Выбор функциональной схемы проектируемого устройства

Функциональная схема – это идеализированное графическое изображение устройства, демонстрирующее связи между отдельными функциональными элементами, изображаемыми в виде прямоугольников. Функциональный элемент – часть устройства, выполняющая какую-либо конкретную функцию.

Известно несколько приемов подавления синфазных помех, однако, в настоящее время наиболее удачным решением этой проблемы считается компенсация синфазной помехи во входной цепи с помощью управляемых источников тока. Компенсация производится подачей во входные цепи инструментального усилителя сигнала равного по модулю и противоположного по полярности сигналу помехи. Для такого варианта подавителя помех требуется ИУ, у которого предусмотрен выход синфазного сигнала. Функциональная схема проектируемого устройства имеет вид, показанный на рисунке 1.

Рисунок 1 Функциональная схема проектируемого устройства.

 

Здесь резисторы R_ист моделируют собой сопротивления электродов подключаемых к пациенту.

В соответствии со схемой, изображенной на рисунке 1, проектируемое устройство должно работать следующим образом. В точке «Б» источника входных сигналов (см. рисунок 1) действует сетевая помеха с частотой 50Гц синусоидальной формы и с большой амплитудой, как показано на рисунке 2. В точке «А» источника входных сигналов помеха складывается с полезным сигналом, имеющим малую амплитуду. Основная задача проектируемого устройства – это выделение слабого полезного сигнала из его смеси с большим сигналом помехи. В устройстве, функциональная схема которого показана на рисунке 1, указанная цель достигается подачей на оба входа ИУ компенсирующего сигнала близкого по амплитуде к сигналу помехи и противоположного ему по полярности (см. рисунок 2). В результате сложения сигналов помехи и компенсирующего на входах ИУ соотношение «сигнал / помеха» резко меняется в лучшую сторону: остаточная помеха на входах ИУ имеет амплитуду в 20…30 раз меньше, чем амплитуда помехи в источнике входного сигнала, а амплитуда полезного сигнала сохраняется прежней (см. рисунок 2).

Может показаться, что выделение полезного сигнала можно осуществить вычитанием U_Б из U_А, т.е. подавая U_А и U_Б на входы дифференциального усилителя. Однако, при этом (из-за нелинейности амплитудной характеристики усилителя) возникают нелинейные искажения полезного сигнала, что недопустимо для диагностических медицинских приборов. Кроме того, влияние «разброса» сопротивлений снижает эффективность подавления синфазной помехи внутри ИУ. В результате этого подавление синфазной помехи внутри ИУ оказывается недостаточным. Подавитель помехи во входной цепи уменьшает помеху на входе ИУ и, тем самым, помогает ИУ подавить помеху до требуемого уровня. Поэтому перед вычитанием одного сигнала из другого, необходимо подавить сигналы помехи во входной цепи ИУ. А окончательное подавление помехи будет осуществлено внутри ИУ (в третьем усилителе).

Выбрав функциональную схему проектируемого устройства можно детализировать функциональные схемы инструментального усилителя и подавителя синфазной помехи.

Для формирования компенсирующего сигнала необходимо выделить синфазную помеху из входного сигнала ИУ. Эта операция осуществляется внутри ИУ, у которого есть специальный выход для синфазного сигнала (см. рисунок 3).

Для того чтобы у ИУ существовал специальный выход синфазного сигнала необходимо, чтобы ИУ состоял из двух автономных частей (см. рисунок 3): входные усилители (№1, 2), обеспечивающие большие и одинаковые входные сопротивления, и дифференциальный усилитель (№3), подавляющий синфазную помеху.

Чтобы подавитель синфазной помехи выполнял свою задачу, необходимо в его составе (см. рисунок 3) иметь усилитель (№4) с коэффициентом усиления 20…30 и два управляемых источника тока. Источники тока необходимы для предотвращения шунтирования входных цепей ИУ, т.к. имеют большое внутреннее выходное сопротивление.

 

Рисунок 2 Временные диаграммы сигналов в проектируемом устройстве.

 

Чтобы подавитель синфазной помехи выполнял свою задачу, необходимо в его составе (см. рисунок 3) иметь усилитель (№4) с коэффициентом усиления 20…30 и два управляемых источника тока. Источники тока необходимы для предотвращения шунтирования входных цепей ИУ, т.к. имеют большое внутреннее выходное сопротивление.

Все перечисленные усилители (№1…4) должны быть охвачены глубокими отрицательными обратными связями для обеспечения:

а) малых нелинейных искажений;

б) стабильности коэффициентов усиления;

в) термостабильности усилителей в режиме покоя.

Т.о. можно считать выбор функциональной схемы проектируемого устройства завершенным.

 

Рисунок 3 Детализированная функциональная схема усилительной части проектируемого устройства.