为什么将输入放大器放在对ECG信号进行滤波之前?


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在eetimes.com上的本文中,它们显示了用于测量ECG的信号链。

在此处输入图片说明

ECG的原始信号包含噪声,并且其偏移量至少比真实信号大。(由于乳房的运动,几mV心电图,来自电源线噪声和电极偏移的几十mV以及高达数百mV的基线漂移。)

从直觉上讲,这使我可以对放大器前面的信号进行滤波,以避免不必要的信号分量放大。然而,在本文中,它们在输入放大器之后进行信号滤波,即使在第二个放大器之后也去除高频噪声。

我真的不能想到他们为什么要这样做的原因。唯一想到的是信号源的极高阻抗,但是滤波不会影响信号源,因为该频率范围显然在通带内。

我是否缺少一些重要原因,为什么要按此顺序进行信号调理?


那是一篇很好的文章。
斯科特·塞德曼

Answers:


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我是否缺少一些重要原因,为什么要按此顺序进行信号调理?

是的,你是...

将选择前端差分放大器,使其具有数十dB的共模抑制电平,很可能在80 dB的范围内。

该差分放大器将差分信号转换为单端信号,任何共模干扰都将被忽略。

如果要将滤波器放在差动放大器的两端,为避免平衡失配,您必须选择至少匹配-80 dB等效电平的组件(例如电容器和电阻器)。

您可以将1%的电容器的值相差2%视为潜在的差异,以dB的形式可以将其视为-20 log(50)= -34 dB。换句话说,在差动放大器之前,每条线上的滤波器都无法获得出色的差分共模性能。


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尽管CMRR降低了,但差分噪声是否有可能足以在放大器之前进行滤波呢?
DavidG25,19年

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可能会发生,但需要的DM组件要远大于几百mV(100mV在该放大器的输出端仅提供半伏)​​。提早放大的另一个原因是,您可以通过在前端应用14dB的增益来使其余系统的噪声FAR减轻一个问题。实际上,现实是一团糟,在差分放大器之前可能会有滤波器,但是它们通常会超出目标频段,因此较小的容差将影响最小。它们的存在是为了将诸如无线电传输之类的东西排除在电子设备之外。
丹·米尔斯

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@DanMills:最后一点为+1,不过可以通过观察放大器的两个输入之间的上限将进一步提供低通滤波而不会产生任何差分噪声的方式进一步扩展,但通常不会被视为在方框图中每个说“过滤器”。
超级猫

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@supercat的确,您可以更进一步,将该盖子分成两个串联,然后将一个值1的SMALL从接线端连接到机箱接地。较大的两个串联电容的不匹配性得到了缓解,因为感兴趣频带中的大多数CM电压都跨小电容降到了地,而大射频电容的阻抗可忽略不计,而大电容则使RF电流分流。
丹·米尔斯

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安迪和尼克提供了很好的答案。让我尝试将它们增强一点。

首先,数学上说先放大再滤波就等于先滤波再放大。当然,这适用于理想情况,因此让我们讨论非理想情况。

IMO就是这里的大饱和。如果噪声太大而使放大器饱和,则所有选择都关闭。你失去信号。这会打扰我们吗?并不是的。通常,我们将InAmp级的增益保持在足够低的水平,以应对100mV左右的DC电极失调,因此增益是适度的,我们不太可能饱和。

如前所述,涉及非理想性的下一个问题是共模噪声和CMRR。我们希望通带中的CMRR出色。如果我们损害了通带中的CMRR,则会降低SNR。对于kHz范围内的预滤波,我并不完全同意Nick,但我通常会遵循制造商关于RF滤波的指导,甚至可能比建议的频率降低十倍。构建这些过滤器时,我经常使用X2Y上限以尝试使上限保持良好匹配。

最后,让我们考虑一下一直到体内信号的信号路径。电极/皮肤界面的阻抗将始终变化,并且每个设计都需要考虑到这一点。由于当今InAmp的巨大输入阻抗,这已不像以前那么重要了。实际上,为了满足NFPA99医院安全标准(当我知道必须将其通过临床工程进行检查时),我通常会在导轨电压发生故障的情况下,在每个电极引线上放置一个较大的喇叭形电阻,以确保合规性(<10微安)。在放大器输入端。我可以很好地匹配这些电阻,但是它可能并没有我想像的那么大,特别是考虑到电极不匹配,因此在某种程度上,我们在自欺欺人地让自己相信,只是因为我们没有不要在放大器前面放一个滤波器,以确保所有电极引线的信号路径都匹配良好-。但是,这里的变化可能会使我们选择放置在这里的滤波器的截止频率有些不确定。

将Driven-Leg放入混音中,您的声音可能会好大约20dB。InAmps与约翰·韦伯斯特John Webster)时代不同。我们有价格便宜的阻抗阻抗装置,他只能梦dream以求。

解决此类问题的方法是尽快将差分信号转换为单端信号,并尽可能小心地处理直到增益适中的仪表放大器,然后再执行任何操作我想要。通过良好的零件选择,您可以通过毫伏级信号真正获得微伏级噪声。

最后一点,尼克关于ESD保护的观点很好。对于我的东西,我并不特别在意,但是您是否曾经想过,当对患者进行除颤时,临床心电图单元是否会突然弹出?数千伏的电压提供给输入,而设计精良的装置则大笑不已。


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我将第二个@Andy的答案,我想补充一件事。

需要在电极和InAmp之间使用无源低通滤波器。我将截止频率放在kHz区域的某个位置。

电极与仪表放大器之间具有低通滤波器的框图

InAmp在低频下具有出色的CMRR,但在较高的频率(取决于芯片,高于3kHz-10kHz)下,CMRR会下降。高频整流是InAmp的另一个关注点。高频信号可能会被InAmp的输入级整流,然后显示为DC偏移。
(此应用笔记中的更多信息:Analog Devices MT-070。仪表放大器输入RFI保护。)

由于EKG信号很低,因此即使无源组件有些不匹配,也可以将高频滤除。


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高频不需要作为共模进行滤波,因为可以在放大器之后通过低通对它们进行滤波。您不希望在任何小信号系统上的放大器前面都设置无源器件,尤其是在ECG上,您希望所有测量电极都连接到“无穷大”输入阻抗FET级,从而无法使电流通过人体。RL驱动器缓慢地使您的电路接地和人体接地相等,您不希望形成电流流过RL驱动器并进入测量通道的电路。
Ben Voigt

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@Ben高频共模应在InAmp 之前滤除。InAmp很好地拒绝了低频共模。不幸的是,InAmp具有高频共模问题(高于10kHz,尽管从一种InAmp模型到另一种模型有所不同)。CMRR与频率有关,在较高频率下会下降。[只是保持话题。我认为这主要是为了保护InAmp免受EMI影响。如果我们要考虑患者安全方面的问题,我也很乐意这样做。]
尼克·阿列克谢夫

在高于信号频段的频率上不需要CMRR。如果它们通过仪表放大器,则没关系,因为以下带通将它们滤除。您不需要的是第一个放大器之前的任何噪声源。
Ben Voigt

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@Ben除了在高频下降低CMRR之外,InAmp还在高频下受到整流的影响。高频信号可能会被InAmp的输入级整流,然后在输出端显示为DC偏移。此应用笔记中的更多内容:ADI公司的MT-070。仪表放大器输入RFI保护
尼克·阿列克谢耶夫

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您在第一个放大器之前所做的唯一滤波就是与天线/波导形状有关的滤波。这仅适用于微波和更高频率。

常规无源滤波器会增加噪声-与增加的噪声相比,您希望信号更大。即使这意味着您也在放大干扰信号,也没有改变信号与带内干扰信号的比率,因此您可以像放大之前一样有效地过滤干扰。但是您不能在滤波后有效放大,因为您已经混入了滤波器的噪声。

然后,您将经常在滤波后再次放大,因为现在可以将整个动态范围应用于感兴趣的频率。但这不是前置放大,而是替代。

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