Полосовой фильтр с перестраиваемым частотным диапазоном для непрерывного спектрального анализа кардиоинтервалограммы

Полезная модель относится к схемам аналоговой частотной фильтрации и, более конкретно, к схемам полосовых фильтров с перестройкой центральной частоты и полосы пропускания.
Предлагаемый перестраиваемый полосовой фильтр (ПФ) может применяться в устройствах для диагностики кардиоваскулярной системы человека, обеспечивающих возможность оценки состояния различных уровней регуляции сердечно-сосудистой системы. Это осуществляется на основе анализа и оценки спектральной мощности кардиоинтервалограммы (КИТ) в различных частотных диапазонах. Текущие значения спектральной мощности кардиоинтервалограммы также используются в системах с биоуправлением, где по ним формируется сигнал биологической обратной связи (Поскотинова Л.В., Семенов Ю.Н. Патент RU 2317771 от 03.04.2006; Суворов Н.Б.; Ярмош И.В., Сергеев Т.В., Белов А.В., Агапова Е.А. Патент RU 2655883 от 29.05.2018; Яблучанский Н.И., Мартыненко А.В.. Вариабельность сердечного ритма. В помощь практическому врачу. Харьков, 2010, 131 с).
В таких системах особенно важно определение спектральной мощности отдельных составляющих частотных диапазонов в режиме реального времени. Значения частотных диапазонов, используемых при анализе вариабельности сердечного ритма (ВСР), и их физиологическая интерпретация в регуляции кардиоваскулярной системы представлены в таблице.
Применение непрерывного спектрального анализа на основе частотной фильтрации кардиоинтервалограммы позволяет количественно оценивать частотные составляющие колебаний ритма сердца, что, в свою очередь, обеспечивает возможность осуществлять биоуправление по амплитудам частотных компонентов сердечного ритма, связанным с активностью определенных звеньев регуляторного механизма кардиоваскулярной системы.
В медицинской практике при проведении спектральных исследований в области низких и инфранизких частот требуются полосовые фильтры в диапазоне от сотых долей до единиц Герц. При этом необходимо обеспечить возможность их настройки как по центральной частоте при сохранении полосы пропускания, так и полосы пропускания при сохранении постоянной центральной частоты.
Известны RC фильтры ФНЧ и ФВЧ второго порядка с фиксированными параметрами частоты среза и добротности, в которых для перестройки частоты среза требуется одновременно варьировать двумя или более частотно-зависимыми резисторами или конденсаторами. Поскольку перестройка частоты среза изменением номинала емкости в области низких и инфранизких частот представляется невозможной, то реально обеспечить перестройку частоты низкочастотных фильтров можно только путем изменения номиналов частотно-зависимых резисторов.
Известен фильтр (Чепурнова Г.В., Беспалов А.И., Ефанов В.Н., ПМ RU 93601 от 27.04.2010), состоящий из фиксированного нерегулируемого полосового фильтра второго порядка и регулируемого фильтра низких частот второго порядка, где путем изменения коэффициентов передаточной функции, как положительной, так и отрицательной полярности и двух сумматоров, формируется регулируемый полосовой фильтр по частоте и добротности, позволяющий повысить его надежность и управляемость, за счет раздельного регулирования центральной частоты и полосы пропускания полосовых фильтров.
Однако для изменения параметров фильтра требуется точное задание численных значений коэффициентов, при этом не обеспечивается оперативная перестройка его параметров.
Известны перестраиваемые полосовые фильтры высоких порядков (Капустян В.И.. Активные RC-фильтры высокого порядка. М.: Радио и связь, 1985), где перестройка частоты осуществляется цифровыми управляемыми сопротивлениями, требующими генераторов управляющего кода, либо широтно-импульсного управляющего сигнала, что значительно усложняет схему фильтра.
Наиболее рационально построение полосовых фильтров четвертого порядка путем последовательного соединения ФВЧ и ФНЧ второго порядка, так как возможно обеспечить задание требуемой полосы пропускания синтезируемого полосового фильтра за счет перестройки частоты среза каждого из фильтров.
Для сохранения постоянства коэффициента передачи ПФ в полосе пропускания без пульсаций, свойственным фильтрам Баттерворта, целесообразно строить ПФ как максимально плоского фильтра. В этом случае от фильтров ФВЧ и ФНЧ второго порядка требуется сохранение постоянства добротности каждого из фильтров, соответствующего табличным значениям коэффициентов фильтра Баттерворта. Частоты среза должны быть различны, причем частота среза ФВЧ должна быть ниже частоты среза ФНЧ. Недостатками такого решения являются необходимость одновременного изменения номиналов двух резисторов в частотно-задающей цепи каждого фильтра, а также синхронного изменения всех четырех частотно-задающих резисторов в ПФ.
Использование ФНЧ и ФВЧ, построенных методом переменных состояний, позволяет осуществить независимую перестройку значений частот среза и добротности каждого фильтра. Однако перестройка частоты среза ФВЧ или ФНЧ без изменения добротности фильтра требует наличия двух перестраиваемых сопротивлений в частотно-задающей цепи.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является патент США US 4516078 от 07.05.1985, в котором использованы два последовательно включенных фильтра, сдвоенный потенциометр управления параметрами фильтров и сдвоенный переключатель режимов работы фильтра.
Недостатком указанной схемы является ее сложность, связанная с использованием системы синхронного детектирования с несколькими аналоговыми умножителями и генератора, управляемого напряжением.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение независимой перестройки центральной частоты полосового фильтра без изменения полосы пропускания, а также перестройка полосы пропускания без изменения центральной частоты полосового фильтра с помощью одного управляющего элемента и переключателя, чем обеспечивается удобство эксплуатации фильтра.
Для достижения технического результата используются два последовательно включенных активных RC-фильтра второго порядка, а именно фильтр нижних частот (патент RU 128043 от 10.05.2012) и фильтр верхних частот (патент RU 135206 от 27.11.2013), обеспечивающие перестройку частоты среза в пределах декады без значительного влияния на значение добротности. Изменение добротности на краях частотного диапазона составляет не более 2%. Указанные фильтры содержат потенциометры управления их частотами среза, причем эти два потенциометра выполнены в виде одного сдвоенного потенциометра. Для режимов работы устройства введен сдвоенный переключатель, к подвижным контактам которого подключены крайние выводы потенциометра активного RC-фильтра низких частот, неподвижные контакты этого переключателя перекрестно соединены друг с другом и с выходом дифференциального операционного усилителя фильтра нижних частот, остальные неподвижные контакты переключателя соединены с выходом инвертирующего операционного усилителя фильтра нижних частот.
В случае изменения частот среза обеих фильтров в одном направлении (обе частоты среза уменьшаются или увеличиваются) обеспечивается перестройка центральной частоты ПФ с сохранением постоянства полосы пропускания ПФ. В случае изменения частот среза обеих фильтров в разных направлениях (частота среза ФНЧ среза уменьшается, а частота среза ФВЧ среза увеличивается) обеспечивается перестройка полосы пропускания ПФ с сохранением постоянства центральной частоты ПФ. Таким образом, возможны два режима работы ПФ при изменении частот среза ФНЧ и ФВЧ одним сдвоенным потенциометром.
Смена режимов работы ПФ осуществляется с помощью сдвоенного переключателя выводов потенциометра только одного из фильтров (например, ФНЧ) при фиксированном положении выводов потенциометра другого фильтра - ФВЧ.
0
0
1
П
В
Н
П
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен график изменения центральной частоты f (f=var) предлагаемого полосового фильтра на величину ±Δf при сохранении полосы пропускания f=f-f (f=const), этот график соответствует первому режиму работы ПФ.
П
В
Н
П
1
0
0
На фиг. 2 приведен график изменения ширины полосы пропускания f=f-f (f=var) предлагаемого полосового фильтра на величину ±Δf при сохранении центральной частоты f (f=const), этот график соответствует второму режиму работы ПФ.
На фиг. 3 приведена структурная схема предлагаемого ПФ, соответствующая первому режиму его работы, где: 1 - активный RC-фильтр нижних частот; 2 - активный RC-фильтр верхних частот; 3 - сдвоенный потенциометр; 4 - потенциометр ФНЧ; 5 - потенциометр ФВЧ; 6 - сдвоенный переключатель; 7 - первый подвижный контакт сдвоенного переключателя; 8 - второй подвижный контакт сдвоенного переключателя; 9, 10, 11, 12 - неподвижные контакты сдвоенного переключателя (6); 13 - выход дифференциального операционного усилителя (ДОУ) ФНЧ; 14 - выход инвертирующего операционного усилителя ФНЧ.
На фиг. 4 приведена структурная схема предлагаемого ПФ соответствующая второму режиму его работы, где: 1 - активный RC-фильтр нижних частот; 2 - активный RC-фильтр верхних частот; 3 - сдвоенный потенциометр; 4 - потенциометр ФНЧ; 5 - потенциометр ФВЧ; 6 - сдвоенный переключатель; 7 - первый подвижный контакт сдвоенного переключателя; 8 - второй подвижный контакт сдвоенного переключателя; 9, 10, 11, 12 - неподвижные контакты сдвоенного переключателя (6); 13 - выход дифференциального операционного усилителя ФНЧ; 14 - выход инвертирующего операционного усилителя ФНЧ.
На фиг. 5 приведены АЧХ трех ПФ, выполненных по предлагаемой схеме, настроенных в соответствии с тремя стандартными диапазонами вариабельности сердечного ритма (ВСР) - HF (15), LF (16) и VLF (17). На фиг. 6 приведен пример использования трех ПФ, выполненных по предлагаемой схеме, для выделения частотных составляющих, соответствующих трем стандартным диапазонам ВСР: исходная кардиоинтервалограмма (КИГ) (18), результаты фильтрации КИГ в диапазонах: HF (19), LF (20) и VLF (21), 22 - суммарное напряжение выходов трех полосовых фильтров, соответствующее исходной КИГ (18). Эти графики иллюстрируют процесс непрерывного спектрального анализа КИГ.
Введение переключения выводов потенциометра позволяет предлагаемой схеме ПФ работать в двух режимах (фиг. 1, 2) и обеспечивает удобный переход от одного режима работы (фиг. 3) к другому (фиг. 4).
ПФ работает следующим образом. Изменение частоты среза фильтра нижних частот (1), производится с помощью потенциометра (4). При перемещении движка потенциометра (4) к выходу дифференциального операционного усилителя ФНЧ (13) увеличивается коэффициент передачи в петле частотно-зависимой обратной связи, что приводит к увеличению частоты среза фильтра. При перемещении движка потенциометра (4) к выходу инвертирующего операционного усилителя ФНЧ (14) уменьшается усиление ДОУ и в петле частотно-зависимой обратной связи, что приводит к снижению частоты среза. Изменение частоты среза ФВЧ (2), производится с помощью потенциометра (5). Таким образом, обеспечивается требуемая настройка полосы пропускания ПФ с помощью одного сдвоенного потенциометра, а переключение режимов работы фильтра с помощью переключателя, этим повышается удобство эксплуатации полосового фильтра с перестраиваемым частотным диапазоном для непрерывного спектрального анализа кардиоинтервалограммы.