Перестраиваемый активный RC режекторный фильтр для электрофизиологических сигналов

Перестраиваемый активный RC режекторный фильтр для электрофизиологических сигналов относится к приборостроению и может использоваться в микроэлектронных селективных узлах радиоэлектронных медицинских устройств. При передаче электрофизиологических сигналов перед аналого-цифровым преобразованием требуется их предварительная обработка, включающая как обязательный элемент фильтрацию нежелательных частот в спектре входного сигнала. При этом возможность перестройки частоты режекции при стабильном значении добротности полюса обеспечивает удобство настройки фильтра под заданную частоту.
В литературе описаны различные перестраиваемые фильтры, обеспечивающие подавление заданной частоты. Известен перестраиваемый режекторный фильтр (ПРФ) [Кадук Б.Г., Ровенский А.Я., Фидман Б.Г. А.с. SU 327571 от 26.01.1972], содержащий инвертирующий интегратор, инвертирующий дифференциатор, которые с помощью двух потенциометров, стоящих на выходе, позволяют менять коэффициент передачи напряжения. На входе два потенциометра регулируют уровень сигнала, подаваемого на входы интегратора и дифференциатора. Выходное напряжение суммируется на инвертирующем операционном усилителе.
Недостатком фильтра является отсутствие общей отрицательной обратной связи (ООС), охватывающей интегратор фильтра. Без наличия ООС интегратор оказывается в состояние насыщения и схема не может нормально функционировать в качестве ПРФ.
Известен перестраиваемый инвертирующий ПРФ [Остапенко А.Г. A.c. SU 849450 от 23.07.1981], обеспечивающий перестройку частоты режекции в широких пределах, использующий сдвоенный потенциометр. Схема содержит 6 усилителей. Фильтр включает в себя инвертирующий интегратор и дифференциатор, а также выходной инвертирующий токовый сумматор на операционном усилителе. Входное напряжение от входа до выхода проходит инверсию дифференциальным сумматором на инверторах, преобразователях тока в напряжение, затем инвертирующие интегратор и дифференциатор, а также инвертирующий сумматор.
Недостатком фильтра является отсутствие регулировки добротности и использование сдвоенного потенциометра.
В качестве прототипа для заявляемого перестраиваемого режекторного активного RC-фильтра для электрофизиологических сигналов выбран «Перестраиваемый режекторный активный RC-фильтр» [Соловьева Е.Б., Иншаков Ю.М. Патент на ПМ RU 199745 от 17.09.2020].
Приведенный ПРФ-прототип содержит инвертирующие интегратор и дифференциатор, имеющие вход и выход, потенциометр, имеющий движок и два вывода, выводы входа и выхода ПРФ, резистивный делитель напряжения с выводом от точки соединения резисторов, неинвертирующий масштабный операционный усилитель, повторитель напряжения, подключенный входом к точке соединения резисторов резистивного делителя напряжения и выходом к входу инвертирующего интегратора.
Первый вывод резистивного делителя напряжения подключен к входу фильтра, а его второй вывод подключен к выходу фильтра, отвод точки соединения резисторов резистивного делителя подключен к входу первого повторителя напряжения, движок потенциометра подключен ко входу второго повторителя напряжения, выход второго повторителя напряжения соединен с выходом фильтра.
Недостатками ПРФ - прототипа являются:
- зависимость величины добротности полюса от величины частоты режекции при ее регулировке потенциометром;
- ограничение возможности перемещения движка потенциометра от одного его вывода до другого, из-за нарушения фильтрующей способности ПРФ в крайних и в близких к ним положениях движка потенциометра;
- подключение входов, инвертирующих интегратора и дифференциатора к точке соединения резисторов делителя напряжения через два отдельных повторителя напряжения.
Задачами предлагаемого изобретения является устранение перечисленных недостатков прототипа:
- обеспечение стабильности значения добротности полюса при перестройке частоты режекции;
- возможность регулирования частоты режекции во всем диапазоне перемещения движка потенциометра;
- использование только одного повторителя напряжения.
Решение задачи обеспечения стабильности значения добротности полюса фильтра при перестройке частоты режекции, достигается за счет введения дополнительного резистора, подключаемого к выводу движка потенциометра и общему проводу.
Устранение ограничения возможности перемещения движка потенциометра от одного его вывода до другого достигается путем введения двух ограничительных резисторов, включаемых между выходами инвертирующих интегратора и дифференциатора и выводами потенциометра.
Соединение входов инвертирующих интегратора и дифференциатора позволяет использовать только один повторитель напряжения.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого перестраиваемого режекторного активного RC-фильтра для электрофизиологических сигналов (ПРФЭС);
на фиг. 2 - графики зависимости добротности полюса Qп от нормированной частоты схем прототипа и заявляемого ПРФЭС;
на фиг. 3 - графики зависимости нормированной величины добротности полюса Qп от нормированной частоты схем ПРФ прототипа и заявляемого ПРФЭС;
на фиг. 4 приведены три амплитудно-частотные характеристики ПРФЭС с постоянной добротностью полюса при перестройке частоты режекции.
ПРФЭС работает следующим образом.
ПРФЭС является инвертирующим входное напряжение, поскольку из трех последовательно включенных звеньев только интегратор и дифференциатор являются инвертирующими, а повторитель напряжения и выходной операционный усилитель являются неинвертирующими.
Резистивный делитель замыкает общую ООС ПРФЭС.
Входы инвертирующих интегратора 1 и дифференциатора 2 подключены к выходу повторителя напряжения 5 и охвачены цепью ООС через потенциометр 3, неинвертирующий выходной операционный усилитель 6 и резистивный делитель напряжения 4, выход которого подключен ко входу повторителя напряжения 5.
На постоянном токе, т.е. при частоте, равной нулю, коэффициент передачи инвертирующего дифференциатора близок к нулю, а коэффициент передачи инвертирующего интегратора при этом максимален.
Коэффициент передачи перестраиваемого активного ПРФЭС на частотах, достаточно удаленных от частоты режекции, в сторону как нижних, так и верхних частот является постоянным, за счет действия ООС, охватывающей инвертирующие интегратор 1 и дифференциатор 2, потенциометр 3 и неинвертирующий выходной операционный усилитель 6 с фиксированным коэффициентом усиления.
При нахождении движка потенциометра 3 в среднем положении на центральной частоте режекции, задаваемой одинаковыми постоянными времени инвертирующих интегратора и дифференциатора, модули их коэффициентов передачи равны, а выходные напряжения противофазны, поскольку на любой рабочей частоте сдвиг фаз между ними постоянный и составляет 180°.
В результате суммарное напряжение от инвертирующих интегратора и дифференциатора на выходе потенциометра будет близким к нулю.
Напряжение на частоте режекции на выходе неинвертирующего выходного операционного усилителя 6, а, следовательно, и на выходе ПРФЭС, также будет близким к нулю.
Частота режекции при среднем положении движка потенциометра 3 определяется значениями постоянных времени инвертирующих интегратора и дифференциатора, выбираемых обычно равными.
Нулевое напряжение на выходе потенциометра 3 при различных выходных напряжениях, инвертирующих интегратора 1 и дифференциатора 2, на одной частоте, обеспечивается разными коэффициентами передачи потенциометра 3, т.е. положением его движка.
Выходное напряжение инвертирующего интегратора 1 при фиксированном входном напряжении возрастает при уменьшении частоты, а выходное напряжение инвертирующего дифференциатора 2 уменьшается.
При перемещении движка потенциометра 3 в сторону выхода инвертирующего интегратора 1 его выходное напряжение уменьшается, а выходное напряжение инвертирующего дифференциатора 2 увеличивается. Нулевое напряжение на выходе потенциометра 3 будет на частоте выше частоты режекции, соответствующей среднему положению движка потенциометра 3.
При перемещении движка потенциометра 3 в сторону выхода инвертирующего дифференциатора 2 его выходное напряжение уменьшается, а выходное напряжение инвертирующего интегратора 1 увеличивается. Нулевое напряжение на выходе потенциометра 3 будет на частоте ниже частоты режекции, соответствующей среднему положению движка потенциометра 3.
Таким образом, обеспечивается регулировка частоты режекции фильтра при изменении положения движка потенциометра.
Введение корректирующего резистора 7 между движком потенциометра 3 и общим проводом уменьшает глубину общей ООС ПРФЭС и снижает его максимально достигаемую добротность полюса, но при этом стабилизирует ее значение при перестройке частоты режекции, т.е. при перемещении движка потенциометра 3.
пр
з
Полученные в результате моделирования в программе Микрокап 12 значения добротности полюсов прототипа Q и заявляемого фильтра Q, а также их нормированные значения в абсолютном и в процентном отношении  и  соответственно, при изменении частоты режекции  приведены в таблице.
Из полученных результатов следует, что введение компенсационного резистора 7, подключенного к движку потенциометра 3 и общему проводу обеспечивает стабильность значения добротности полюса при перестройке частоты режекции за счет уменьшения ее в 2,5 раза от максимально достигаемого его значения.
Введенные два ограничительных резистора 8, 9 между выходами инвертирующих интегратора 1 и дифференциатора 2 позволяют перемещать движок потенциометра 3 от одного его вывода до другого, т.е. использовать весь диапазон перемещения движка, обеспечивая при этом перестройку частоты режекции (фиг. 4).
Непосредственное соединение входов, инвертирующих интегратора и дифференциатора требует только одного повторителя напряжения вместо двух используемых в прототипе.
Предлагаемая схема перестраиваемого ПРФЭС дает возможность независимо регулировать частоту режекции фильтра, без изменения добротности полюса, обеспечить регулирование частоты режекции при перемещении движка потенциометра 3 от одного его вывода до другого, подавать входной сигнал на инвертирующие интегратор 1 и дифференциатор 2 от одного повторителя напряжения 5, что повышает технологичность, удобство настройки и регулирования параметров ПРФЭС в процессе его эксплуатации.