ПЗ (1230770), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Рисунок 5.3 – Осциллограммы фильтруемого сигнала: а – входной сигнал, снятый с Scope;
б – сигнал на выходе фильтра, снятый с Scope1

Из рисунка 5.3 видно, что выходной сигнал не содержит помех, при этом сигнал четкий и нет смещения по фазе, а значит фильтр можно применять для подавления сетевой гармоники. При этом, в отличии от рекурсивного фильтра, данному фильтру не нужно время для установления режима работы, выходная характеристика выдается без помех сразу после включения. Нерекурсивный фильтр всегда устойчив, так как он не имеет полюсов, а, следовательно, передаточная характеристика не при каких значениях не стремится к бесконечности. Но это накладывает определенный минус, в виде более широкого окна подавления гармоник.

Для оценки изменения отношения амплитуд различных гармоник выходного сигнала, произведем спектральный анализ входного и выходного сигнала с помощью элемента powergui. Спектральный анализ осциллограмм сигнала со входа и выхода системы представлен на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 – Анализ Фурье входного и выходного сигнала: а – входной сигнал, снятый с
Scope; б – сигнал на выходе фильтра, снятый с Scope1

Как видно из состава гармоник на рисунке 5.4, сетевая наводка 50 Гц гасится практически полностью. Амплитуды других сигналов исказились незначительно. Это свидетельствует о высокой эффективности данного режекторного фильтра. По результатам анализа Фурье можно сделать вывод, что использования данного фильтра позволит качественно отфильтровать сигнал и получиться точный ЭКГ сигнал.

Чтобы оценить частотные свойства фильтра, необходимо построить его частотные характеристики, для этого будем использовать элемент Bode Plot. При расчетах было получено, что фильтр будет гасить не только 50 Гц, но также 100 Гц, 150 ГЦ и 200 Гц, поэтому строить характеристики будем в диапазоне от 0 до 200 Гц. Полезный ЭКГ сигнал находится в диапазоне частот менее 50 Гц, поэтому искажение гармоник сигнала выше этого диапазона не повлияют на результат фильтрации. Частотные характеристики режекторного фильтра представлены на рисунке 5.5, при этом верхняя диаграмма является АЧХ фильтра, нижняя ФЧХ.

Рисунок 5.5 – АЧХ и ФЧХ предлагаемого рекурсивного фильтра

Из рисунка 5.5 видно, что происходит подавление амплитуда гармоники с частотой 50 Гц на 149 дБ, что является лучшим результатом среди рассмотренных ранее фильтров. Но при этом есть небольшое подавление амплитуд гармоник начиная с 22 Гц. По ФЧХ видно, что она является полностью линейной от 0 до 50 Гц, что также является отличным показателем и свидетельствует о том, что все фазы всех гармоник задерживаются на одинаковую величину и искажение сигнала не происходит.

При сравнении результатов моделирования цифровых фильтров видно, что у рекурсивного фильтра значительно уже окно подавление частот, но сама амплитуда заграждаемой гармоники подавляется хуже на 36 дБ. При этом главными недостатками рекурсивного фильтра являются слабое быстродействие и сильная зависимость от коэффициентов, в предлагаемой схеме фильтра эти коэффициенты отсутствуют, соответственно даже при использовании более слабого процессора, расчет в нерекурсивном фильтре будет происходить быстрее. Также значительным плюсом предлагаемого фильтра является линейная ФЧХ. Поэтому данная схема режекторного фильтра выглядит более приемлемой для использования в ЭКГ аппаратах.

6 ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ СХЕМЫ РЕЖЕКТОРНОГО ФИЛЬТРА В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФАХ

Для понимания эффекта появления сетевой наводки в результатах электрокардиограммы в данном разделе будет рассмотрена природа электромагнитного воздействия и его влияние на электрические аппараты.

Для снятия ЭКГ сигнала необходимо использовать устройство, которое бы сравнивало значения разных сигналов относительно общей точки, данным устройством является измерительный усилитель, поэтому в данном разделе кроме принципа работы ЭКГ аппарата, будет рассмотрена схема данного усилителя.

Чтобы оценить качество предлагаемой схемы режекторного фильтра в подавлении сетевой помехи, применим его в реальном ЭКГ аппарате.

6.1 Общие понятия о электромагнитных воздействиях

Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле и т. д.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «возмущение» электромагнитного поля, которое, распространяясь, охватывает все большие и большие области окружающего пространства, изменяя то поле, существовавшее до смещения заряда. В последствии, это «возмущение» достигает другого заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но данный процесс происходит не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда. Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был открыт Максвеллом, происходит с конечной скоростью равной скорости света в вакууме.

Если электрический заряд не просто сдвинулся из одного положения в другое, а был приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой. Заряд движется подобно телу, подвешенному на пружине, но только колебания его происходят со значительно большей частотой. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, будет равен периоду колебаний заряда. Переменное электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а оно, в свою очередь, вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и т. д. [21].

В окружающем заряд пространстве, распространяющемся на все большие области, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. На рисунке 6.1 изображен «мгновенный снимок» такой системы полей на большом расстоянии от колеблющегося заряда.

Рисунок 6.1 – Распространение электромагнитных волн в пространстве

На этом рисунке показаны векторы и в различных точках пространства. Направление Z – одно из направлений распространения электромагнитных возмущений.

В результате образуется электромагнитная волна, движущееся по всем направлениям от колеблющегося заряда. В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Время возмущения в данной точке пространства, зависит от ее расстояния от заряда. Поэтому, на разных расстояниях от заряда колебания каждого из этих векторов происходят с различными фазами.

Направления колеблющихся векторов – напряженности электрического поля и индукции магнитного поля – перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной. Таким образом, векторы и в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу и перпендикулярны направлению распространения волны.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом понятно, что скорость движения данных зарядов меняется со временем, то есть они движутся с ускорением. Наличие ускорения у движущихся зарядов – главное условие излучения ими электромагнитных волн [21].

Электромагнитное поле появляется не только при колебаниях заряда, но и при любом достаточно быстром изменении его скорости. Интенсивность излучаемой волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Энергия электромагнитного поля волны в любой фиксированный момент времени меняется периодически в пространстве, вместе с изменением векторов и . Бегущая волна несет с собой энергию, перемещающуюся со скоростью вдоль направления распространения волны. В результате этого энергия, переносимая электромагнитной волной в любой точке пространства, меняется периодически со временем.

Явление возбуждения переменным током электромагнитных полей принято называть излучением электромагнитных колебаний или излучением электромагнитных волн. Встречая на своем пути проводники, магнитные составляющие электромагнитных колебаний возбуждают в этих проводниках переменное электрическое поле, создающее в них такой же переменный ток, как ток, возбудивший электромагнитные волны, только несравненно слабее. За счет этого явления и появляются помехи в ЭКГ аппаратах.

Рассмотрим подробней принцип возникновения сетевых наводок от источника питания. Для этого изучим прохождение помехи от источника питания на схеме 6.2.

Рисунок 6.2 – Пути прохождения емкостной и индуктивной помехи от источника e_N

Предположим, что рядом с сигнальным проводом проходит некоторый провод, по которому протекает ток амплитудой I­_N. Тогда вследствие эффекта электромагнитной индукции на сигнальном проводе будет наводиться напряжение помехи V_M . В случае синусоидальной формы тока амплитуда напряжения помехи, наводимого на сигнальном проводе, будет равна

,

где M – взаимная индуктивность между проводами;

L – индуктивность сигнального провода;

ω – частота тока помехи;

R_i – выходное сопротивление источника сигнала;

R_in – входное сопротивление приемника.

Величина взаимной индуктивности пропорциональна площади витка, который пересекается магнитным полем, созданным током I_N. «Витком» в данном случае является контур, по которому протекает ток, вызванный ЭДС помехи.

На рисунке 6.2 этот контур образован сигнальным проводом, входным сопротивлением приемника, проводом «земли» и выходным сопротивлением источника сигнала. Для уменьшения взаимной индуктивности площадь данного контура должна быть минимальной, то есть сигнальный провод должен быть проложен максимально близко к «земле». Эффективную площадь «витка» можно уменьшить, если расположить его в плоскости, перпендикулярной плоскости контура с током, наводящим помехи [9].

Емкостная наводка через паразитную ёмкость между проводниками C_c, наоборот, полностью определяется величиной внутреннего сопротивления источника сигнала R_i, поскольку оно входит в делитель напряжения помехи, состоящий из сопротивления R_i, включенного параллельно R_in, и ёмкости C_с

,

где C_c ­– паразитная емкость схемы;

e_N – ЭДС наводимого источника.

Как следует из (6.2), при R_i = 0 ёмкостная помеха полностью отсутствует. В действительности сигнальный проводник имеет некоторое индуктивное и резистивное сопротивление, падение напряжения помехи на котором не позволяет полностью устранить ёмкостную наводку с помощью источника с низким внутренним сопротивлением.

6.2 Принцип получения электрокардиограммы

Электрокардиографы – аппараты, фиксирующие изменение раз­ности потенциалов между двумя точками в электрическом поле сер­дца (например, на поверхности тела) во время его возбуждения. В настоящее время электрокардиографы обладают высоким техничес­ким совершенством и позволяют осуществить как одноканальную, так и многоканальную запись ЭКГ [10].

При многоканальной записи одновременно регистрируются несколько различных электродных отведений, что значительно сокращает время исследования и дает возможность полу­чить более достоверную информацию об электрическом поле сердца.

Схема подключение электрокардиографа представлена на рисунке 6.3.

Характеристики

Список файлов ВКР