Схемно-конструктивные методы. 
Медицинская электроника: основы биотелеметрии

Наиболее радикальный метод борьбы с артефактными и однотипными помехами — устранение причин их возникновения или уменьшение их влияния до допустимых пределов. В ряде физиологических исследований эффективной мерой по отношению к внешним наводкам является создание различного рода экранов. Экранирование позволяет избавиться от большинства наведенных помех, однако остаются еще источники возбуждающего напряжения и другие причины внутреннего происхождения. Кроме того, следует учитывать, что в большинстве телеметрических исследований экранирование измерительного устройства в принципе недопустимо, поэтому возникает проблема борьбы с однотипными и методическими помехами схемно-конструктивными методами. Рассмотрим некоторые из них.

Борьба с однотипными помехами.

В соответствии с рис. 9.1 коэффициент преобразования ас (3.17) будет зависеть как от внутреннего сопротивления объекта, включая сопротивление гра ницы «электрод — поверхность отведения», так и от емкости биообъекта относительно «земли». В процессе движения комплексное внутреннее сопротивление zBl, zb2, а также емкость С, и С2 изменяются, что приводит к разбалансу и преобразованию однотипной помехи в нормальный сигнал. Скручиванием подводящих проводников, выбором точек отведения, симметричным относительно «земли», и соответствующими мерами закрепления можно добиться условия С, = С2 = С, тем более что емкость биообъекта на «землю» можно сделать достаточно малой. Тогда основным источником разбаланса остается внутреннее сопротивление источника. Если положить, что сопротивление имеет чисто активный характер, то в соответствии с (3.17) для коэффициента ас можно записать.

Если учесть при этом, что основной причиной изменения внутреннего сопротивления является изменение при движении сопротивления на границе «электрод — поверхность отведения», то коэффициент преобразования однотипной помехи в нормальный сигнал будет полностью определяться разбалансом активных сопротивлений. Для уменьшения этого разбаланса необходимо использовать идентичные электроды с малым собственным сопротивлением, применять специальные методы крепления, гарантирующие постоянство (или одинаковый характер изменения) этих сопротивлений при движении. При этом необходимо также добиваться минимальной емкости между биообъектом и «землей».

Рис. 9.1.

Использованием специальных нсполяризуюгцихся электродов, паст, методов крепления и точек отведения можно уменьшить напряжение гальваническо-поляризованной эдс и кожных потенциалов.

Рассмотрим, например, меры, способствующие уменьшению влияния от поляризационно-гальванической эдс. На рис. 9.2 изо бражена эквивалентная схема УБП с источниками поляризационно-гальванической эдс Е_х, Е₂, Е₀. На рисунке обозначены /?, R₂, /?₀ — внутренние сопротивления источников эдс сигнальных и нулевого электродов. Из эквивалентной схемы нетрудно получить уравнения для напряжений помехи на входе УБП от действия этих эдс:

Рис. 9.2.

Из (9.13) следует, что дифференциальный сигнал (У, — U₂ на входе УБП будет определяться как характеристикой УБП (R_])X), так и трудноконтролируемыми параметрами источников поляризационно-гальванических эдс. Поскольку симметрировать эти источники в процессе эксперимента практически невозможно, то единственный путь уменьшения влияния этих эдс — повышение входного сопротивления усилителя и его симметрирование. При этом разность потенциалов на входе УБП будет полностью определяться разностью потенциалов источников ?, и Е₇:

Применением специальных неполяризующихся электродов, идентичных по конструкции и месторасположению, эту разность можно создать достаточно малой. В противном случае можно применить какой-либо метод компенсации.

Основными мерами борьбы с однотипной помехой в подводящих проводах являются нижеперечисленные спрсобы.

• 1. Экранирование подводящих проводников, позволяющее уменьшить наводку. Следует отметить, что в экранированном проводнике может возникнуть разбаланс за счет емкости на экранах, поэтому подводящие проводники целесообразно помещать в одном экране.
• 2. Скручивание, позволяющее сбалансировать их емкости на «землю».
• 3. Заземление экрана подводящих проводников со стороны электродов.

Для борьбы с однотипными помехами можно использовать согласное включение индуктивности в оба проводника. При этом однотипный сигнал в каждом из проводников индуцирует магнитный поток, создающий в соседнем проводнике компенсирующую эдс. Вместо L, Ь₂ может использоваться трансформатор. Причем так как физиологический сигнал занимает низкочастотную область спектра, то трансформатор целесообразно применять либо в высокочастотных цепях, либо использовать преобразователь. Однако вследствие наличия несимметричных паразитных емкостей и здесь в принципе возможно преобразование однотипного сигнала в нормальный. Чтобы уменьшить влияние паразитных емкостей, обмотки трансформатора экранируют. Иногда для уменьшения емкости обмотки на экран на последний подастся напряжение однотипного сигнала путем соединения экрана обмотки с экранирующей оболочкой подводящих проводов. Для борьбы с однотипными помехами, занимающими частотный диапазон, отличный от спектра передаваемой информации, можно использовать балансировку и фильтрацию. Для уменьшения уровня однотипных помех внутреннего происхождения необходимо использовать схемы датчиков без источников возбуждающего напряжения или источники, создающие помеху с частотным спектром, существенно отличающимся от спектра измеряемой информации.

Если не удается в полной мере избавиться от существования однотипной помехи в тех или иных узлах БТМС, то возникает проблема режекции этой помехи непосредственно в телеметрической системе, в частности в УБП. Как уже отмечалось ранее, если бы телеметрический канал был строго симметричным, то однотипная помеха не оказывала бы никакого влияния на прохождение полезного сигнала. Однако вследствие причин, рассмотренных выше, разбаланс в телеметрической системе оказывается неизбежным, что в свою очередь приводит к преобразованию однотипной помехи в эквивалентный нормальный сигнал. Этот разбаланс, в частности, является причиной большинства артефактных помех различного происхождения, возникающих при движении биообъекта. В этих условиях встает задача таким образом сконструировать УБП и весь телеметрический тракт, чтобы свести возможность преобразования однотипной помехи в дифференциальный сигнал к минимуму.

Для подавления однотипных помех УБП БТМС, как правило, выполняется по дифференциальной схеме (особенно входные каскады).

Подавление, например, промышленной наводки схемными методами основывается на принципе фазового разделения сигнала и помехи на симметричном входе УБП и компенсацией последней в различного рода дискриминаторах [2, 8, 18, 26, 35, 164, 185]. На рис. 9.3 изображена обобщенная структурная схема, поясняющая этот метод. Определим выигрыш по помехоустойчивости, даваемый данной схемой. В соответствии с рис. 9.3 напряжение на выходе каналов определится как.

где K, Ki — комплексные коэффициенты передачи каналов; Z_BXl, Z_Bx2 — комплексные входные сопротивления; Zq, Z₀₂ — комплексное внутреннее сопротивление на первое и второе плечо схемы.

Рис. 9.3.

Суммарное выходное напряжение будет равно

Предположим теперь, что на входе действует аддитивная смесь полезного сигнала Ц. помехи U_n. Причем так как помеха относительно нулевой точки синфазна, а сигнал парафазен, то, используя принцип суперпозиции и учитывая (9.12), получим.

откуда выигрыш.

Тогда (9.16) примет вид.

Коэффициент F в литературе принято называть коэффициентом дискриминации (см. § 3.3). Как следует из (9.16), коэффициент F зависит как от комплексных коэффициентов передачи каналов (идентичность их амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик, величины комплексных входных сопротивлений), так и разбаланса внутреннего сопротивления объекта. При высокой степени симметрии каналов можно считать где AZ₀ = Z₀₂ — Z₀1 = |AZ₀|e^/^⁽P‘, т. е. степень подавления синфазной помехи определяется комплексным входным сопротивлением каналов и величиной разбаланса ДZq. Чем больше входное сопротивление и меньше разбаланс, тем выше подавление синфазной помехи. При |AZ_BX| «|AZ₀₂ + AZ₀₁|.

Если учесть тот факт, что в реальных температурных условиях обеспечить высокую степень симметрирования каналов согласно (9.17) очень сложно, а на AZ₀ мы вообще влиять не можем, представляется единственно целесообразной стратегией повышение входного сопротивления УБП. При этом если Z_BX" Zq, и.

—вх ^ ^02 > то получим.

т.е. выигрыш полностью определяется параметрами каналов (симметрией АЧХ и ФЧХ) и не зависит от разбаланса внутреннего сопротивления источника.

Если по каким-либо причинам невозможно использовать сбалансированную схему, то необходимо использовать либо усилитель с преобразователем и трансформаторным входом, либо незаземленный усилитель. Причем УБП вместе с преобразователем экранируется. Преобразование однотипного сигнала в нормальный в этой схеме может возникать вследствие наличия паразитных емкостей С между УБП и экраном.

Коэффициент преобразования однотипного сигнала в нормальный выражается для этого случая уравнением, аналогичным (9.9), и будет определяться параметрами цепи: внутренним сопротивлением биообъекта, сигнальными электродами УБП, паразитной емкостью незаземленного УБП на экран или незаземленным вводом цепи питания.

Борьба с наведенной помехой радиочастоты в УБП обычно осуществляется различного рода блокировками.

Для борьбы с помехами за счет пульсаций источников питания целесообразно использовать емкостную блокировку источников и сквозную дифференциальную схему всего усилительного тракта, хотя с экономической точки зрения это и невыгодно.

Уменьшение влияния однотипной помехи в тракте видеочастоты и радиочастоты обычно осуществляется различными конструктивными мерами: экранированием, сведением до минимума возможных паразитных связей и утечек, заземлением, использованием симметричных схем и др.

Как правило, в правильно сконструированном передатчике ошибка от однотипной помехи, наведенной в тракт видеои радиочастоты, не превышает 1…2% от полного значения сигнала.