Усилительное устройство Советский патент 1987 года по МПК H03G3/30 

1

Изобретение относится к усилительной технике с подавлением синфазных помех и может быть использовано как усилитель биопотенциалов в медицине.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости к синфазнь1м 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 фазовращатели 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 усилизователя 20 и уровень напряжения на входах вторых сумматоров 23 и 24 при котором на каждом выходе цифрового интегрирующего звена 16 и 17 появляется положительное напряжение, приводящее управляемые делители 9 и 10 напряжения и управляемые фазовращатели 1 и 2 в исходные состояния.

0 Исходным состоянием для управляемых делителей 9 и 10 напряжения является значение коэффициента передачи ногр 1, а для управляемых фазовращателей 1 и 2 - значение фазового

15 сдвига, равного его наименьшей величине (т.е. нулевому значению).

Рассмотрим работу усилительного устройства в двух случаях: величины переходных сопротивлений электродтель 11, выполненный на третьем ОУ 12,20 биообъект одинаковы; величины переквадратурный фазорасщепитель 13, ходных сопротивлений электрод-биопёрвый и второй фазовые детекторы 14 и 15, первое и второе цифровое интегрирующее звено 16 и 17, а также пятый резистор 18.

Цифровое интегрирующее звено содержит реверсивный счетчик 19, циф- роаналоговый преобразователь 20, инвертор 21, первый переключатель 22, первый и 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 отсутствии сигнала на входе устройства отсутствует сигнал (кроме напряжения собственных шумов) в цепи: точка соединения четвертого и пятого резисторов 8 и 18, квадратурного фазорас- щепителя 13 и выход фазовых детекторов 14 и 15, причем на каждом из выходов квадратурного фазорасщепите- ля 13 напряжение шумов усилено и ограничено по амплитуде.

С помощью задатчиков 29 в каждом цифровом интегрирующем звене 16 и 17 устанавливаются такие уровни напряжений иа 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 с помощью задатчиков 28 устанавливается уровень опорного напряжения на опорном входе цифроаналогового преобраобъект различны.

При одинаковых переходных комп- лексных сопротивлениях электрод-био25 объект на каждый из входов усилитель ного устройства поступает синфазный сигнал. помехи Ucop. Поскольку активны и емкостные составляющие переходных сопротивлений электрод-биообъект и

30 входные импедансы по каждому входу усилительного устройства принимаются одинаковыми, то соответственно синфазные сигналы, приложенные к каждом из входов усилительного устройства будут также одинаковые по величине, т.е. как по амплитуде, так и по фазо вому сдвигу сигнала. Далее эти син-. фазные сигналы проходят через первый и второй ОУ 3 и 4 без усиления с

4Q коэффициентом, равным 1, и поступают через управляемые делители 9 и 10 напряжения, без ослабления на входы дифференциального усилителя 11 который обеспечивает подавление этих

35

45

50

55

одинаковых как по амплитуде, так и по фазе сигналов , и на выходе дифференциального усилителя 11 синфазный сигнал отсутствует. С симметричных выходов ОУ 3 и 4 с помощью четвертого и пятого резисторов 8 и 18 выделяется только сигнал синфазной помех и подается на вход квадратурного фа- зорасщепителя 13, который формирует из сигнала синфазной помехи два опор ных сигнала, ограниченных по амплиту де и сдвинутых друг от друга по фазе на 90, причем опорный сигнал с нулу вым фазовым сдвигом относительно синфазной помехи поступает на второй

.

.

-й, ы

13543912

зователя 20 и уровень напряжения на входах вторых сумматоров 23 и 24 при котором на каждом выходе цифрового интегрирующего звена 16 и 17 появляется положительное напряжение, приводящее управляемые делители 9 и 10 напряжения и управляемые фазовращатели 1 и 2 в исходные состояния.

0 Исходным состоянием для управляемых делителей 9 и 10 напряжения является значение коэффициента передачи ногр 1, а для управляемых фазовращателей 1 и 2 - значение фазового

15 сдвига, равного его наименьшей величине (т.е. нулевому значению).

Рассмотрим работу усилительного устройства в двух случаях: величины переходных сопротивлений электродобъект различны.

При одинаковых переходных комп- лексных сопротивлениях электрод-био25 объект на каждый из входов усилительного устройства поступает синфазный сигнал. помехи Ucop. Поскольку активные и емкостные составляющие переходных сопротивлений электрод-биообъект и

30 входные импедансы по каждому входу усилительного устройства принимаются одинаковыми, то соответственно синфазные сигналы, приложенные к каждому из входов усилительного устройства будут также одинаковые по величине, т.е. как по амплитуде, так и по фазовому сдвигу сигнала. Далее эти син-. фазные сигналы проходят через первый и второй ОУ 3 и 4 без усиления с

4Q коэффициентом, равным 1, и поступают через управляемые делители 9 и 10 напряжения, без ослабления на входы дифференциального усилителя 11, который обеспечивает подавление этих

35

45

50

55

одинаковых как по амплитуде, так и по фазе сигналов , и на выходе дифференциального усилителя 11 синфазный сигнал отсутствует. С симметричных выходов ОУ 3 и 4 с помощью четвертого и пятого резисторов 8 и 18 выделяется только сигнал синфазной помехи и подается на вход квадратурного фа- зорасщепителя 13, который формирует из сигнала синфазной помехи два опорных сигнала, ограниченных по амплитуд де и сдвинутых друг от друга по фазе на 90, причем опорный сигнал с нулу- вым фазовым сдвигом относительно синфазной помехи поступает на второй

10

31354391

вход 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 выхода 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 напряжения отсутствует (кроме его собственных шумов) и упавляемые делители 9 и 10 также в исходном состоянии.

По аналог-ИИ и управляемые фазовращатели 1 и 2 находятся также в исходном состоянии (фазовый сдвиг их равен

15

20

ренциального усилителя 11, вслед влияния переходного сопротивлени второго импеданса (активной и ем ной составляющей) ОУ 3 и 4. Дале эти различные синфазные сигналы ходят через ОУ 3 и 4 без усилени коэффициентом передачи, равным и через регулируемые делители 9 соответственно поступают на вход дифференциального усилителя 11 . ференциальный усилитель 11 обесп вает подавление синфазных сигнал но вследствие неодинаковой велич амплитуд этих синфазных сигналов их фазовых соотношений на его вх на выходе появляется разность ме этими сигналами, причем фаза сиг зависит от соотношения амплитуд соответственно фаз исходных синф ных сигналов на входах дифференц ального усилителя. В данном случ на выходе дифференциального усил теля 11 фаза сигнала будет полож

наименьшему значению). Таким образом, 25 тельная, но сдвинутая в сторону

при равенстве составляющих переходных сопротивлений электрод-биообъект усилительное устройство обеспечивает полное подавление синфазной помехи и усиление сигнала биопотенциалов.

Пусть величины переходных сопротивлений электрод-биообъект различные, причем изменение активной составляющей сопротивления приводит к .изменению его емкостной составляющей В этом случае напряжение сигнала биопотенциалов Uj поступает на входы усилительного устройства без каких- либо изменений амплитуды сигнала. ОУ 3 и 4 обеспечивают предварительное усилие сигнала биопотенциалов Uf, а дифференциальный усилитель 11 формирует из симметричного сигнала U« - несимметричный.

Предположим, что активное переход- 45 янного напряжения отсутствует. В результате воздействия только когерентных сигналов на входах первого.детектора 14, синфазного сигнала по второму входу и сигнала синфазной помехи

50 по первому входу на вькоде первого фазового детектора 14 появляется сигнал разбаланса постоянного напряжения, полярность которого зависит от соотношения фаз на входах первого

55 фазового детектора 14. В рассма;три- ваемом случае фаза синфазного сигнала положительная и на выходе первого фазового детектора 14.присутствует сигнал разбаланса положительное сопротивление подключенное к одному входу больше, чем активное переходное сопротивленце, подключенное к другому входу, и для наглядности примем последнее равным нулю.

В этом случае сигнал синфазной помехи Ut4 поступает через управляемые фазовращатели .1. и 2 на первый и второй ОУ 3 и 4.

На одном из входов дифференциального усилителя 11 амплитуда сигнала синфазной помехи будет меньше и сдвинута по фазе (отстает от синфазного сигнала), чем на другом входе диффе0

5

0

ренциального усилителя 11, вследствие влияния переходного сопротивления и второго импеданса (активной и емкостной составляющей) ОУ 3 и 4. Далее эти различные синфазные сигналы проходят через ОУ 3 и 4 без усиления с коэффициентом передачи, равным 1, и через регулируемые делители 9 и 10 соответственно поступают на входы дифференциального усилителя 11 . Дифференциальный усилитель 11 обеспечивает подавление синфазных сигналов, но вследствие неодинаковой величины амплитуд этих синфазных сигналов и их фазовых соотношений на его входе, на выходе появляется разность между этими сигналами, причем фаза сигнала зависит от соотношения амплитуд и соответственно фаз исходных синфазных сигналов на входах дифференци- . ального усилителя. В данном случае на выходе дифференциального усилителя 11 фаза сигнала будет положиотставания от исходного синфазного сигнала. В точке соединения четвертого и пятого резисторов 8 и 18 выделяется только сигнал синфазной помехи и поступает на ход квадратурного фазорасщепителя 13. На первые входы фазовых детекуоров 14 и 15 поступают сигналы биопотенциалов с синфазной помехи с положительной фазой, но сдвинутой в сторону отставания от исходного синфазного сигнала.

Рассмотрим работу первого фазового детектора 14 и первого цифрового интегрирующего звена 16.

Так как опорный сигнал не когерентен по частоте с сигналом биопотенциалов то на выходе первого фазового детектора 14 сигнал разбаланса постоной полярности, который затем поступает на йход двухуровневого компаратора 28, на выходах которого в зависимости от полярности напряжения на ее входе вырабатываются соответствующие команды управления (логические единицы). В данном случае на первом выходе двухуровневого компаратора 27 появляется логическая единица, которая появляется на первом- входе ревер- 10 соединенных второго фазового детек- сивного счетчика 19, и реверсивный тора 15 и второго цифрового интег- счетчик 19 начинает сложение, т.е. увеличивает цифрово й код с частотой

рирующего звена 17.

Так как сигнал на втором входе второго фазового детектора 15 сдвину

сигналов, поступающих на его счетный

вход. Это приводит к увеличению пос- 15 по фазе относительно сигнала, постутоянного напряжения на выходе цифро- аналогового преобразователя 20 и соответственно к увеличению отрицательного напряжения на выходе инвертора 21, которое поступает на первый вход первого сумматора 23, где скла- дьшается с напряжением положительной полярности, поступающим с четвертого выхода задатчика 29. В результате сложения сигнал на выходе первого сумматора 2 и 3 и, следовательно, на первом выходе первого цифрового интегрирующего звена уменьшается, что приводит к уменьшению коэффициента

пающего на первый вход второго фазового детектора.15, то обработке подвергается составляющая синфазного сигнала, сдвинутая по фазе на 90 и

20

на первом выходе второго цифрового интегрирзтощего звена 17 формируется напряжение, убывающее по величине, которое поступает на управляющий вход второго управляемого фазовраща- 25 теля 2. В результате воздействия этого напряжения второй управляемый фазовращатель 2 регулируют фазу синфазного сигнала на одном из входов ОУ 4 (отставание по фазе) до значе- передачи управляемого делителя напря- 30 ния, когда соответствующая составля- жения 10.ющая фазы синфазного сигнала отсутУменьшение коэффициента передачи у; ствует на выходе дифференциального

усилители 11. Учитывая то обстоятельство, что регулирование происхо- 35 дит по цепи из последовательно соеди- ненныХ первых фазового детектора 14 - и цифрового интегрирующего звена 16 и по цепи из последовательно соединенных вторых фазового детектора 15 первого фазового детектора 14 напря- 40 и цифрового интегрирующего звена 17 жение разбаланса станет меньше поро- одновременно, то в процессе управле- гового уровня двухуровневого компара- ния возможна взаимная их автоматическая подстройка, т.е. после регулировки по фазе возможна регулировка 45 по амплитуде и, наоборот (до полного подавления синфазных помех на выходе ди.5ференциального усилителя 11).

В случае, если активное переходное сопротивление, подключенное к 50 одному входу, стало меньшим активного переходного сопротивления, подключенного к другому входу усилительного устройства, то фаза сигнала синфазной ошибки на выходе дифференциального преобразуется в постоянное напряжение 55 усилителя 11 будет отставать от фазы положительной полярности, с помощью исходного сигнала синфазной помехи, инвертора 21 инвертируется полярность имеющегося в точке соединения чет- напряжения на отрицательную и через вертого и пятого резисторов.

управляемого делителя напряжения происходит до тех пор, пока на выходе дифференциального усилителя. 11 присутствует синфазный сигнал, фаза которого совпадает с фазой на синфазном выходе квадратурного фазорас- щепителя 13. Как только на выходе

тора 28 (отсутствует на выходе дифференциального усилителя 11 синфазный сигнал с фазой, равной сигналу на синфазном выходе квадратурного фазовращателя 13 с нулевым фазовым сдвигом) на первом выходе двухуровневого компаратора 28 появится сигнал логи- ческог9 нуля и реверсивный счетчик 19 прекращает счет. На выходе ревер- вивного счетчика 19 присутствует цифровой код, который с помощью цифроаналогового преобразователя 20

первый переключатель 22 поступает на первый вход первого сумматора 23.

Напряжение с выхода первого сумматора 23 устанавливает такой коэффициент передачи управляемого делителя 10 напряжения, чтобы на выходе дифференциального ус1шителя 1 1 синфазная составляющая отсутствовала.

Рассмотрим работу последовательно

соединенных второго фазового детек- тора 15 и второго цифрового интег-

рирующего звена 17.

Так как сигнал на втором входе второго фазового детектора 15 сдвинут

пающего на первый вход второго фазового детектора.15, то обработке подвергается составляющая синфазного сигнала, сдвинутая по фазе на 90 и

В этом случае на выходах фазовых детекторов появится сигнал отрицательной полярности, причем в случае превышения порога срабатывания двухуровневого компаратора 28 сигнал ло- гической единицы появится на его втором выходе. При появлении этого сигнала на втором входе реверсивного счетчика 19, он начинает вычитание, т.е. уменьшает цифровой код с такто- вой частотой, что приводит к увеличению напряжения положительной полярности на первом выходе цифрового интегрирующего звена. Как только на выходе реверсивного счетчика 19 поя- вится нулевая комбинация цифрового кода, то с помощью дешифратора 25 и триггера 26 произойдет переключение входа первого переключателя 22 на

его второй выход. Одновременно сраба-20 ix усилителей подключены к входам

тывание второго переключателя 26 приведет к подключению второго входа реверсивного счетчика 19 к первому выходу двухуровневого компаратора 28, а его первого входа к второму выходу вухуровневого компаратора 28.

В результате начнется регулировка коэффициента передачи управления делителя 9 напряжения и фазового сдвига, вносимого первым управляемым фазовращателем 1, причем сам процесс регулирования аналогичен рассмотренному процессу регулирования.

Фор м у ла изобрет-ения

1. Усилительное устройство, содер-. жащее первый и второй операционные усилители, между выходами которых включены последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, инвертирующие входы первого и второго операционных усилителей подключены к точкам соединения второго резистора с первым и третьим резисторами соответственно, а также последовательно соединенны.е дифференциальный усилитель, выполненный на третьем операционном усилителе, входы которого подключены к выходам первого и второго операционных усилителей, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости к синфазным помехам, в него введены первый и второй входные управляемые фазовращатели, входы которых являются входами усилительного устройста, выходы подключены к входам перого и второго операционных усилителей соответственно, четвертый и пятый резисторы, включенные меж,цу выходами первого и второго операционных усилителей, квадратурный фазорасщепитель, вход которого подключен к точке соединения четвертого и пятого резисторсз, последовательно соединенные первые фазовый детектор и цифровое интегрирующее звено, тактовый вход которого подключен к синфазному выходу квадратурного фазорасщепителя, последовательно соединенные вторые фазовый детектор и цифровое интегрирующее звено, тактовый вход которого подключен к квадратурному выходу квадратурного фазорасщепителя, а также управляемые делители напряжения, при этом выходы первого и второго операциондифференциального усилителя через соответствующий управляемый делитель напряжения, первые входы фазовых детекторов подключены к выходу диффе25 ренциального усилителя, второй вход первого фазового детектора подключен к синфазному выходу квадратурного фазорасщепителя, второй вход второго фазового детектора подключён к квад30 ратурному йыходу квадратурного фазо. расщепителя, первый и второй выходы первого цифрового интегрирующего звена подключены к управляющему входу соответственно управляемого дели35 теля напряжения, первый и второй выходы второго цифрового интегрирующего звена подключены к управляющим входам соответствующего управляемого фазовращателя.

40 2. Устройство по п. 1, о т л и- чающееся тем, что цифровое интегрирующее звено содержит последовательно соединенные реверсивный счетчик, счетный вход которого явля45 ется тактовым входом цифрового интегрирующего звена, цифроаналоговый преобразователь, инвертор и первый переключатель, последовательно соединенные дешифратор и триггер, вклю50 ченные между выходом реверсивного счетчика и управляемым входом первого переключателя, а также последоват тельно соединенные двухуровневый коммутатор вход которого является вхо-

55 дом цифрового инвертирующего звена, первый и второй опорные входы подключены к первому и второму выходам задатчика напряжения смещения, третий выход которого подключен к опорному 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

выходам первого переключателя, вторые входы подключены к четвертому выходу задатчика напряжения смещения, при этом выходы первого и второго сумматоров являются первыми и вторыми выходами цифрового интегрирующего звена.

Изобретение может использоваться как усилитель биопотенциалов в медицине и обеспечивает повышение помехоустойчивости к синфазным помехам. Усилительное устр-во (УУ) содержит управляемые фазовращатели 1, 2, операционные усилители 3,4, резисторы 5-8, 18, управляемые делители напряжения (УДН) 9, 10, дифференциальный усилитель (ДУ) 11, выполненный на 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 фазовому сдвигу синфазные сигналы помехи. При этом УУ обеспечивает полное подавление синфазной помехи и усиление сигнала биопо енциалов. 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 детектора 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. о (Л со СП со со

1риг2