственно синфаэ ные сигналы, приложенные к каждому из входов усилительного устройства будут также одинаковые по величине, 35 т.е. как по амплитуде, так и по фазовому сдвигу сигнала. Далее эти син-. фазные сигналы проходят через первый и второй ОУ 3 и 4 без усиления с

40 коэффициентом, равным "1", и посту пают через управляемые делители 9 и 10 напряжения, беэ ослабления на входы дифференциального усилителя 11, который обеспечивает подавление этих

45 одинаковых как по амплитуде, так и по фазе сигналов, и на выходе дифференциального усилителя 11 синфаэный сигнал отсутствует. С симметричных выходов ОУ 3 и 4 с помощью четверто50 го и пятого резисторов 8 и 18 выделяется только сигнал синфазной помехи и подается на вход квадратурного фазорасщепителя 13, который формирует иэ сигнала синфазной помехи два опорных сигнала, ограниченных по амплиту

55 де и сдвинутых друг от друга по фазе на 90, причем опорный сигнал с нулувым фазовым сдвигом относительно синфазной помехи поступает на второй

1354391 вход первого фазового детектора 14 и тактовый вход первого цифрового инвертирующего звена 16, а сигнал с фазовым сдвигом, равным 90", относительно также синфазной помехи поступает на второй вход второго фазового детектора 15 и тактовый вход второго цифрового интегрирующего звена 17.

Одновременно на первые входы фазовых детекторов 14 и 15 поступает только сигнал биопотенциалов с выхода дифференциального усилителя 11.

Так как на синфазном выходе сигнал не когерентен по частоте с сигналом биопотенциалов, то в этом случае на выходе первого фазового детектора 14 сигнал разбаланса постоянного напряжения отсутствует (кроме его собственных шумов) и упавляемые делители

9 и 10 также в исходном состоянии.

20

По аналогии и управляемые фазовра щатели 1 и 2 находятся также в исходном состоянии (фазовый сдвиг их равен наименьшему значению). Таким образом, 2В при равенстве составляющих переходных сопротивлений электрод-биообъект усилительное устройство обеспечивает полное подавление синфазной помехи и усиление сигнала биопотенциалов. ЗО

Пусть величины переходных сопротивлений электрод-биообъект различные, причем изменение активной составляющей сопротивления приводит к ,изменению его емкостной составляющей.

В этом случае напряжение сигнала биопотенциалов Ц поступает на входы усилительного устройства без каких= либо изменений амплитуды сигнала. ОУ

3 и 4 обеспечивают предварительное 40 усилие сигнала биопотенциалов Ue, а дифференциальный усилитель 11 формирует из симметричного сигнала Ue несимметричный.

Предположим, что активное переход- 45 ное сопротивление подключенное к одному входу больше, чем активное переходное сопротивление, подключенное к другому входу, и для наглядности примем последнее равным нулю. gp

В этом случае сигнал синфазной помехи U поступает через управляемые фазовращатели 1 и 2 на первый и второй ОУ 3 и 4.

На одном из входов дифференциального усилителя 11 амплитуда сигнала синфазной помехи будет меньше и сдвинута по фазе (отстает от синфазного сигнала), чем на другом входе дифференциального усилителя 11, вследствие влияния переходного сопротивления и второго импеданса (активной и емкостной составляющей) ОУ 3 и 4. Далее эти различные синфазные сигналы проходят через ОУ 3 и 4 без усиления с коэффициентом передачи, равным "1, и через регулируемые делители 9 и 10 соответственно поступают на входы дифференциального усилителя 11; Дифференциальный усилитель 11 обеспечивает подавление синфазных сигналов, но вследствие неодинаковой величины амплитуд этих синфазных сигналов и их фазовых соотношений на его входе, на выходе появляется разность между этими сигналами, причем фаза сигнала зависит от соотношения амплитуд и соответственно фаз исходных синфазных сигналов на входах дифференциального усилителя. В данном случае на выходе дифференциального усилителя 11 фаза сигнала будет положи-. тельная, но сдвинутая в сторону отставания от исходного синфазного сигнала. В точке соединения четвертого и пятого резисторов 8 и 18 выделяется только сигнал синфазной помехи и поступает на ход квадратурного фазорасщепителя 13. На первые входы фазовых детек;оров 14 и 15 поступают сигналы биопотенциалов с синфазной помехи с положительной фазой, но сдвинутой в сторону отставания от исходного синфазного сигнала.

Рассмотрим работу первого фазового детектора 14 и первого цифрового интегрирующего звена 16.

Так как опорный сигнал не когерентен по частоте с сигналом биопотенциалов то на выходе первого фазового детектора 14 сигнал разбаланса постоянного напряжения отсутствует. В результате воздействия только когерентных сигналов на входах первого детектора 14, синфазного сигнала по второму входу и сигнала синфазной помехи по первому входу на выходе первого фазового детектора 14 появляется сигнал разбаланса постоянного напряжения, полярность которого зависит от соотношения фаз на входах первого фазового детектора 14. В рассматриваемом случае фаза синфазного сигнала "положительная" и на выходе первого фазового детектора 14.присутствует сигнал разбаланса положитель13543

5 ной полярности, который затем поступает на вход двухуровневого компаратора 28, на выходах которого в зависимости от полярности напряжения на ее входе вырабатываются соответствующие команды управления (логические единицы). В данном случае на первом выходе двухуровневого компаратора 27 появляется логическая единица, которая появляется на первом входе ревер- IO сивного счетчика 19, и реверсивный счетчик 19 начинает сложение, т.е. увеличивает цифровбй код с частотой сигналов, поступающих на его счетный вход. Это приводит к увеличению постоянного напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 20 и соответственно к увеличению отрицательного напряжения на выходе инвертора 21, которое поступает на первый 20 вход первого сумматора 23, где складывается с напряжением положительной полярности, поступающим с четвертого выхода задатчика 29. В результате сложения сигнал на выходе первого 25 сумматора 2 и 3 и, следовательно, на первом выходе первого цйфрового интегрирующего звена уменьшается, что приводит к уменьшению коэффициента передачи управляемого делителя напря- 30 жения 10.

Уменьшение коэффициента передачи управляемого делителя напряжения происходит до тех пор, пока на выходе дифференциального усилителя .11 присутствует синфазный сигнал, фаза которого совпадает с фазой на синфазном выходе квадратурного фазорасщепителя 13. Как только на выхбде первого фазового детектора 14 напря- 40 жение разбаланса станет меньше порогового уровня двухуровневого компаратора 28 (отсутствует на выходе дифференциального усилителя 11 синфазный сигнал с фазой, равной сигналу на 45 синфазном выходе квадратурного фазовращателя 13 с нулевым фаэовым сдвигом) на первом выходе двухуровневого компаратора 28 появится сигнал логического нуля и реверсивный счетчик 50

19 прекращает счет. На выходе ревервивного счетчика 19 присутствует цифровой код, который с помощью цифроаналогового преобразователя 20 преобразуется в постоянное напряжение.55 положительной полярности,. с помощью инвертора 21 инвертируется полярность напряжения на отрицательную и через

91 6 первый переключатель 22 поступает на первый вход первого сумматора 23, Напряжение с выхода первого сумматора 23 устанавливает такой коэффициент передачи управляемого делителя

10 напряжения, чтобы на выходе дифференциального усилителя 11 синфазная составляющая отсутствовала.

Рассмотрим работу последовательно соединенных второго фазового детектора 15 и второго цифрового интегрирующего звена 17, Так как сигнал на втором входе второго фазового детектора 15 сдвинут по фазе относительно сигнала, поступающего на первый вход второго фазового детектора.15, то обработке подвергается составляющая синфазного сигнала, сдвинутая по фазе на 90 " и на первом выходе второго цифрового интегрирующего звена 17 формируется напряжение, убывающее по величине, которое поступает на управляющий вход второго управляемого фазовращателя 2. В результате воздействия этого напряжения второй управляемый фазовращатель 2 регулируют фазу синфаэного сигнала на одном иэ входов

ОУ 4 (отставание по фазе) до значения, когда соответствующая составляющая фазы синфазного сигнала отсутствует на выходе дифференциального усилителя 11. Учитывая то обстоятельство, что регулирование происходит по цепи из последовательно соединенных первых фазового детектора 14 и цифрового интегрирующего звена 16 и по цепи из последовательно соединенных вторых фазового детектора 15 и цифрового интегрирующего звена 17 одновременно, то в процессе управления возможна взаимная их автоматическая подстройка, т.е. после регулировки по фазе возможна регулировка по амплитуде и, наоборот (до полного подавления синфазных помех на выходе дифференциального усилителя 11).

В случае, если активное переходное сопротивление, подключенное к одному входу, стало меньшим активного переходного сопротивления, подключенного к другому входу усилительного устройства, то фаза сигнала синфазной ошибки на выходе дифференциального усилителя 11 будет отставать от фазы исходного сигнала синфазной помехи, имеющегося в точке соединения четвертого и пятого резисторов, 8 елей соответственно, четвертый и ятый резисторы, включенные между

ыходами первого и второго операионных усилителей, квадратурный азорасщепитель, вход которого одключен к точке соединения четверого и пятого резистороэ, последоваельно соединенные первые фазовый етектор и цифровое интегрирующее вено, тактовый вход которого подлючен к синфазному выходу квадратурого фазорасщепителя, последовательо соединенные вторые фазовый детекор и цифровое интегрирующее звено, актовый вход которого подключен к вадратурному выходу квадратурного азорасщепителя, а также управляемые делители напряжения, при этом

ыходы первого и второго операционых усилителей подключены к входам ифференциального усилителя через оответствующий управляемый делитель апряжения, первые входы фазовых деекторов подключены к выходу диффеенциального усилителя, второй вход ервого фазового детектора подключен синфазному выходу квадратурного азорасщепителя, второй вход второго азового детектора подключен к квадатурному выходу квадратурного фазо-. асщепителя, первый и второй выходы ервого цифрового интегрирующего вена подключены к управляющему входу соответственно управляемого делителя напряжения, первый и второй выходы второго цифрового интегрирующего звена подключены к управляющим входам соответствующего управляемого фазовращателя.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что цифровое интегрирующее звено содержит последовательно соединенные реверсивный счетчик, счетный вход которого является тактовым входом цифрового интегрирующего звена, цифроаналоговый преобразователь, инвертор и первый переключатель, последовательно соединенные дешифратор и триггер, включенные между выходом реверсивного счетчика и управляемым входом первого переключателя, а также последова-. тельно соединенные двухуровневый коммутатор, вход которого является вхо- дом цифрового инвертирующего звена, первый и второй опорные входы подключены к первому и второму выходам задатчика напряжения смещения, третий выход которого подключен к опорФормула изобретения

1. Усилительное устройство, содержащее первый и второй операционные усилители, между выходами которых включены последовательно соединенные 40 первый, второй и третий резисторы, инвертирующие входы первого и второго операционных усилителей подключены к точкам соединения второго резистора с первым и третьим резисторами 45 соответственно, а также последовательно соединенные дифференциальный усилитель, выполненный на третьем операционном усилителе, входы которого подключены к выходам первого и 50 второго операционных усилителей, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости к синфазным помехам, в него введены первый и второй входные управляемые 55 фазовращатели, входы которых являются входами усилительного устройства, выходы подключены к входам первого и второго операционных усили7

1354391

В этом случае на выходах фазовых т детекторов появится сигнал отрица- п тельной полярности, причем в случае в превышения порога срабатывания двух- ц уровневого компаратора 28 сигнал ло- 5 ф гической единицы появится на его вто- п ром выходе. При появлении этого сиг- т нала на втором входе реверсивного т счетчика 19, он начинает вычитание, д т.е. уменьшает цифровой код с такто- 10 з вой частотой, что приводит к увели- к чению напряжения положительной поляр- н ности на первом выходе цифрового н интегрирующего звена. Как только на т выходе реверсивного счетчика 19 поя- 15 т вится нулевая комбинация цифрового к кода, то с помощью дешифратора 25 и ф триггера 26 произойдет переключение входа первого переключателя 22 на в

его второй выход. Одновременно сраба- 20 н тывание второго переключателя 26 при- д ведет к подключению второго входа с реверсивного счетчика 19 к первому н выходу двухуровневого компаратора 28, т а его первого входа к второму выходу 25 р двухуровневого компаратора 28. п

В результате начнется регулировка к коэффициента передачи управления A делителя 9 напряжения и фазового ф сдвига, вносимого первым управляемым 30 р фазовращателем 1, причем сам процесс,р регулирования аналогичен рассмотрен- п ному процессу регулирования. з

354391

Составитель С. Даниэлян

Редактор С. Патрушева Техред И.Верес Корректор Г. Решетник

Заказ 6406

Тираж 900 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 1 ному входу цифроаналогового преобра зователя, и второй переключатель, управляющий вход которого подключен к выходу триггера, а также первый и второй сумматоры, первые входы которых подключены к первому и второму выходам первого переключателя, вторые входы подключены к четвертому выходу задатчика напряжения смещения, при этом выходы первого и второго сумматоров являются первыми и вторыми выходами цифрового интегрирующего звена.