50-Hz-Rauschunterdrückung vom EKG-Netzteil

Wir arbeiten derzeit an einem biomedizinischen Projekt, bei dem es sich um ein EKG-Gerät handelt. Ein Problem, das wir auf der Softwareseite nicht lösen können, ist die Beseitigung von 50-Hz-Rauschen. Jetzt versuchen wir, 50-Hz-Rauschen mit analogen Filtern zu entfernen. Hat jemand eine Idee, 50-Hz-Rauschen mit analogen Komponenten zu entfernen?

(Der ursprüngliche Titel besagte, dass das Problem im Signal lag - Steven )

(Hinweis: Die Frage besagte, dass das Rauschen im Signal war. Scheint das Netzteil zu sein; siehe meine Bearbeitung weiter unten.)

Ein 50- oder 60-Hz-Sperrfilter wird typischerweise als Twin-T-Filter ausgeführt. Ein passiver Twin-T hat jedoch einen schlechten Q-Faktor, was bedeutet, dass auch benachbarte Frequenzen gedämpft werden, was zu einer Verzerrung des EKG-Profils führen kann.

Ein aktiver Sperrfilter kann folgendermaßen aussehen:

Vergessen Sie nicht, die Widerstandswerte für 50 Hz neu zu berechnen. R1 beträgt 11,8 MΩ. Jeder Opamp wird es tun. Der Unterschied zum passiven Filter ist in dieser Grafik dargestellt:

Vielleicht nicht so klar, aber der Graph des aktiven Filters ist die vertikale Linie bei 60 Hz. Viel besser als der passive Filter.

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Wenn sich die 50 Hz am Netzteil befinden, wie Sie sagen, muss sie entkoppelt werden. Zuerst das Netzteil selbst. Ein guter Regler hat keine 50-Hz-Welligkeit am Ausgang, daher sind die Glättungskondensatoren an den Eingängen möglicherweise zu klein. ( Beim zweiten Gedanken sollte die Welligkeit 100 Hz betragen. Eine defekte Diode in der Gleichrichterbrücke würde sowohl 50 Hz als auch eine zu hohe Welligkeit erklären. ) Wenn die Eingangswelligkeit viel zu groß ist, kann sie unter die minimale Eingangsspannung des Reglers fallen. Können Sie eine schematische Darstellung der Stromversorgung mit Komponentenwerten veröffentlichen? Sie können auch einen 100-µF-Kondensator am Ausgang platzieren.

Verwenden Sie auch 100 µF parallel zu 1 µF an den Stromversorgungseingängen von ICs. Bei geringer Leistung können Sie einen Widerstand von 10 Ω bis 100 Ω in Reihe mit der Versorgungsleitung vor den Kondensatoren schalten. Die Kondensatoren befinden sich also direkt an den Pins des IC. Beachten Sie, dass die Widerstände einen Spannungsabfall an den 5 V verursachen. Verwenden Sie daher nur 100 Ω, wenn der Versorgungsstrom weniger als 1 mA beträgt. Bis zu 10 mA können Sie die 10 Ω verwenden. Höher ist besser, Sie müssen sehen, was Sie sich leisten können. 10 mA über einen 10 Ω-Widerstand verursachen einen Abfall von 100 mV, das sind 2%, was wahrscheinlich akzeptabel ist.

Als Student haben wir unseren eigenen diskreten Instrumentenverstärker (IA) mit einem Standard 3x Op entworfen und getestet. Ampere. für Laborversuche in der Biomedizintechnik im Jahr 1974. Wir verwendeten es für EKG, EEG-Signal und prothetische Kontrolle. Außerdem haben wir Elektroden an meiner Schläfe angebracht und damit die Augenbewegung überwacht. Es entstand ein Sägezahn mit seitlicher Augenbewegung, der die Aufmerksamkeit der vorbeigehenden Mädchen auf sich zog, und einige hielten an, um sich freiwillig für EKG-Tests zu melden. (mit Elektroden an der Brust) Nachdem wir die Designanforderungen für CMRR verstanden hatten, verschwand das 50/60-Hz-Brummen.

Hier ist meine Debug-Checkliste für Sie;

• Erfüllt Ihr Design die empfohlenen 120-dB-Kriterien oder nur das Minimum von 100 dB?
• Verwenden Sie einen einzelnen Operationsverstärker oder das dreifache Operationsverstärker-Design?
• Können Sie die schwimmende Rückantriebsmethode oder "Schutztechnik" ausprobieren, die in der medizinischen Industrie für EKG als "Rechtslenkerantrieb" bekannt ist?
• Haben Sie eine DC-Fehlerantwort mit hoher galvanischer Haut, die Ihren Verstärker mit hoher Verstärkung sättigt oder die CMMR beeinträchtigt?
• Können Sie einige Testergebnisse liefern?

Wenn ein 100-V-E-Feldeingang einem 100-uV-Signal überlagert wird und Sie ein gutes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis von 120 dB haben, erhalten Sie einen 100-uV-Rauschpegel.

Möglichkeiten zur Verbesserung des CMMR-bezogenen Brummens von 50/60 Hz sind:

1. Verwenden Sie einen hochwertigen Instrumentenverstärker (IA) (aber sehr kostengünstig).

2. Schutzsignal mit „Right Leg Drive“ -Technik. (als analoge Schutzmethode bezeichnet), bei der Sie das Gleichtaktsignal puffern, um eine Gleichtaktreferenz mit niedriger Impedanz auf dem noch schwebenden Zweig zu erstellen, die jedoch die Spannung der hohen E-Felder von 50/60 Hz durch das Impedanzverhältnis unterdrückt.

3. Sondenkabel abschirmen

4. Verwenden Sie einen Instrumentenverstärker mit höherer CMMR > 130 dB

5. Verwenden Sie einen aktiven abstimmbaren Notch-Filter mit Q = 100 (wie zuvor angegeben).

6. Verwenden Sie eine CM-Ferrit-Drossel um die Kabel. (Hülse mit hoher Permeabilität)

7. Stellen Sie sicher, dass die V + -Versorgung mit Linearregler, niedriger ESR-Kappe am Ein- und Ausgang rauschfrei ist. und verwenden Sie kurze Leitungen zwischen V + und Amp.

Meine Vorlieben sind fett gedruckt

Der Versuch, das 50-Hz-Rauschen herauszufiltern, sollte nur der letzte Ausweg sein, auch weil Ihr gültiger Signalfrequenzbereich 50 Hz umfasst. Alles, was Sie tun, um 50 Hz zu reduzieren, verzerrt auch Ihr gewünschtes Signal.

Die beste Antwort besteht darin, das analoge Frontend so zu gestalten, dass die Netzfrequenzaufnahme in erster Linie minimiert wird. Die 50 Hz kommen von der kapazitiven Kopplung der Stromleitung, die sich rund um den Raum befindet. Sie messen jedoch die Differenz zwischen den Spannungen an mehreren Elektroden am Körper, und das Brummen der 50-Hz-Stromleitung ist größtenteils ein Gleichtaktsignal.

EKG-Frontends müssen bei der Eliminierung von Gleichtaktmodellen besonders blitzsauber sein. Dies bedeutet eine vollständige Differenzial-Signalverarbeitung bis weit über 50 Hz, wobei sichergestellt wird, dass jedes Bein die gleiche Impedanz aufweist, wobei Instrumentenverstärker mit guter Gleichtaktunterdrückung, absolut keine Erdungsreferenz für eine Seite der Messung usw. verwendet werden. Das Gleichtaktrauschen der Stromleitung kann Seien Sie ein Vielfaches der Amplitude der Signale, die Sie aufnehmen möchten, also müssen Sie wirklich wirklich aufwachen und auf dieses Problem achten.

Eine andere Sache, die die meisten EKG-Systeme tun, ist, eine Elektrode am Bein gegenüber dem Herzen anzubringen, das normalerweise das rechte Bein ist. Dies wird lediglich verwendet, um das verstärkte Gleichtaktsignal aufzunehmen, und wird dann zu einer Art schwebender Erdungsreferenz für die Differenzschaltungen der ersten Stufe, bis das Differenzsignal verstärkt und seine Impedanz gesenkt werden kann.

Wenn Sie alles richtig machen und immer noch zu viel Stromleitungsrauschen haben, können Sie eine Reduzierung der Netzfrequenz des endgültigen Signals in Betracht ziehen. Dies geschieht jedoch am besten in der Software, damit Sie den Filter dicht machen können, ohne auf analoge Komponententoleranzen zu stoßen. Auf diese Weise können Sie auch die Stromleitung messen und einen Filter synchronisieren. Die resultierende sehr enge Kerbe hat weniger Einfluss auf das reale Signal als ein analoger Filter mit erschwinglichen Teilen. Das analoge Filter muss allein aufgrund von Teiletoleranzen breiter sein, um eine ausreichende Dämpfung von 50 Hz zu gewährleisten, selbst wenn die Mittenfrequenz etwas abweicht.

Zusammenfassend sollten Sie also in der Reihenfolge der Rangfolge das Problem angreifen, indem Sie

1. Entwerfen Sie das analoge Frontend sorgfältig für eine besonders gute Unterdrückung von Gleichtaktrauschen.

2. Entwerfen Sie das analoge Frontend sorgfältig für eine besonders gute Unterdrückung von Gleichtaktrauschen.

3. Entwerfen Sie das analoge Frontend sorgfältig für eine besonders gute Unterdrückung von Gleichtaktrauschen.

4. Nein, das ist nicht gut genug. Gehen Sie zurück und reparieren Sie Ihr analoges Front-End für eine bessere Unterdrückung von Gleichtaktrauschen.

5. Verwenden Sie einen Gleichtakt-Tonabnehmer am gegenüberliegenden Bein, um Gleichtaktgeräusche zu unterdrücken, und wiederholen Sie den Vorgang ab Schritt 1.

6. Beseitigen Sie die verbleibenden Stromversorgungsrauschen mit einem Software - Filter synchron mit der Stromleitung.