Tại sao bạn lại đặt bộ khuếch đại đầu vào trước bộ lọc cho tín hiệu ECG?


14

Trong bài viết này tại eetimes.com, họ cho thấy chuỗi tín hiệu để đo ECG.

nhập mô tả hình ảnh ở đây

Tín hiệu thô của ECG chứa nhiễu và độ lệch lớn hơn ít nhất một cường độ lớn hơn tín hiệu thực. (Một vài mV ECG, vài chục mV từ nhiễu đường dây điện và bù điện cực và lên đến vài trăm mV đường cơ sở do sự di chuyển của vú.)

Điều này theo trực giác sẽ khiến tôi thực hiện việc lọc tín hiệu trước các bộ khuếch đại, để tránh khuếch đại các thành phần tín hiệu không mong muốn. Tuy nhiên, trong bài viết này họ thực hiện lọc tín hiệu sau bộ khuếch đại đầu vào, loại bỏ nhiễu tần số cao ngay cả sau bộ khuếch đại thứ hai.

Tôi thực sự không thể nghĩ ra lý do tại sao họ sẽ làm điều này. Điều duy nhất nảy ra trong đầu là trở kháng rất cao của nguồn tín hiệu, nhưng bộ lọc sẽ không ảnh hưởng đến nguồn tín hiệu, vì dải tần số đó rõ ràng sẽ nằm trong dải thông.

Tôi có thiếu một số lý do quan trọng tại sao bạn sẽ làm điều hòa tín hiệu theo thứ tự này?


Đó là một bài viết khá tốt.
Scott Seidman

Câu trả lời:


25

Tôi có thiếu một số lý do quan trọng tại sao bạn sẽ làm điều hòa tín hiệu theo thứ tự này?

Vâng, bạn là ...

Bộ khuếch đại vi sai mặt trước sẽ được chọn sao cho nó có mức loại bỏ chế độ chung là hàng chục dB, hoàn toàn có thể ở vùng 80 dB.

Bộ khuếch đại khác này chuyển đổi tín hiệu vi sai thành tín hiệu một đầu và mọi nhiễu ở chế độ chung sẽ bị bỏ qua phần lớn.

Nếu bạn đặt các bộ lọc ở cả hai chân của diff amp, để tránh sự không cân bằng, bạn sẽ phải chọn các thành phần (như tụ điện và điện trở) phù hợp với ít nhất mức tương đương -80 dB.

Bạn có thể coi các tụ điện 1% có khả năng chênh lệch giá trị 2% và theo thuật ngữ dB có thể được coi là -20 log (50) = -34 dB. Nói cách khác, bạn sẽ không bao giờ có được hiệu suất chế độ chung khác biệt tốt với các bộ lọc ở mỗi chân trước bộ khuếch đại khuếch tán.


1
Có thể là nhiễu vi sai đủ lớn để đảm bảo lọc trước bộ khuếch đại mặc dù đã giảm CMRR?
DavidG25

2
Có thể xảy ra, nhưng sẽ cần một thành phần DM lớn hơn nhiều vài trăm mV (100mV chỉ cung cấp một nửa volt ở đầu ra của bộ khuếch đại đó). Một lý do khác để khuếch đại sớm là bạn làm cho phần còn lại của hệ thống giảm tiếng ồn FAR bằng cách áp dụng mức tăng 14dB ở mặt trước. Bây giờ trong thực tế, thực tế rất lộn xộn và có khả năng sẽ có các bộ lọc trước diff amp, nhưng chúng thường sẽ nằm ngoài dải quan tâm để dung sai nhỏ có hiệu quả tối thiểu. Chúng tồn tại để giữ những thứ như truyền vô tuyến ra khỏi thiết bị điện tử.
Dan Mills

1
@DanMills: +1 cho điểm cuối cùng của bạn, mặc dù điều đó có thể được mở rộng hơn nữa bằng cách quan sát rằng một nắp giữa hai đầu vào của bộ khuếch đại sẽ cung cấp một số bộ lọc thông thấp mà không tạo ra bất kỳ nhiễu khác biệt nào, nhưng thường sẽ không được xem là một "bộ lọc" mỗi lần nói trong sơ đồ khối.
supercat

1
@supercat Thật vậy, và bạn có thể tiến thêm một bước nữa và chia giới hạn đó thành hai phần, sau đó đặt một giá trị NHỎ từ ngã ba đến mặt đất khung gầm. Sự không phù hợp của hai nắp loạt lớn hơn bị suy giảm do phần lớn điện áp CM trong dải quan tâm bị rơi trên nắp nhỏ xuống đất trong khi tại RF, các nắp loạt lớn là trở kháng không đáng kể và nắp để nối đất với dòng RF.
Dan Mills

8

Andy và Nick đưa ra câu trả lời tuyệt vời. Hãy để tôi cố gắng để tăng cường chúng lên một chút.

Đầu tiên, toán học nói rằng khuếch đại sau đó lọc tương đương với lọc sau đó khuếch đại. Điều này, tất nhiên, áp dụng cho tình huống lý tưởng, vì vậy hãy thảo luận về những điều không lý tưởng.

LỚN ở đây, IMO, là bão hòa. Nếu tiếng ồn quá lớn làm bão hòa bộ khuếch đại của bạn, tất cả các cược đã tắt. Bạn mất tín hiệu. Điều này có làm phiền chúng tôi ở đây không ?? Không hẳn vậy. Chúng tôi thường để mức tăng của giai đoạn InAmp đó đủ thấp để xử lý bù điện cực DC 100mV hoặc hơn, do đó mức tăng rất khiêm tốn và chúng tôi khó có thể bão hòa.

Mối quan tâm tiếp theo liên quan đến tính phi lý tưởng, như đã đề cập, là tiếng ồn Chế độ chung và CMRR. Chúng tôi muốn CMRR trong ban nhạc vượt qua là tuyệt vời. Nếu chúng tôi làm tổn thương CMRR trong băng thông, chúng tôi sẽ giảm SNR. Tôi không hoàn toàn với Nick về tiền lọc trong dải kHz, nhưng tôi thường làm theo hướng dẫn của nhà sản xuất để lọc RF và thậm chí có thể đi một thập kỷ với tần suất dưới mức khuyến nghị của họ. Khi tôi xây dựng các bộ lọc này, tôi thường sử dụng các mũ X2Y để cố gắng giữ cho các nắp được khớp tốt.

Cuối cùng, hãy nghĩ về đường dẫn tín hiệu cho đến tín hiệu trong cơ thể. Trở kháng của giao diện điện cực / da sẽ luôn luônkhác nhau, và mọi thiết kế cần phải tính đến điều đó. Do trở kháng đầu vào rất lớn của InAmps ngày nay, đây không phải là vấn đề lớn như trước đây. Trên thực tế, để đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn của bệnh viện NFPA99 (khi tôi biết tôi phải mang thiết bị qua kỹ thuật lâm sàng để kiểm tra), tôi thường đặt một điện trở bấm còi lớn trên mỗi dây dẫn điện cực để đảm bảo tuân thủ (<10 microamp) do lỗi điện áp Rail tại các đầu vào amp. Tôi kết hợp tốt với các điện trở đó, nhưng có lẽ nó không tạo ra sự khác biệt nhiều như tôi nghĩ, đặc biệt là không khớp với điện cực, vì vậy ở một mức độ nào đó, chúng tôi tự đùa mình để tin rằng chỉ vì chúng tôi không ' Không ném bộ lọc vào trước amp mà đường dẫn tín hiệu của tất cả các dây dẫn điện cực được khớp tốt - chúng '. Tuy nhiên, các biến thể ở đây có thể làm cho việc đóng đinh tần số cắt của bộ lọc mà chúng tôi chọn đặt ở đây một chút iffy.

Ném Driven-Leg vào hỗn hợp, và bạn có lẽ tốt hơn khoảng 20dB. InAmps không phải là những gì họ đã có trong ngày của John Webster . Chúng tôi có những đơn vị rẻ tiền với những trở ngại mà anh ta chỉ có thể mơ ước.

Cách tôi tiếp cận các vấn đề như vậy là để tín hiệu vi sai của tôi được chuyển đổi thành một kết thúc ngay khi tôi có thể, xử lý cẩn thận khi tôi có thể thoát khỏi cho đến khi Nhạc cụ tăng âm với mức tăng khiêm tốn, và sau đó, tôi làm bất cứ điều gì Tôi muốn. Với lựa chọn phần tốt, bạn thực sự có thể có được mức nhiễu microvolt với tín hiệu mức millivolt.

Như một điểm cuối cùng, quan điểm của Nick về bảo vệ ESD là một điểm tốt. Đối với công cụ của tôi, tôi không quan tâm đặc biệt, nhưng bạn có bao giờ tự hỏi làm thế nào các đơn vị ECG lâm sàng không chỉ bật khi bệnh nhân bị khử rung tim? Hàng ngàn volt được trình bày cho các đầu vào, và một đơn vị được thiết kế tốt chỉ cười và nói về việc kinh doanh của nó.


8

Tôi sẽ trả lời thứ hai @ Andy và tôi muốn thêm một điều.

Một bộ lọc thông thấp thụ động giữa các điện cực và InAmp được yêu cầu. Tôi đặt tần số cắt ở đâu đó trong vùng kHz.

sơ đồ khối với bộ lọc thông thấp giữa các điện cực và bộ khuếch đại thiết bị

InAmps có CMRR tuyệt vời ở tần số thấp, nhưng CMRR suy giảm ở tần số cao hơn (trên 3kHz-10kHz tùy thuộc vào chip). Chỉnh lưu ở tần số cao là một mối quan tâm khác đối với InAmps. Tín hiệu tần số cao có thể được điều chỉnh theo giai đoạn đầu vào của InAmp và sau đó xuất hiện dưới dạng bù DC.
(Thông tin thêm trong ứng dụng này lưu ý: Thiết bị analog MT-070. Bảo vệ RFI đầu vào trong amp .)

Do tín hiệu EKG ở mức thấp nên tần số cao có thể được lọc ngay cả với các thành phần thụ động có phần không khớp.


1
Các tần số cao không cần phải được lọc như chế độ chung, bởi vì chúng có thể được lọc bằng đường thông thấp SAU bộ khuếch đại. Bạn không muốn thụ động trước bộ khuếch đại trên bất kỳ hệ thống tín hiệu nhỏ nào và đặc biệt là trên ECG, bạn muốn tất cả các điện cực đo được kết nối với các trở kháng đầu vào "vô hạn" không có khả năng truyền dòng qua cơ thể. Ổ đĩa RL từ từ cân bằng mặt đất mạch và mặt đất cơ thể của bạn, bạn KHÔNG muốn tạo thành một mạch với dòng RL chảy ra và vào một kênh đo.
Ben Voigt

1
@Ben Chế độ chung tần số cao phải được lọc ra trước InAmp. InAmps từ chối chế độ phổ biến ở tần số thấp. Thật không may, InAmps có vấn đề với chế độ chung tần số cao (trên 10kHz, mặc dù điều này thay đổi từ một mô hình InAmp sang mô hình khác). CMRR phụ thuộc vào tần số và nó giảm xuống ở tần số cao hơn. [Chỉ để giữ cho chủ đề. Tôi xem điều này chủ yếu là vấn đề bảo vệ InAmp chống lại EMI. Nếu chúng tôi muốn xem xét các khía cạnh an toàn của bệnh nhân, tôi cũng rất vui khi làm điều đó.]
Nick Alexeev

Bạn không cần CMRR ở tần số cao hơn dải tín hiệu. Nếu chúng đi qua in-amp, điều đó không thành vấn đề, bởi vì băng thông sau sẽ lọc chúng ra. Những gì bạn không muốn là bất kỳ nguồn tiếng ồn nào trước bộ khuếch đại đầu tiên.
Ben Voigt

1
@Ben Ngoài việc giảm CMRR ở tần số cao, InAmps còn bị chỉnh lưu ở tần số cao. Tín hiệu tần số cao có thể được chỉnh lưu theo giai đoạn đầu vào của InAmp và sau đó xuất hiện dưới dạng bù DC ở đầu ra. Thêm trong ứng dụng này lưu ý: Thiết bị analog MT-070. Bảo vệ RFI đầu vào .
Nick Alexeev

7

Bộ lọc duy nhất bạn từng làm trước bộ khuếch đại đầu tiên là liên quan đến hình dạng của ăng ten / ống dẫn sóng. Và điều đó chỉ áp dụng cho lò vi sóng và tần số cao hơn.

Bộ lọc thụ động thông thường thêm nhiễu - bạn muốn tín hiệu càng lớn so với nhiễu đó càng nhiều càng tốt. Ngay cả khi điều đó có nghĩa là bạn cũng đang khuếch đại tín hiệu gây nhiễu, bạn sẽ không thay đổi tỷ lệ tín hiệu thành tín hiệu gây nhiễu trong băng tần, do đó bạn có thể lọc nhiễu hiệu quả sau khi khuếch đại như trước. Nhưng bạn không thể khuếch đại hiệu quả sau khi lọc, vì bạn đã bị lẫn trong tiếng ồn của bộ lọc.

Sau đó, bạn sẽ thường xuyên khuếch đại lại sau khi lọc, vì bây giờ phạm vi động đầy đủ có thể được áp dụng cho các tần suất quan tâm. Nhưng điều này là ngoài việc khuếch đại trước, không phải thay thế.

Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.