Усилительное устройство

(54) УСИЛИТЕЛЬНОЕ (57) Изобретение м ся как усилитель медицине и обеспе мехоустойчивости Усилительное устр управляемые фазов рационные усилител 5-8, 18, управляе жения (УДН) 9, 10 усилитель (ДУ) 11 УСТРОЙСТВОожет использова иопотенциалов в ивает повышение по синфазным помехам во (УУ) содержит ащатели 1, 2, опеи 3,4, резисторы мые делители напрядифференциальный выполненный на ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Особое конструкторское бюробиологической и медицинской кибернетики. Ленинградского электротехнического института им.В. И, Ульянова 1 Ленина)(56) Микрокомпьютерные медицинскиесистемы. Проектирование и примененение./Под ред. У.Томкинса и др. М.:Мир, 1983, с, 21,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 детек- С, тора 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.(рИзобретение 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, первыйи 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 отсут" ствии 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 спомощью задатчиков 28 устанавливается уровень опорного напряжения на опорном входе цифроаналогового.преобразователя 20 и уровень напряжения навходах вторых сумматоров 23 и 24при котором на каждом выходе цифрового интегрирующего звена 16 и 17появляется положительное напряжение,приводящее управляемые делители 9 н10 напряжения и управляемые фазовращатели 1 и 2 в исходные состояния.Исходным состоянием для управляемыхделителей 9 и 10 напряжения являетсязначение коэффициента передачи равного 1 , а для управляемых Фа з ов ращателей 1 и 2 - значение фазовогосдвига , равного его наименьшей величине ( т . е . нулевому значению) .Рассмотрим работу усилительногоустройства в двух случаях : величиныпереходных сопротивлений электрод биоо бъек т одинаковы ; величины переходных сопротивлений электрод- биообъект различны .При одинаковых переходных комплек сных сопротивлениях электр од-био объект на каждый из входов усилительного устройства поступает синфа зныйсигнал . помехи У ор . Поскольку активныеи емк остные составляющие переходныхсопротивлений эл е ктрод- биоо бъект и ЗО входные импедан сы по каждому входуусилительного устройства принимаютсяодинаковыми , то соответственно синФаэные сигналы , приложенные к каждомуиз входов усилительного устройствабудут также одинаковые по величине , 35т.е. как по амплитуде, так и по фазовому сдвигу сигнала, Далее эти син-.фазные сигналы проходят через первыйи второй ОУ 3 и 4 без усиления с 40 коэффициентм, ранм 1пают через управляемые делители 9и 10 напряжения, беэ ослабления навходы дифференциального усилителя 11,который обеспечивает подавление этих 45одинаковых как по амплитуде, так ипо Фазе сигналов, и на выходе дифференциального усилителя 11 синфаэныйсигнал отсутствует, С симметричныхвыходов ОУ 3 и 4 с помощью четвертого и пятого резисторов 8 и 18 выделяется только сигнал синфазной помехии подается на вход квадратурного фазорасщепителя 13, который формируетиэ сигнала синфазной помехи два опорных сигнала, ограниченных по амплитуд 55де и сдвинутых друг от друга по фазена 90 ф, причем опорный сигнал с нулувым фазовым сдвигом относительносинфазной помехи поступает на второйвход 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 выхо" да 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 напря" жения отсутствует (кроме его собственных шумов) и упавляемые делители 9 и 10 также в исходном состоянии. 10 20 По аналогии и управляемые фазовра щатели 1 и 2 находятся также в исходном состоянии (фазовый сдвиг их равен наименьшему значению). Таким образом, 2 В при равенстве составляющих переходных сопротивлений электрод-биообъект усилительное устройство обеспечивает полное подавление синфазной помехи и усиление сигнала биопотенциалов. ЗОПусть 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 Бе, а дифференциальный усилитель 11 формирует из симметричного сигнала Па несимметричный,Предположим, что активное переход- дб ное сопротивление подключенное к одному входу больше, чем активное переходное сопротивление, подключенное к другому входу, и для наглядности примем последнее равным нулю. уВ этом случае сигнал синфазной помехи Бар поступает через управляемые фазовращатели .1 и 2 на первый и второй ОУ 3 и 4На 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, вследствиевлияния переходного сопротивления ивторого импеданса (активной и емкостной составляющей) ОУ 3 и 4, Далееэти различные синфазные сигналы проходят через ОУ 3 и 4 без усиления скоэффициентом передачи,равным 1,и через регулируемые делители 9 и 10соответственно поступают на входыдифференциального усилителя 11; Дифференциальный усилитель 11 обеспечивает подавление синфазных сигналов,но вследствие неодинаковой величиныамплитуд этих синфазных сигналов иих фазовых соотношений на его входе,на выходе появляется разность междуэтими сигналами, причем фаза сигналазависит от соотношения амплитуд исоответственно фаз исходных синфазных сигналов на входах дифференциального усилителя. В данном случаена выходе дифференциального усилителя 11 фаза сигнала будет положи-тельная, но сдвинутая в сторонуотставания от исходного синфазногосигнала. В точке соединения четвертого и пятого резисторов 8 и 18 выделяется только сигнал синфазнойпомехи и поступает на ход квадратурного фазорасщепителя 13. На первыевходы фазовых детек;оров 14 и 15поступают сигналы биопотейциалов ссинфазной помехи с положительной фазой, но сдвинутой в сторону отставания от исходного синфазного сигнала,Рассмотрим работу первого фазовогодетектора 14 и первого цифрового интегрирующего звена 16.Так как опорный сигнал не когерентен по частоте с сигналом биопотенциалов то на выходе первого фазовогодетектора 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 помехипо первому входу на выходе первогофазового детектора 14 появляется сигнал разбаланса постоянного напряжения, полярность которого зависит отсоотношения фаз на входах первогофазового детектора 14. В рассматриваемом случае фаза синфазного сигнала "положительная" и на выходепервого фазового детектора 14.присутствует сигнал разбаланса положитель13543 5ной полярности, который затем поступает на вход двухуровневого компаратора 28, на выходах которого в зависимости от полярности напряжения наее входе вырабатываются соответствующие команды управления (логическиеединицы). В данном случае на первомвыходе двухуровневого компаратора 27появляется логическая единица, которая появляется на первом входе реверсивного счетчика 19, и реверсивныйсчетчик 19 начинает сложение, т.е,увеличивает цифровбй код с частотойсигналов, поступающих на его счетныйвход, Это приводит к увеличению постоянного напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 20 исоответственно к увеличению отрицательного напряжения на выходе инвертора 21, которое поступает на первый 20вход первого сумматора 23, где складывается с напряжением положительнойполярности, поступающим с четвертоговыхода задатчика 29, В результатесложения сигнал на выходе первого 25сумматора 2 и 3 и, следовательно, напервом выходе первого цйфрового интегрирующего звена уменьшается, чтоприводит к уменьшению коэффициентапередачи управляемого делителя напряжения 10,Уменьшение коэффициента передачиуправляемого делителя напряжения происходит до тех пор, пока на выходедифференциального усилителя .11 присутствует синфазный сигнал, Фазакоторого совпадает с фазой на синфазном выходе квадратурного фазорасщепителя 13, Как только на выходепервого Фазового детектора 14 напряжение разбаланса станет меньше порогового уровня двухуровневого компаратора 28 (отсутствует на выходе дифференциального усилителя 11 синфазныйсигнал с фазой, равной сигналу на 45синфазном выходе квадратурного Фазовращателя 13 с нулевым Фаэовым сдвигом) на первом выходе двухуровневогокомпаратора 28 появится сигнал логического нуля и реверсивный счетчик 5019 прекращает счет. На выходе ревервивного счетчика 19 присутствуетцифровой код, который с помощьюцифроаналогового преобразователя 20преобразуется в постоянное напряжение.55положительной полярности, с помощьюинвертора 21 инвертируется полярностьнапряжения на отрицательную и через1 91 6первый переключатель 22 поступаетна первый вход первого сумматора 23,Напряжение с выхода первого сумматора 23 устанавливает такой коэффициент передачи управляемого делителя10 напряжения, чтобы на выходе дифФеренциального усилителя 11 синфазнаясоставляющая отсутствовала.Рассмотрим работу последовательносоединенных второго фазового детектора 15 и второго цифрового интегрирующего звена 17,Так как сигнал на втором входевторого фазового детектора 15 сдвинутпо фазе относительно сигнала, поступающего на первый вход второго фазового детектора.15, то обработкеподвергается составляющая синфазногосигнала, сдвинутая по фазе на 90 " ина первом выходе второго цифровогоинтегрирующего звена 17 формируетсянапряжение, убывающее по величине,которое поступает на управляющийвход второго управляемого фазовращателя 2. В результате воздействияэтого напряжения второй управляемыйфазовращатель 2 регулируют Фазу синфаэного сигнала на одном иэ входовОУ 4 (отставание по фазе) до значения, когда соответствующая составляющая Фазы синфазного сигнала отсутствует на выходе дифференциальногоусилителя 11. Учитывая то обстоятельство, что регулирование происходит по цепи из последовательно соединенных первых Фазового детектора 14и цифрового интегрирующего звена 16и по цепи из последовательно соединенных вторых фазового детектора 15и цифрового интегрирующего звена 1одновременно, то в процессе управления возможна взаимная их автоматическая подстройка, т,е. после регулировки по Фазе возможна регулировкапо амплитуде и, наоборот (до полногоподавления синфазных помех на выходедифференциального усилителя 11).В случае, если активное переходное сопротивление, подключенное кодному входу, стало меньшим активногопереходного сопротивления, подключенного к другому входу усилительногоустройства, то Фаза сигнала синфазнойошибки на выходе дифференциальногоусилителя 11 будет отставать от фазыисходного сигнала синфазной помехи,имеющегося в точке соединения четвертого и пятого резисторов,8елей соответственно, четвертый и ятый резисторы, включенные между ыходами первого и второго опера- ионных 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 подключенсинфазному 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 счетчикаи 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 опор" Формула изобретения 35 1. Усилительное устройство, содержащее первый и второй операционныеусилители, между выходами которыхвключены последовательно соединенные 40первый, второй и третий резисторы,инвертирующие входы первого и второгооперационных усилителей подключенык точкам соединения второго резистора с первым и третьим резисторами 45соответственно, а также последовательно соединенные дифференциальныйусилитель, выполненный на третьемоперационном усилителе, входы которого подключены к выходам первого и 50второго операционных усилителей,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения помехоустойчивостик синфазным помехам, в него введеныпервый и второй входные управляемые 55фазовращатели, входы которых являются входами усилительного устройства, выходы подключены к входам первого и второго операционных усили 71354391В 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 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 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 т вится нулевая комбинация цифрового к кода, то с помощью дешифратора 25 и ф триггера 2 б произойдет переключение входа первого переключателя 22 на в его второй выход. Одновременно сраба 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, пВ результате начнется регулировка к коэффициента передачи управления Ф 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. з354391 10 выходам первого переключателя, вторые входы подключены к четвертомувыходу задатчика напряжения смещения,при этом выходы первого и второгосумматоров являются первыми и вторымивыходами пифровогоинтегрируюшего звена. Составитель С. Даниэлянва Техред И.Верес Корректо актор ешетн аказ 640 Тираж 900 ПодписиВНИИПИ государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 водственно-полиграфическое предприятие 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 жгород, ул. Проектная