ПЗ (1230771), страница 5
Текст из файла (страница 5)
При этом, в отличии от рекурсивного фильтра,данному фильтру не нужно время для установления режима работы, выходнаяхарактеристика выдается без помех сразу после включения. Нерекурсивныйфильтр 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.ДП 23.05.03.18.153.ПЗИзмЛист№ документаПодписьДатаЛист43Для оценки изменения отношения амплитуд различных гармоник выходногосигнала, 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.абРисунок 5.4 – Анализ Фурье входного и выходного сигнала: а – входной сигнал, снятый сScope; б – сигнал на выходе фильтра, снятый с Scope1Как видно из состава гармоник на рисунке 5.4, сетевая наводка 50 Гц гаситсяпрактически полностью. Амплитуды других сигналов исказились незначительно. Это свидетельствует о высокой эффективности данного режекторного фильтра.
По результатам анализа Фурье можно сделать вывод, что использованияданного 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. Прирасчетах было получено, что фильтр будет гасить не только 50 Гц, но также 100Гц, 150 ГЦ и 200 Гц, поэтому строить характеристики будем в диапазоне от 0 до200 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 пред-ДП 23.05.03.18.153.ПЗИзмЛист№ документаПодписьДатаЛист44ставлены на рисунке 5.5, при этом верхняя диаграмма является АЧХ фильтра,нижняя ФЧХ.Рисунок 5.5 – АЧХ и ФЧХ предлагаемого рекурсивного фильтраИз рисунка 5.5 видно, что происходит подавление амплитуда гармоники счастотой 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 0до 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 урекурсивного фильтра значительно уже окно подавление частот, но сама амплитуда заграждаемой гармоники подавляется хуже на 36 дБ.
При этом главныминедостатками рекурсивного фильтра являются слабое быстродействие и сильнаязависимость от коэффициентов, в предлагаемой схеме фильтра эти коэффициенты отсутствуют, соответственно даже при использовании более слабого процес-ДП 23.05.03.18.153.ПЗИзмЛист№ документаПодписьДатаЛист45сора, расчет в нерекурсивном фильтре будет происходить быстрее. Также значительным плюсом предлагаемого фильтра является линейная ФЧХ. Поэтому данная схема режекторного фильтра выглядит более приемлемой для использованияв ЭКГ аппаратах.ДП 23.05.03.18.153.ПЗИзмЛист№ документаПодписьДатаЛист466 ПРИМЕНЕНИЕПРЕДЛАГАЕМОЙСХЕМЫРЕЖЕКТОРНОГОФИЛЬТРА В ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФАХДля понимания эффекта появления сетевой наводки в результатах электрокардиограммы в данном разделе будет рассмотрена природа электромагнитноговоздействия и его влияние на электрические аппараты.Для снятия ЭКГ сигнала необходимо использовать устройство, которое бысравнивало значения разных сигналов относительно общей точки, даннымустройством является измерительный усилитель, поэтому в данном разделекроме 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 воздействияхПеремещение 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, порождаетпеременное 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 иприводит 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 былоткрыт Максвеллом, происходит с конечной скоростью равной скорости света ввакууме.ДП 23.05.03.18.153.ПЗИзмЛист№ документаПодписьДатаЛист47Если 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, аоно, в свою очередь, вызовет появление переменного электрического поля ужена большем расстоянии от заряда и т.
д. [21].В окружающем заряд пространстве, распространяющемся на все большиеобласти, 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.ZсXEB0YРисунок 6.1 – Распространение электромагнитных волн в пространствеНа этом рисунке показаны векторы E и B в различных точках пространства.
Направление Z – одно из направлений распространения электромагнитныхвозмущений.ДП 23.05.03.18.153.ПЗИзмЛист№ документаПодписьДатаЛист48В результате образуется электромагнитная волна, движущееся по всемнаправлениям 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 поляи индукции магнитного поля – перпендикулярны направлению распространенияволны.
Электромагнитная волна является поперечной. Таким образом, векторыE и B в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу и перпендикулярны направлению распространения волны.Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этомпонятно, что скорость движения данных зарядов меняется со временем, то естьони движутся с ускорением. Наличие ускорения у движущихся зарядов – главное условие излучения ими электромагнитных волн [21].Электромагнитное поле появляется не только при колебаниях заряда, но ипри 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 моментвремени меняется периодически в пространстве, вместе с изменением векторовE и B .
Бегущая волна несет с собой энергию, перемещающуюся со скоростьюс 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 принятоназывать излучением электромагнитных колебаний или излучением электромагнитных волн. Встречая на своем пути проводники, магнитные составляющиеэлектромагнитных колебаний возбуждают в этих проводниках переменное элек-ДП 23.05.03.18.153.ПЗИзмЛист№ документаПодписьДатаЛист49трическое поле, создающее в них такой же переменный ток, как ток, возбудивший электромагнитные волны, только несравненно слабее. За счет этого явленияи появляются помехи в ЭКГ аппаратах.Рассмотрим подробней принцип возникновения сетевых наводок от источника питания. Для этого изучим прохождение помехи от источника питания насхеме 6.2.INIсRiMСсeNVMRinVine1Рисунок 6.2 – Пути прохождения емкостной и индуктивной помехи от источника eNПредположим, что рядом с сигнальным проводом проходит некоторый провод, по которому протекает ток амплитудой IN.
Тогда вследствие эффекта электромагнитной индукции на сигнальном проводе будет наводиться напряжениепомехи VM . В случае синусоидальной формы тока амплитуда напряжения помехи, наводимого на сигнальном проводе, будет равнаVM M ( Ri Rin ) Ri Rin 2,(6.1) L2 2где M – взаимная индуктивность между проводами;L – индуктивность сигнального провода;ω – частота тока помехи;Ri – выходное сопротивление источника сигнала;Rin – входное сопротивление приемника.ДП 23.05.03.18.153.ПЗИзмЛист№ документаПодписьДатаЛист50Величина взаимной индуктивности пропорциональна площади витка, который пересекается магнитным полем, созданным током IN.
«Витком» в данномслучае 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 данногоконтура должна быть минимальной, то есть сигнальный провод должен бытьпроложен максимально близко к «земле». Эффективную площадь «витка» можноуменьшить, если расположить его в плоскости, перпендикулярной плоскостиконтура с током, наводящим помехи [9].Емкостная наводка через паразитную ёмкость между проводниками Cc,наоборот, полностью определяется величиной внутреннего сопротивления источника сигнала Ri, поскольку оно входит в делитель напряжения помехи, состоящий из сопротивления Ri, включенного параллельно Rin, и ёмкости CсVM Ri Rin Сс1 Ri Rin Сс )2eN ,(6.2)где Cc – паразитная емкость схемы;eN – ЭДС наводимого источника.Как следует из (6.2), при Ri = 0 ёмкостная помеха полностью отсутствует.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
