Dlaczego umieszczasz wzmacniacz wejściowy przed filtrem w celu uzyskania sygnału EKG?

14

W tym artykule na eetimes.com pokazują łańcuch sygnału do pomiaru EKG.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Nieprzetworzony sygnał EKG zawiera szum i przesunięcia co najmniej o wielkość większą niż sygnał rzeczywisty. (Kilka EKG mV, kilkadziesiąt mV z szumu linii energetycznej i przesunięcia elektrody oraz do kilkuset mV linii podstawowej wędruje z powodu ruchu piersi.)

To intuicyjnie zmusiłoby mnie do filtrowania sygnału przed wzmacniaczami, aby uniknąć wzmocnienia niepożądanych komponentów sygnału. Jednak w tym artykule filtrują sygnał za wzmacniaczem wejściowym, usuwając szumy o wysokiej częstotliwości nawet po drugim wzmacniaczu.

Naprawdę nie mogę wymyślić powodu, dla którego mieliby to zrobić. Jedyne, co przychodzi na myśl, to bardzo wysoka impedancja źródła sygnału, ale filtrowanie nie wpłynęłoby na źródło sygnału, ponieważ ten zakres częstotliwości byłby oczywiście w paśmie pasmowym.

Czy brakuje mi jakiegoś ważnego powodu, dla którego przeprowadzałbyś warunkowanie sygnału w tej kolejności?

Jusaca
źródło
To całkiem niezły artykuł.
Scott Seidman

Odpowiedzi:

25

Czy brakuje mi jakiegoś ważnego powodu, dla którego przeprowadzałbyś warunkowanie sygnału w tej kolejności?

Tak, jesteś...

Przedni wzmacniacz różnicowy zostanie wybrany w taki sposób, aby miał poziom tłumienia w trybie wspólnym wynoszący wiele dziesiątek dB, całkiem możliwe, że w zakresie 80 dB.

Ten wzmacniacz różnicowy przekształca sygnał różnicowy w sygnał single-ended, a wszelkie zakłócenia w trybie wspólnym zostaną w dużej mierze zignorowane.

Jeśli umieścisz filtry na obu nogach wzmacniacza różnicowego, aby uniknąć niedopasowania równowagi, musisz wybrać komponenty (takie jak kondensatory i rezystory), które zostały dopasowane do co najmniej równoważnego poziomu -80 dB.

Można uznać, że 1% kondensatorów ma potencjalnie różnicę wartości 2%, a pod względem dB można to uznać za -20 log (50) = -34 dB. Innymi słowy, nigdy nie uzyskałbyś przyzwoitej różnicowej wydajności w trybie wspólnym z filtrami na każdej nodze przed wzmacniaczem różnicowym.

Andy aka
źródło
1
Czy to możliwe, że szum różnicowy jest wystarczająco duży, aby zagwarantować filtrowanie przed wzmacniaczem pomimo zmniejszenia CMRR?
DavidG25
2
Może się zdarzyć, ale wymagałby komponentu DM znacznie większego niż kilkaset mV (100 mV daje zaledwie pół wolta na wyjściu tego wzmacniacza). Innym powodem do wcześniejszego wzmocnienia jest to, że sprawiasz, że reszta systemów FAR szum mniej stanowi problem, stosując 14dB wzmocnienia w przedniej części. Teraz w praktyce rzeczywistość jest chaotyczna i przed wzmacniaczem różnicowym prawdopodobnie pojawią się filtry, ale zwykle będą one znacznie poza pasmem zainteresowania, tak że małe tolerancje mają minimalny wpływ. Istnieją po to, aby chronić elektronikę przed transmisjami radiowymi.
Dan Mills
1
@ DanMills: +1 za ostatni punkt, choć można go jeszcze rozszerzyć, obserwując, że ograniczenie między dwoma wejściami wzmacniacza zapewni pewne filtrowanie dolnoprzepustowe bez generowania szumu różnicowego, ale zwykle nie będzie postrzegane jako „filtr” na powiedz na schemacie blokowym.
supercat
1
@ Supercat Rzeczywiście, możesz pójść o krok dalej i podzielić tę czapkę na dwie szeregowo, a następnie umieścić MAŁĄ o wartości jednej od skrzyżowania do uziemienia podwozia. Niedopasowanie dwóch większych nasadek szeregowych jest tłumione, ponieważ większość napięcia CM w interesującym paśmie spada z małej nasadki do ziemi, podczas gdy w RF duże nasadki szeregowe mają znikomą impedancję, a nasadka uziemiająca przesuwa prąd RF.
Dan Mills
8

Andy i Nick zaoferowali świetne odpowiedzi. Pozwól, że spróbuję je trochę pogłębić.

Po pierwsze, matematyka mówi, że wzmocnienie, a następnie filtrowanie jest równoważne filtrowaniu, a następnie wzmacnianiu. Dotyczy to oczywiście sytuacji idealnej, więc omówmy nieidealność.

WIELKI tutaj, IMO, to nasycenie. Jeśli szum jest tak duży, że nasyca wzmacniacz, wszystkie zakłady są wyłączone. Tracisz sygnał. Czy to nam tu przeszkadza? Nie całkiem. Zazwyczaj pozostawiamy wzmocnienie tego stopnia InAmp wystarczająco niskie, aby poradzić sobie z przesunięciem elektrody prądu stałego o wartości około 100 mV, więc wzmocnienie jest niewielkie i nie jesteśmy w stanie się nasycić.

Kolejnym problemem związanym z nieidealnościami, jak już wspomniano, są szumy w trybie wspólnym i CMRR. Chcemy, aby CMRR w paśmie przepustowym był doskonały. Jeśli zranimy CMRR w paśmie przenoszenia, zmniejszamy SNR. Nie jestem całkowicie z Nickiem w zakresie wstępnego filtrowania w zakresie kHz, ale zwykle postępuję zgodnie z wytycznymi producenta dotyczącymi filtrowania RF, a może nawet spadam o dekadę częstotliwości poniżej ich zaleceń. Kiedy buduję te filtry, często używam czapek X2Y, aby starać się dobrze dopasować czapki.

Na koniec zastanówmy się nad ścieżką sygnału aż do sygnału w ciele. Impedancja interfejsu elektroda / skóra będzie zawszeróżnią się i każdy projekt musi to uwzględnić. Z powodu ogromnej impedancji wejściowej dzisiejszego InAmps, nie jest to aż tak duże, jak kiedyś. W rzeczywistości, aby spełnić normy bezpieczeństwa szpitalnego NFPA99 (kiedy wiem, że muszę przeprowadzić urządzenie do kontroli klinicznej), często umieszczam duży rezystor honujący na każdym przewodzie elektrody, aby zagwarantować zgodność (<10 mikroamperów) z powodu awarii napięcia szyny na wejściach wzmacniacza. Dobrze dobieram te oporniki, ale prawdopodobnie nie robi to tak dużej różnicy, jak mi się wydaje, zwłaszcza biorąc pod uwagę niedopasowanie elektrody, więc do pewnego stopnia żartujemy, aby uwierzyć, że tylko dlatego, że nie „ t wrzucić filtr przed wzmacniaczem, aby ścieżki sygnału wszystkich przewodów elektrody były dobrze dopasowane - „. Jednak różnice tutaj mogą sprawić, że zbijanie częstotliwości odcięcia filtra, który postanowiliśmy tu umieścić, jest nieco niepewne.

Wrzuć Driven-Leg do miksu, a prawdopodobnie jesteś o około 20 dB lepszy. InAmps nie są tym, czym byli za czasów Johna Webstera . Mamy niedrogie jednostki o impedancji, o których mógł tylko pomarzyć.

Podchodzę do takich problemów, jak najszybciej przekształcam mój sygnał różnicowy w single-ended, traktując tak ostrożnie, jak tylko potrafię, aż do momentu, gdy wzmacniacz instrumentacyjny ze skromnym wzmocnieniem, a potem robię wszystko Chcę. Przy dobrym doborze części naprawdę można uzyskać szum na poziomie mikrowoltów dzięki sygnałom na poziomie miliwoltów.

Na koniec punkt widzenia Nicka na temat ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi jest dobry. Jeśli chodzi o moje rzeczy, nie obchodzi mnie to szczególnie, ale czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak kliniczne jednostki EKG nie wyskakują, gdy pacjent jest defibrylowany? Tysiące woltów przedstawione na wejściach, a dobrze zaprojektowana jednostka tylko się śmieje i zaczyna robić interesy.

Scott Seidman
źródło
8

Popieram odpowiedź @ Andy'ego i chciałbym dodać jedną rzecz.

Wymagany jest pasywny filtr dolnoprzepustowy między elektrodami a InAmp. Umieściłem częstotliwość odcięcia gdzieś w obszarze kHz.

schemat blokowy z filtrem dolnoprzepustowym między elektrodami a wzmacniaczem oprzyrządowania

InAmps mają doskonałą CMRR przy niskich częstotliwościach, ale CMRR degraduje się przy wyższych częstotliwościach (powyżej 3kHz-10kHz w zależności od układu). Rektyfikacja przy wysokich częstotliwościach jest kolejnym problemem InAmps. Sygnał wysokiej częstotliwości może zostać naprawiony przez stopień wejściowy InAmp, a następnie pojawić się jako przesunięcie DC.
(Więcej w tej notatce aplikacji: Urządzenia analogowe MT-070. Zabezpieczenie wejścia RFI w wzmacniaczu .)

Ponieważ sygnał EKG jest niski, więc wysoką częstotliwość można odfiltrować nawet przy nieco niedopasowanych elementach pasywnych.

Nick Alexeev
źródło
1
Wysokie częstotliwości nie muszą być filtrowane jako tryb wspólny, ponieważ mogą być filtrowane przez dolnoprzepustowy PO wzmacniaczu. Nie chcesz pasywnych przed wzmacniaczem w żadnym małym systemie sygnałowym, a zwłaszcza w EKG chcesz, aby wszystkie elektrody pomiarowe były podłączone do stopni FET impedancji wejściowej „nieskończonej”, niezdolnych do przepuszczenia prądu przez ciało. Napęd RL powoli wyrównuje masę obwodu i masę ciała, NIE chcesz tworzyć obwodu z prądem płynącym z napędu RL do kanału pomiarowego.
Ben Voigt
1
@Ben Wspólny tryb wysokiej częstotliwości powinien zostać odfiltrowany przed InAmp. InAmps dobrze odrzuca tryb wspólny przy niskich częstotliwościach. Niestety InAmps ma problemy ze wspólnym trybem wysokiej częstotliwości (powyżej 10kHz, chociaż różni się to w zależności od modelu InAmp). CMRR jest zależny od częstotliwości i spada przy wyższych częstotliwościach. [Tylko po to, aby przejść do tematu. Uważam to głównie za kwestię ochrony InAmp przed EMI. Jeśli chcemy wziąć pod uwagę aspekty bezpieczeństwa pacjentów, chętnie to zrobię.]
Nick Alexeev
Nie potrzebujesz CMRR na częstotliwościach wyższych niż pasmo sygnału. Jeśli przejdą przez wzmacniacz, nie ma to znaczenia, ponieważ następujące pasmowanie filtruje je. To, czego nie chcesz, to źródła szumu przed pierwszym wzmacniaczem.
Ben Voigt
1
@Ben Oprócz zmniejszonej CMRR przy wysokiej częstotliwości, InAmps cierpi również na rektyfikację przy wysokiej częstotliwości. Sygnał wysokiej częstotliwości może zostać naprawiony przez stopień wejściowy InAmp, a następnie pojawić się jako przesunięcie DC na wyjściu. Więcej informacji w tej aplikacji: Urządzenia analogowe MT-070. Ochrona RFI na wejściu wzmacniacza .
Nick Alexeev
7

Jedyne filtrowanie, jakie kiedykolwiek wykonałeś przed pierwszym wzmacniaczem, to ten związany z kształtem anteny / falowodu. Dotyczy to tylko mikrofal i wyższych częstotliwości.

Konwencjonalne filtry pasywne zwiększają szum - chcesz, aby sygnał był tak duży, jak to możliwe. Nawet jeśli oznacza to, że wzmacniasz również sygnały zakłócające, nie zmieniasz stosunku sygnału do sygnałów zakłócających wewnątrz pasma, więc możesz filtrować zakłócenia równie skutecznie po wzmocnieniu, jak wcześniej. Ale nie można wzmocnić tak skutecznie po filtrowaniu, ponieważ masz już zmieszany hałas filtra.

Następnie często filtrujesz ponownie po filtrowaniu, ponieważ teraz pełen zakres dynamiki można zastosować do interesujących częstotliwości. Ale to jest dodatek do przedwzmacniacza, a nie zamiast tego.

Ben Voigt
źródło