กลยุทธ์การลดเสียงรบกวนในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

เมื่อบันทึกสัญญาณไฟฟ้าจากเซลล์ (ในจานหรือในร่างกายมนุษย์หรือสัตว์ที่มีชีวิต) ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งคือการเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียง

สัญญาณเหล่านี้มักอยู่ในช่วง 10uV ถึง 100mV และสร้างขึ้นโดยแหล่งพลังงานที่ต่ำมากที่สามารถให้กระแสตามลำดับของ nanoAmps

บ่อยครั้งที่สัญญาณที่น่าสนใจอยู่ในช่วง 1Hz-10KHz (ส่วนใหญ่มักจะ 10Hz-10KHz)

เพื่อทำให้เรื่องแย่ลงโดยปกติจะมีเครื่องมือสร้างเสียงรบกวนจำนวนมากที่จำเป็นต้องอยู่รอบ ๆ (ในคลินิกเหล่านี้คืออุปกรณ์ตรวจสอบวินิจฉัยและรักษาโรคอื่น ๆ ในห้องปฏิบัติการ

เพื่อลดผลกระทบของเสียงรบกวนและเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนมีกฎที่ใช้โดยทั่วไปเล็กน้อยดังนี้:

• หากเป็นไปได้ให้ใช้เครื่องขยายเสียงกระแส (มักเรียกว่า head-stage) เครื่องขยายเสียงที่มีความต้านทานอินพุตสูงมากและการขยายแรงดันไฟฟ้าค่อนข้างต่ำหรือแม้กระทั่งไม่มีการขยายแรงดันไฟฟ้า ใกล้กับแหล่งสัญญาณ (ตัวเครื่อง)
• ในการเชื่อมต่อแหล่งสัญญาณ (ขั้วบันทึก) ไปยังเครื่องขยายเสียงระยะที่หนึ่ง (หัว - ระยะ) ให้ใช้สายที่ไม่มีตัวป้องกัน (เพื่อหลีกเลี่ยงการบิดเบือนของสัญญาณประจุ)
• หลีกเลี่ยงการลูปพื้น
• เมื่อเป็นไปได้ให้ใช้แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรเตอร์ (เพื่อยกเลิกเสียงเหนี่ยวนำจากแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยรอบ)
• ใช้กรงฟาราเดย์และกรงที่มีสายกราวนด์ (โดยทั่วไปคือฟอยล์อลูมิเนียม) เพื่อปกปิดแหล่งกำเนิดสัญญาณและสิ่งที่เชื่อมต่อกับมัน (ร่างกาย, อุปกรณ์ ... )
• คุณไม่สามารถทำสิ่งนี้ได้หากไม่มีตัวกรองที่เหมาะสม (โดยปกติจะมีการตัดสูง 10KHz และการตัดต่ำที่ขึ้นอยู่กับสัญญาณอาจอยู่ที่ใดก็ได้จาก 1Hz ถึง 300Hz)
• หากคุณไม่สามารถได้ยินเสียงหลัก (50Hz หรือ 60Hz ในประเทศต่าง ๆ ) และหากสัญญาณของคุณครอบคลุมช่วงนั้นคุณสามารถใช้ฟิลเตอร์ที่ใช้งานอยู่เช่น Humbug http://www.autom8.com/hum_bug.html

คำถามของฉันคือ:มีคำแนะนำอื่น ๆ ที่ฉันพลาดหรือไม่ ข้อเสนอแนะเหล่านี้ไหลหรือผิดหรือเปล่า?

โดยปกติผู้คนในสาขานี้ (เช่นฉัน) ไม่มีการศึกษาอย่างเป็นทางการในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและบางครั้งก็มีตำนานที่ส่งผ่านจากครูไปสู่รุ่นนักเรียนหลังจากรุ่นโดยไม่มีหลักฐานที่เหมาะสม นี่คือความพยายามในการแก้ไขปัญหานี้

แก้ไข:
- หากเป็นไปได้ให้ใช้แบตเตอรี่หรือแหล่งจ่ายไฟที่ได้รับการควบคุมเป็นอย่างดีในทุกอุปกรณ์ของคุณรวมถึงปั๊ม microdrives อุปกรณ์ตรวจสอบแม้คุณสามารถวางฟิลเตอร์ลงบนไฟของคอมพิวเตอร์ของคุณได้

โล่ขับเคลื่อน

เป็นไปได้ที่จะใช้สายหุ้มฉนวนระหว่างขั้วไฟฟ้าและพรีแอมป์โดยไม่ได้รับอิทธิพลมากจากความสามารถในการเพิ่มกาฝากของกาฝาก (จุดที่ 2 ของคุณ) สัญญาณจะไม่ได้รับบาดเจ็บมากนักเนื่องจากมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับองค์ประกอบโหมดทั่วไป เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ลองจินตนาการถึงสัญญาณที่แตกต่างเล็ก ๆ ที่อยู่ด้านบนของสัญญาณโหมดทั่วไปที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก (ส่วนใหญ่เกิดจากแรงดันไฟฟ้า 50 Hz หรือ 60 Hz) และส่วนประกอบ DC-to-low-frequency ที่เกิดจากการทำงานร่วมกันของเนื้อเยื่อ ด้วยอิเล็กโทรดและร่างกายตัวเอง เท่าที่ฉันเข้าใจปัญหาสัญญาณรบกวนควบคู่กับสัญญาณผ่านความจุของสายเคเบิลนั้นแย่กว่าการให้สัญญาณผ่านสายเคเบิล

เคล็ดลับคือการขับเกราะป้องกันของสายเคเบิลด้วยส่วนโหมดทั่วไปของสัญญาณแทนที่จะเชื่อมต่อตัวป้องกันกับพื้นของแอมป์ก่อน หลายปีที่ผ่านมาฉันได้สร้างพรีแอมป์นั้นพร้อมตัวป้องกันที่ใช้งานได้และสามารถใช้สายป้องกันได้ตราบใดที่ระยะ 2 เมตรระหว่างขั้วไฟฟ้าและระยะแรกของแอมป์ แผนงานสามารถพบได้ในวิทยานิพนธ์ฉบับนี้ (ไม่ระเบิด แต่สิ่งอำนวยความสะดวกรวมถึงแผนงานน่าสนใจที่สุดของแอมป์กล้ามเนื้อของฉัน) โปรดดูรูปที่ 8.7, 8.8 และ 8.9 และสิ่งต่าง ๆ ที่อยู่รอบตัวพวกเขาในบทที่ 8 รูปที่ 8.12 อธิบายถึงวิธีการรบกวนที่เกิดขึ้นควบคู่กับสัญญาณที่น่าสนใจ ขออภัยวิทยานิพนธ์เป็นภาษาเยอรมัน แต่ฉันหวังว่าภาพและแผนผังจะเป็นสากล

สถานที่ที่ดีในการรับสัญญาณโหมดทั่วไปคือ "กลาง" ของตัวต้านทานการตั้งค่าอัตราขยายของ InAmp เริ่มต้น (อีกครั้งโปรดดูวิทยานิพนธ์ที่ลิงก์ด้านบน)

ขับเคลื่อนขาขวา

ขาขวาใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงในการวัดสัญญาณที่ขาซ้ายแขนซ้ายและแขนขวา

แนวคิดของโล่ป้องกันสามารถขยายได้เพื่อขับผู้ป่วยอย่างแข็งขันและการเชื่อมต่อจะทำในสถานที่ที่ใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับสัญญาณที่จะวัดซึ่งเป็นขาขวา เรื่องนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อขาขวาขับเคลื่อน (DRL); มีการสนทนาที่ดีเกี่ยวกับแอมป์ DRL ในบทความนี้โดย EDN

หากการวัดของคุณไม่ได้นำมาจากร่างกายมนุษย์ แต่จากบางเซลล์ในจานคุณอาจวางอิเล็กโทรด DRL ลงบนด้านล่างหรือลงในสื่อเยลลี่ / การเติบโตใกล้กับตำแหน่งอิเล็กโทรดอ้างอิงของคุณ วิธีนี้คุณใช้กลยุทธ์เดียวกับการตั้งค่า DRL

ตัวกรองรอยบาก

นอกจากนี้หากเสียงฮัมไม่ดีจริง ๆ คุณสามารถใส่ตัวกรองรอยที่ 50 Hz หรือ 60 Hz เข้าไปในเส้นทางสัญญาณ แต่สิ่งนี้จะส่งผลลบต่อสัญญาณที่น่าสนใจ

ข้อควรระวังเพื่อความปลอดภัยที่สำคัญมาก:อิเล็กโทรดจะต้องไม่มีการเชื่อมต่อกัลวานิกโดยตรงกับสายดิน (PE) นี่เป็นสิ่งจำเป็นเพราะเมื่อผู้ป่วยได้รับการเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าที่อาจทำให้ถึงตายได้โดยความผิดปกติในอุปกรณ์อื่นรอบ ๆ ห้องแล็บกระแสความผิดปกติจะมีเส้นทางที่ดีมากผ่านผู้ป่วยและผ่านขั้วไฟฟ้า เมื่อพูดถึงการอ้างอิงภาคพื้นดินรอบ ๆ ขั้วไฟฟ้าหรือพรีแอมป์ให้แน่ใจว่าได้ทำการอ้างอิงภาคพื้นดินกับพรีแอมป์เท่านั้นและไม่ถึงพื้นจริงที่มักจะเรียกว่า PE! โดยปกติจะต้องมีแอมป์แยกตัวอยู่ที่ไหนสักแห่งหรืออยู่รอบ ๆ พรีแอมป์หรือตัวแยกสัญญาณดิจิตอลหากคุณต้องการให้ ADC ใกล้กับพรีแอมป์ ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ใน DIN EN 60601-1 และมาตรฐานอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง

1. ใช้ Instrumentation Amplifier เป็นเครื่องขยายเสียงล่วงหน้า (พร้อมไดรฟ์ขาขวา)

แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดมีความต้านทานอินพุตสูงมาก เหมาะสำหรับการวัดกระแสเล็ก ๆ ดูข้อมูลสำหรับINA128 หน้า 11 มีแผนผังอ้างอิง (แนบด้านล่าง) ซึ่งคล้ายกับสิ่งที่คุณกำลังมองหา

2. ใช้การแยกแหล่งจ่ายไฟสำหรับเครื่องมือทางชีวการแพทย์เสมอ!

ใช้ IC แยกแหล่งจ่ายไฟ ดูตัวอย่างจากแม็กซิม

3. ใช้ฟิลเตอร์ที่ใช้งานอยู่

ใช้ซอฟต์แวร์FilterProฟรีของ TI เพื่อออกแบบแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้ง่ายสำหรับช่วงความถี่ที่คุณต้องการ ตัวกรอง Pass Band ของ Sallen-key นั้นใช้งานง่าย

4. แปลงสัญญาณแบบดิจิทัลและใช้ DSP สำหรับการกรองเพิ่มเติม

ใช้และ ADC หรือออสซิลโลสโคปหรือ digitizer เพื่อนำสัญญาณไปยังโดเมนดิจิตอลที่คุณสามารถลองใช้เทคนิค DSP ที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่นตัวกรองการตัดเสียงรบกวนหลักสามารถทำได้ในซอฟต์แวร์ หนังสือในหัวข้ออาจจะเป็นประโยชน์ นอกจากนี้อย่าลืมใช้ตัวแยกดิจิตอลบนเอาต์พุต ADC ADUM1100เป็นตัวอย่าง

คุณอาจจะสามารถใช้ล็อคในเครื่องขยายเสียง

ไม่ใช่วิธีทั่วไปที่คุณสามารถนำไปใช้ได้ทุกกรณี แต่ถ้าทำได้ก็ให้ผลลัพธ์ที่ไม่มีใครเทียบได้ มันต้องการให้คุณปรับสัญญาณดั้งเดิม (เช่นถ้าเป็นสัญญาณแสง, ด้วยล้อสับ) เนื่องจากการมอดูเลตของสัญญาณจะมีประโยชน์สำหรับสัญญาณที่เปลี่ยนช้ากว่าการมอดูเลตเท่านั้น

อย่างไรก็ตามประโยชน์นั้นช่างน่าทึ่ง การใช้แอมพลิฟายเออร์แบบล็อคอินคุณสามารถกู้คืนสัญญาณที่มีแอมพลิจูดเป็นลำดับความสำคัญต่ำกว่าเสียงรบกวน

หลักการ:

• สัญญาณดั้งเดิมถูกมอดูเลตด้วยความถี่และเฟสที่รู้จัก
• สัญญาณที่ตรวจพบ (รวมถึงสัญญาณรบกวนจำนวนมาก) จะถูกขยายและทวีคูณด้วยสัญญาณสี่เหลี่ยมที่มีความถี่และเฟสเดียวกันจากนั้นจึงบูรณาการ (การตรวจจับที่ไวต่อเฟส) เสียงเกือบทั้งหมดถูกยกเลิก

ฉันคิดว่าการค้นหา "แอมพลิฟายเออร์ล็อค" ในเว็บช่วยให้คุณมีรายละเอียดที่มากขึ้น

ฉันจะเปลี่ยนสัญลักษณ์แสดงหัวข้อย่อยที่สองเป็น: "หากใช้สายที่มีฉนวนหุ้มตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการต่อสายดินอย่างถูกต้องแล้ว

พิจารณาดำเนินการทดลองนอกเวลาทำการปกติเมื่อ HVAC และอุปกรณ์ที่ผลิต EMI อื่น ๆ อาจปิดการทำงาน

แก้ไข: เพื่อตอบสนองต่อความคิดเห็นเกี่ยวกับพลังงาน DC การใช้อิเลคโตรวิทยาวิทยาดึงเอาแบตเตอรี่ตะกั่วกรดขนาด 12V ออกมาถือเป็นการปฏิบัติที่เก่าและไม่ใช่เรื่องแปลก ด้วยเหตุนี้อุปกรณ์พิเศษบางอย่างที่ใช้สำหรับและรอบ ๆ electrophysiology ถูกออกแบบมาเพื่อวิ่งหนี 12Vdc แล็บยังสร้าง "เงียบ" ให้หายไปจากอาคารและสายไฟฟ้า แท่นขุดเจาะภายในเพิงเหล่านี้ใช้พลังงานจากแบตเตอรี 12V แบตเตอรี่สาย AC ที่ใช้สำหรับการชาร์จจะถูกหดกลับในระหว่างการทดลอง

หากเสียงหลักยังคงมีปัญหาให้เรียกใช้วงจรจากแหล่ง DC เช่นแบตเตอรี่

มันค่อนข้างสำคัญที่จะต้องพยายามเชื่อมต่อขั้วอิเล็กโทรดกับพื้นผิวให้ดีที่สุดเท่าที่จะทำได้ - และอิเล็กโทรดทุกตัวจะยึดติดกับผิวเท่าที่จะทำได้ ด้วยเหตุผลสองประการ

1. หากอิเล็กโทรดไม่ได้แนบมาเกือบจะเหมือนกันมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดความแตกต่างอย่างมากระหว่างขั้วไฟฟ้าซึ่งสามารถทำให้ขั้นตอนการป้อนข้อมูลสูงขึ้นได้อย่างแท้จริงหากอินพุตไม่ผ่านสูง ฉันไม่ชอบที่จะผ่านอินพุตของฉันโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าฉันสามารถหลีกเลี่ยงได้เพราะมันอาจทำให้ความต้านทานอินพุตของคุณสับสนหากคุณไม่ระวัง ฉันชอบรับสัญญาณที่แตกต่างกันเล็กน้อยในแอมป์อิมพิแดนซ์กำแพงอิฐที่มี CMRR สูงทันทีที่ทำได้

2. trodes ที่แนบมาอย่างดีลดสิ่งประดิษฐ์การเคลื่อนไหว

3. หากความต้านทานในตัวยึดอิเล็กโทรดแตกต่างกันมากเกินไปเสียง EM ทั้งหมดในร่างกายผ่านการมีเพศสัมพันธ์แบบคาปาซิทีฟกับโลกจะไม่มาถึงแอมป์ในฐานะสัญญาณโหมดทั่วไป แต่จะมีองค์ประกอบด้านเสียงที่แตกต่างกันไป ดี.