THIẾT KẾ & CHẾ TẠO THIẾT BỊ CẢNH BÁO
VI.2.1.1 KHỐI KHUẾCH ĐẠI INSTRUMENTATION:
Tín hiệu EOG mà ta thu được là một tín hiệu điện có biên độ nhỏ 0.430 mV và có tần số khoảng 0.05Hz50Hz.
Vì tín hiệu rất nhỏ nên dễ bị nhiễu bởi các nguồn xung quanh. Tín hiệu cũng dễ bị sai lệch bởi nhiễu do điện nguồn, nhiễu do các điện cực tiếp xúc và nhiễu do sự chuyển động hay nhiễu cơ từ cơ thể người.
Để loại trừ bớt các loại nhiễu trên, ta có thể sử dụng một khối khuếch đại vi sai 3 opamp hay còn gọi là khuếch đại instrumentation 3 opamp.
Một khối khuếch đại instrumentation (IA_Instrumental Amplifier) là khối khuếch đại có các đặc điểm sau :
Trở kháng vào rất lớn (Zi → ∞ ). Trở kháng ra rất bé (Zo → 0).
Độ lợi chính xác ổn định, tiêu biểu cho các tầm từ 1V/V đến 103V/V. Tỉ số nén đồng pha rất cao.
Khối khuếch đại instrumentation thường được dùng để khuếch đại chính xác tín hiệu yếu khi có mặt thành phần chung rất mạnh, như ngõ ra biến đổi từ quá trình điều khiển và trong y sinh học. Do đó khối khuếch đại instrumentation được sử dụng rộng rãi trong thử nghiệm và đo đạc.
Khối khuếch đại instrumentation 3 Opamp (Triple – Opamp IAs):
Hình 6.3: Mạch khuếch đại instrumentation 3 opamp
Trong hình trên OA1 và OA2 là ngõ vào hay tầng thứ nhất và OA3 là ngõ ra hay tầng thứ hai. Cố định điện áp vào, điện áp trên RGlà (V1- V2).
Định luật Ohm: ( Vo1- Vo2) = ( R3+ RG+ R3)( V1- V2) / RG
Hay: ( Vo1- Vo2) = ( 1 + 2R3/RG )( V1- V2)
Như vậy tầng thứ nhất được xem là đầu vào vi sai, bộ khuếch đại ngõ ra vi sai. Kế đến OA3 là khuếch đại vi sai, vì thế:
Kết hợp 2 phương trình cho: Vo= A(V2- V1) 3 2 1 2 1 I II R R A A A RG R
Cho thấy rằng toàn bộ độ lợi A là tích của tầng thứ nhất AIvà tầng thứ hai AII. Độ lợi phụ thuộc và các tỉ số điện trở ngoài, vì thế nó cần dùng các điện trở có độ chính xác, ổn định cao. Vì OA1 và OA2 hoạt động theo nguyên tắc không đảo, điện trở vào vòng kín rất cao. Đồng thời điện trở ra vòng kín của OA3 rất thấp. Cuối cùng CMRR có thể cực đại bằng cách tinh chỉnh một trong các điện trở của tầng thứ hai. Để thay đổi độ lợi nhưng không ảnh hưởng đến cầu cân bằng, ta không tác động đến tầng thứ hai mà chỉ thay đổi RG.
Bộ khuếch đại instrumentation dưới dạng IC có nhiều loại khác nhau ví dụ như AD620 (Analog Devices), INA101 (BurrBrown)… Những thiết bị này chứa tất cả các thành phần, ngoại trừ RG, mà có thể gắn thêm bên ngoài để thay đổi độ lợi từ 1V/V đến 103V/V.
Như đã nói ở phần trên, tín hiệu điện tim có biên độ và tần số rất nhỏ so với điện áp chung của nhiễu cao (High common noise voltage), thêm vào đó là các điện cực ngày nay có trở kháng ngõ ra rất cao. Chính vì những đặc tính này mà khối khuếch đại cũng phải được thiết kế với trở kháng vào rất cao, dòng bias thấp, điện áp offset thấp và tỷ số triệt cách chung CMRR cao (> 80dB)[19]. Một thiết bị analog thuật toán AD620 đã đáp ứng được tất cả các đặc tính thiết kế trên. Đây chính là một công cụ lý tưởng để thiết kế ra một khối khuếch đại tương đối chính xác.
Hình 6.4: Khuếch đại vi sai sử dụng IC AD620
Mạch bảo vệ đầu vào:
Trong các mạch điện tử thì không thể thiếu mạch bảo vệ đầu vào, để đảm bảo an toàn cho các linh kiện trong mạch trong trường hợp xuất hiện những tín hiệu đầu vào vượt quá dải cho phép của các linh kiện.
Đối với mạch xử lí tín hiệu y sinh còn quan trọng hơn bởi việc đo đạc tín hiệu được thu nhận trực tiếp trên cơ thể người. Trong trường hợp có nhiều thiết bị được sử dụng một lúc đối với một bệnh nhân thì không tránh khỏi những tín hiệu do các thiết bị này tác động lên nhau, cũng như nếu vô tình để bệnh nhân chạm phải nguồn cung cấp. Vì vậy mạch bảo vệ đầu vào là rất cần thiết.
Trong mạch thu nhận tín hiệu EOG này mạch bảo vệ đầu vào gồm:
Mạch RC gồm R1 và C1, R3 và C2 để khử nhiễu lần cuối ở trạng thái bão hòa ngắn.
Phần cuối của mạch bảo vệ sử dụng một điện trở và 2 diode được nối trực tiếp với nguồn cung cấp (R2-D1-D2 và R4-D3-D4).
Khối khuếch đại đo sử dụng IC AD620:
Hình 6.6 : Sơ đồ mạch điện của IC AD620
Như đã trình bày phần trên, IC AD620 được tích hợp mạch khuếch đại vi sai 3 opam với các thông số phù hợp với yêu cầu của mạch điện thu nhận, nên nhóm sử dụng để làm mạch khuếch đại vi sai theo sơ đồhình 6.4.
K K Rg K G 22 1 * 2 4 . 49 4 . 49 1 Trở được chọn: RG = 1KG ≈ 50