Медична електроніка займається саме тим, що збирає фізіологічні сигнали, підсилює їх і обробляє з тим, щоб виміряти або активувати якісь системи тіла людини, що відповідають за фізичне або психічне здоров'я.
Щоб зрозуміти, як виміряти струми в м'язах і мозку, потрібно для початку визначитися з приблизною областю можливих значень. Завжди треба спочатку це прикидати, інакше неможливо правильно підібрати інструмент вимірювання і необхідну схему.
Так ось, в нашому тілі струми дуже слабкі (маю на увазі амплітуду, тобто вольтаж), тому перш ніж з ними працювати, треба їх посилити.
Посилення сигналів, в свою чергу, означає велику кількість шумів (слабких струмів в просторі дуже багато, джерела у них найрізноманітніші).
Значить, сигнал потрібно посилити. і відфільтрувати.
Вимоги до підсилювачів біосигналів
Типовий підсилювач біосигналів повинен мати наступні характеристики:
- Біосигналів мають напругу в районі mV-mkV. Значить, фактор посилення (A - amplyfy - "підсилювати") повинен бути як мінімум тисячократним. Тоді ми прийдемо до робочих значень в районі декількох вольт. Часто використовується запис в децибеллах, нагадую, як здійснюється перерахунок лінійного значення в децибел:
- Біосигналів мають різну частоту. Підсилювач повинен максимально добре працювати з сигналами будь-якої частоти. без пропусків смуг. Такого в реальності не буває, тому робочий частотний канал буде приблизно так ось виглядати:
- Наше тіло добре проводить струм. Ми як антени притягуємо електромагнітне випромінювання з усіх джерел. Тому біосигналів сильно забруднені шумами. Щоб цього уникнути, застосовують диференційний підсилювач. Його дієвість характеризуються соотношеніемCMRR - common mode rejection rate - "коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу".
Чим намагатися словами пояснити, простіше показати що таке метод CMRR схемою:
Маємо джерело змінного струму (коло з хвилею) на вході (Ue), підсилювач (трикутник з плюсом і мінусом) і вихід (Ua).
Вихідний сигнал розділяється на два (Up і Un) і надсилається на підсилювач.
В ідеалі, диференційний підсилювач повинен видавати посилену різницю цих двох сигналів. Таким чином, ми хочемо виокремити сигнал Up від сигналу Un:
У реальності, як зазвичай, все не так добре як повинно бути. Тому ми маємо у формулі ще один доданок Асінф * 1/2 (Up + Un), яке означає посилення тієї ж частоти, яка була послана (вихідної частоти - тобто половини суми двох сигналів, на які ми її розклали). Щоб так довго кожен раз не пояснювати і придумали слово "синфазна частота":
Співвідношення модулів посилення потрібної нам частоти до посилення синфазной і є CMRR:
Запис в децибеллах виглядає так:
Ми були б щасливі, якби це значення було нескінченно великою. Це б означало, що потрібна частота повністю виділена, а синфазна пригнічена (розподіл числа на нескінченно мале число дає в результаті нескінченно велике число). Але, життя не цукор, тому таке щастя неможливо реалізувати (або ми просто поки не знаємо як).
- Опір на вході підсилювача біосигналів (внутрішній опір підсилювача) повинна бути дуже велика, щоб не спотворювати сигнал. В іншому випадку, якщо опір буде маленьке, сигнали просто замкнуться (вимірюємо напруга, значить входять вони паралельно).
Ось так приблизно виглядає спрощена схема інтерфейсу зчитування біосигналів з шкіри людини:
Ну все, залишається підібрати тип підсилювача.
замість висновку
У кого є ідеї, який це має бути підсилювач: інвертується або неинвертирующий? Пропонуйте в коментах.
У наступній статті будуть формули розрахунків опорів для різних типів підсилювачів.
Навіщо все це потрібно, може запитати наївний читач? Потім, що всі компоненти для вимірювань легко купити на ebay або aliexpress. А так як теорія вимірювань не така вже складна, будь-який бажаючий може ставити досліди і, можливо, зібрати прототип цікавих пристроїв навроде цього.