Способы подавления помех

   Из-за малых значений входных электрических сигналов, снимаемых с биологического объекта, весьма важным является борьба с различными электромагнитными помехами. Наличие их есть следствие того, что сам пациент и измерительные технические устройства находятся в зоне действия электромагнитных излучений.

   Помехи создаются проводами электрической сети, бытовыми электроприборами, медицинской аппаратурой, радиостанциями и радиотелефонами. Особенно опасны источники помех, в которых происходит резкое прерывание электрического тока. При этом наиболее широкий спектр у помех наблюдается в случае образования искры в момент коммутации. Уровень помех может быть настолько большим, что на фоне их затруднительно оценить информационный сигнал. Поэтому при проведении электрических исследований всегда стремятся уменьшить влияние внешних электромагнитных полей.

 

 

Рисунок 3.12 -  Возможные пути восприимчивости технического

 средства к помехам и распространения им помех:

ВП - восприимчивость пространственная;

ВК - восприимчивость кондуктивная; ИП -  излучение
пространственное; ИК -  излучение кондуктивное
(по проводам)

 

   Можно выделить следующие способы уменьшения влияния помех:

 - экранирование (электростатическое и магнитное);

 - установка фильтров, уменьшающих распространение по проводам кондуктивных помех от их источников;

 - фильтрация сигнала, снимаемого с биообъекта;

 - применение структурных методов повышения помехоустойчивости, при которых сигнал помехи вычитается из суммарного сигнала, содержащего сумму информационной составляющей и помехи;

 - использование измерительных преобразователей с дифференциальным входом, который преобразует разность сигналов, а не сам сигнал;

 - симметрирование измерительной цепи так, чтобы на оба дифференциальных входа действовали бы одинаковые помехи.

   Электростатическое экранирование заключается в шунтировании большей части (или всей) паразитной емкости емкостью на корпус (рис. 3.13).  

Рисунок 3.13 - Электростатическое экранирование

          Пусть емкостная помеха наводится через паразитную емкость С_АВ между проводниками А (источник наводки) и В (приемник наводки). Если корпус удален на такое расстояние, что емкостью между ним и проводниками можно пренебречь (рис.3.13, а), то помеха не будет ослабляться.
   В том случае, когда экран, соединенный с корпусом, располагают вблизи проводников (рис. 3.13, б), шунтирующая емкость С_ВО уменьшает амплитуду помехи. Если С_АВ << С_ВО, то напряжение наводимой помехи снижается в С_АВ/С_ВО раз. Если же экран расположить между проводниками так, как показано на рис. 3.13, в, то помеха еще более уменьшится за счет уменьшения самой паразитной емкости С_АВ.
   На основании изложенного можно считать, что экранирующий эффект заземленного металлического листа заключается в шунтировании на корпус большей части паразитной емкости, имеющейся между источником и приемником наводок.
   В качестве металлического листа, соединенного с корпусом прибора, служат детали шасси, каркасов; обшивки стоек, панелей, субблоков, специальные листовые металлические прокладки на монтажной стороне плат, блоков, субблоков; экранные сплошные металлические слои в многослойных печатных платах и т. д.

   Применяемые на практике схемы заземления корпусов систем условно можно разделить на три группы:

- последовательное в одной точке (рис. 3.14,а);

- параллельное в одной точке (рис. 3.14,б);

- многоточечное (рис. 3.14,в).

   Первый вариант заземления наиболее простой, но ему соответствует наибольший уровень помех, обусловленный протеканием токов по общим участкам заземляющей цепи.

   Вторая схема не имеет этого недостатка, но требует большого числа
протяженных проводников, из-за длины которых трудно обеспечить малое сопротивление заземления.

 

 

Рисунок 3.14 -  Варианты схем заземления групп технических средств

 

   Многоточечная схема исключает недостатки первых двух вариантов, однако, при ее применении могут возникнуть трудности с появлением резонансных помех в контурах схемы.
   Обычно при организации заземления применяют гибридные схемы: на низких частотах отдают предпочтение одноточечной, а на более высоких
частотах многоточечной схеме.

    Экранирование - один из самых эффективных способов защиты от помех. Наилучшие результаты удается получить при размещении объекта исследований в экранированной камере.

   Для магнитного экранирования стены камеры покрываются магнитомягким материалом (железо, аморфное железо). С целью повышения эффективности также вводится второй слой металлического покрытия, выполненного из материала с хорошей электрической проводимостью (медь). Удовлетворительные результаты удается получить, употребляя не очень редкую металлическую сетку (размер ячейки менее 1 см). При этом имеет место экранирование от высокочастотного электромагнитного и электростатического полей. Защита от магнитных полей помех, изменяющихся с небольшой скоростью, получается плохой.

Рисунок 3.15 - Экранирование источника электромагнитной помехи с применением фильтра электропитания: а - источник помехи без экрана;

б - источник помехи в экране

 

   Магнитная экранировка достаточно дорога. Поэтому камеры, обеспечивающие эффективное экранирование от помех магнитного поля, встречаются чрезвычайно редко.

   Электрические фильтры режекторного типа устанавливаются между источником питания и электрическими приборами, которые создают кондуктивные помехи - помехи, распространяющиеся по проводам. Это так называемые сетевые фильтры.

   Характеристики их выбираются так, чтобы в сеть первичного источника электрической энергии, от которой питаются цепи измерительных устройств, не проникали бы высокочастотные электрические колебания.

   Получаемые информационные сигналы обычно фильтруются с помощью фильтров, устанавливаемых внутри измерительного прибора. Характеристика их выбирается такой, чтобы фильтр хорошо пропускал сигналы в интересующей полосе частот и плохо - в полосе частот, в которой находится спектр помехи.

Рисунок 3.16 - Функциональная схема помехоустойчивой аппаратуры съема и предобработки ЭЭГ, где: 1 – голова человека, 2 – поверхностные электроды, 3 – индифферентный электрод, 4 – предварительный усилитель, 5 – аттенюатор, 6 – режекторный фильтр с F р = 50 Гц, 7 – фильтр низких частот F ср = 4 Гц, 8 – фильтр высоких частот F ср = 40 Гц, 9 – оконечный усилитель, 10 – регистратор

Рисунок 3.17 - Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики фильтров. a) фильтр нижних частот; b) фильтр верхних частот; c) полосно-пропускающий фильтр (резонансный); d) полосно-задерживающий фильтр (заградительный)

   В последнее время вместо аппаратных фильтров, характеристики которых жестко заданы при проектировании, начинают применяться цифровые фильтры. Требуемую характеристику можно получить программным способом, что открывает возможность гибкой перестройки полосы пропускания и позволяет оперативно исследовать информационный сигнал в широкой полосе частот.

   При использовании структурных методов обычно создают два идентичных канала преобразования сигнала (реализуется принцип[5] многоканальное™). Информационный сигнал подается на вход одного канала. Вход второго канала подключают к тому электроду, на котором имеется сигнал помехи и близка к нулю информационная составляющая. Сигналы обоих каналов подаются на вход вычитающего устройства. В результате вычитания на его выходе остается только информационная составляющая, которая интересует исследователей.

Рисунок 3.18 – Дифференциальный усилитель на ОУ

   Измерительные преобразователи с дифференциальным входом преобразуют только разность сигналов на дифференциальных входах. Поля помех обычно создают синфазный сигнал — одинаковый сигнал на обоих входах. Поэтому на выходе устройства с дифференциальным входом сигналы помех существенно ослаблены, а в ряде случаев оказываются подавленными полностью.

 

            

[1] По́стсинапти́ческий потенциа́л (ПСП) — это вре́менное изменение потенциала постсинаптической мембраны в ответ на сигнал, поступивший с пресинаптического нейрона. Различают:

· возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП), обеспечивающий деполяризацию постсинаптической мембраны, и

· тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП), обеспечивающий гиперполяризацию постсинаптической мембраны.

 

[2] Гиппокамп (от др.-греч. ἱππόκαμπος — морской конёк) — часть лимбической системы головного мозга (обонятельного мозга). Участвует в механизмах формирования эмоций, консолидации памяти (то есть перехода кратковременной памяти в долговременную).

[3] Генез - (от греч. genesis - происхождение - возникновение), часть сложныхслов, означающая: связанный с процессом образования, возникновения

[4] Синапс – область соприкосновения нервных клеток друг с другом (межнейронный с.) или с иннервируемыми ими тканями (органный с.)

[5] Принцип многоканальное™ передачи возмущения для любого измерительного устройства заключается в том, что для достижения инвариантности какой-либо координаты Х к влияющему на него возмущению необходимо наличие минимум двух каналов передачи указанного возмущения от точки его приложения до точки, в которой производится измерение этой (выходной) координаты. Инвариантность - независимость чего-либо от каких-либо условий, изменений, воздействий