Аналоговая часть схемы

Теперь переходим к аналоговой части нашей схемы. Аналоговая часть строится на базе инструментального операционного усилителя AD620. Сведения об операционных усилителях (ОУ) необходимые для дальнейшего понимания излагаемого см. здесь. Рассмотрим даташит на AD620 (здесь) и обнаружим, что там электрокардиограф (кардиограф) строится по следующей схеме:

рис.4

Мы эту схему упростим до следующего вида:

рис.5

Дело в том, что “драйвер правой ноги” (right leg driver – ещё это часто имеет название "референтный электрод") на основе AD705J нам не нужен так как он предназначен для борьбы с наводкой в 50 Гц, которая обычно возникает если прибор гальванически соединён с сетью в 50Гц. У нас прибор с сетью, как мы уже знаем, не соединён и питается от батарейки в 9В, поэтому здесь схема "драйвера правой ноги" на основе усилителей лишняя и более того в нашем случае привносила бы дополнительный шум. В итоге в качестве “драйвера правой ноги” у нас будет просто нулевой провод. Почему именно нулевой провод? Дело в том, что разность потенциалов между телом человека и нулевым потенциалом схемы может быть довольно большой и в итоге может получиться так, что потенциалы, снимаемые с тела и подаваемые на входы усилителя, относительно нулевой точки схемы имеют слишком большую величину, при этом выходят за диапазон допустимых величин потенциалов подаваемых на входы ОУ и это несмотря на то, что разность потенциалов между плюсовым и минусовым входом усилителя в пределах милливольта (см. подробнее об этом здесь – где: "... потенциалы относительно нуля схемы, подаваемые на входы +IN и –IN усилителя должны быть в пределах определяемых..."). Подобное чревато режимом насыщения усилителя, в котором он не усиливает, а просто выдаёт на выход постоянную составляющую равную примерно верхнему или нижнему значению напряжения питания усилителя (в нашем случае это около +3В или -3В). Чтобы этого избежать нужно привести потенциалы тела к требуемому диапазону – к уровню близкому потенциалу нулевого провода схемы. Поэтому мы и подключаем этот нулевой провод к правой ноге человека (максимально далеко от сердца – так принято в медицине, чтобы минимизировать всякий риск поражения током). В итоге потенциал, снимаемый с тела человека близок к нулевому потенциалу схемы, а значит, попадает в диапазон допустимых величин потенциалов подаваемых на входы ОУ.
Необходимо так же отметить, что имеет место такое явление как поляризация электродов при их контакте с кожей. Это приводит к тому, что на входе усилителя помимо изменяющейся разности потенциалов, обусловленной электрической активностью сердца (полезный сигнал, который мы стремимся измерить) появляется ещё и постоянная составляющая, чья величина может достигать 300 мВ как в положительную, так и в отрицательную сторону (см. С.В. Фролов, В.М. Строев, А.В. Горбунов, В.А. Трофимов Методы и приборы функциональной диагностики. Изд-во ТГТУ, здесь также есть об этом, правда на английском языке). Если мы сразу усилим данный сигнал в 1000 раз, то в итоге получим величину около 300В или -300В – что явно выходит за пределы возможностей усилителя. В итоге мы просто получим усилитель в режиме насыщения. Чтобы этого избежать усилитель строят из 2-х ОУ и фильтра высоких частот (ФВЧ) между ними – это и изображено в схеме даташита. Первый усилитель AD620 имеет коэффициент усиления 7, далее у усиленного таким образом сигнала при помощи ФВЧ в виде RC-цепочки вида:

рис.6

убирается постоянная составляющая – та самая, что получается при усилении составляющей обусловленной поляризацией электродов. Эту самую постоянную составляющую не пропускает конденсатор RC-цепочки, включённый последовательно со входом следующего усилителя. Далее полученный сигнал поступает на 2-й AD620 с коэффициентом усиления около 140. Тау RC цепочки – 0.3 сек. Получается схема вида рис.7:

рис.7

Схема на рис.7 не полная – нужен опорный уровень (см. объяснение здесь) – его мы сделаем на основе OP97. Также необходимо добавить конденсаторы для борьбы с самовозбуждением по питанию операционников (см. объяснение здесь). В итоге аналоговая часть схемы имеет вид рис.8

рис.8

Здесь не хватает лишь схемы стабилизированного питания. То есть той части схемы рис.8, которая там обозначена как:

рис.9

Блок питания построим на основе микросхемы TL431. За основу возьмём схему вот отсюда (здесь). Достоинство источника питания выполненного по этой схеме – меньший уровень шумов по сравнению, например, с импульсными источниками питания.

рис.10

Эта схема выдаёт стабилизированное напряжение -2.5В и +2.5В. В принципе этого уже достаточно чтобы запитать схему – AD620 может работать и при +2.3В, -2.3В, а OP97 при +2В, -2В (см. даташиты). К тому же в данной схеме блока питания можно отказаться от конденсаторов C1 и C2 в 470 мкФ и оставить только конденсаторы C3, C4 в 0.1 мкФ – всё это без ухудшения характеристик кардиографа (отказываемся от конденсаторов большой ёмкости в схеме, в том числе и с целью убрать возможный риск по электробезопасности). Вместе с тем, учитывая, что конечная цель – энцефалограф, где необходимо будет также применять ОУ TLC272 с минимальным питанием в 5В, для некоторого запаса, разумно применить стабилизированный источник на +3В, -3В, что даст возможность запитать TLC272 6-тью вольтами. Тогда с учётом рекомендацийдаташита на TL431

схему вида рис.10 переработаем к виду рис.11:

рис.11

Здесь просто в схеме рис.10 части вида

рис.12

заменили частями вида

рис.13

а также убрали конденсаторы на 470 мкФ. В даташите на TL431 схема вида рис.13 соответствует рисунку:

рис.14

Так как у нас Vka должно быть +3В, Vref=2.5В и Iref около нуля, то R1/R2=Vka/Vref-1=0.2. Чтобы выполнялось это условие возьмём R1=2 кОм R2=10 кОм. Это и будут значения сопротивлений R1, R2 схемы рис.11.
Таким образом, схема аналоговой части энцефалографа сводится к схеме рис.8 и источнику питания для этой схемы рис.11 (ну или рис.10, причём, без конденсаторов в 470 мкФ).

Также необходимо отметить, что к GND Arduino (см. рис.2, рис.3) подключается потенциал -3В нашей аналоговой части, а, не нулевая точка, как можно было бы подумать. Разность потенциалов между, например, A0 и GND Arduino должна быть только положительной. К A0 Arduino подключается выход (OUTPUT) второго усилителя AD620.