Ю. Балашов, Д. Козлов

Аналого-цифровые преобразователи в приборах регистрации биопотенциалов

В статье рассмотрены основные методы аналого-цифрового преобразования. Проведена сравнительная оценка характеристик аналого-цифровых преобразователей (АЦП) применительно к приборам регистрации биопотенциалов. Отмечены альтернативные варианты применения АЦП, в зависимости от конкретных задач медицинского мониторирования.

В результате анализа схемотехнических решений приборов регистрации биопотенциалов (ПРБ) была построена обобщённая структура, позволяющая оценивать возможные функциональные варианты построения приборов в зависимости от поставленных задач. Независимо от класса и функционального назначения устройств, их можно представить в виде блоков, показанных на рис. 1.

Рисунок 1. Обобщённая структура ПРБ

Детализацию блоков обобщённой структуры можно отобразить в виде блок-схемы, представленной на рис. 2, характерной для типичных случаев реализации ПРБ.

Рисунок 2. Блок-схема ПРБ

Входные устройства и устройства преобразования информации относятся к устройствам первичной обработки биопотенциалов. Одной из самых важных операций, осуществляемых в устройствах первичной обработки ПРБ, является аналого-цифровое преобразование. Для получения высоких разрешающих способностей, при широком входном диапазоне, необходим АЦП с эффективной разрядностью при преобразовании не менее 12 бит и частотой преобразования f_дискр 2f_max, где, например, при регистрации электрокардиосигнала (ЭКС) f_max = 120 Гц - верхняя граница наиболее информативной части спектра ЭКС.

Необходимое число уровней квантования - N при заданном входном диапазоне U_вх и эффективной разрешающей способности r_эфф определяется как:

.

Шум квантования АЦП определяется ошибками округления исходного сигнала (ошибками квантования). Поскольку предсказуемой взаимосвязи между ошибками квантования не существует (статическая независимость), то приближенно можно считать, что плотность спектра мощности шума квантования распределена от -f_дискр/2 до f_дискр/2. В рабочей полосе частот от -f_max до f_max отношение сигнал/шум - SNR при равномерном квантовании зависит от длины кодовых слов n (бит) и частоты дискретизации f_дискр следующим образом:

, [дБ].

Видно, что с увеличением f_дискр (передискретизация) на одну и ту же полосу частот f_max приходится всё меньшая мощность шума, причём при каждом удвоении частоты fдискр отношение сигнал/шум улучшается на 3 дБ. Постоянная C_S учитывает форму сигнала (для гармонических сигналов C_S = 1,7 дБ, для обычных звуковых - C_S = -15...+2 дБ) [1].

Далее приведём основные характеристики наиболее распространённых АЦП. На примере разработанных дифференциального термометра и регистратора ЭКС рассмотрим типичные варианты применения АЦП интегрирующего типа.

В основу принципа работы параллельных АЦП положен метод непосредственного преобразования аналогового сигнала в цифровой код с помощью сравнения аналогового сигнала с уровнями квантования посредством компараторов, на входы которых подаётся напряжение уровня квантования и преобразуемый сигнал. В результате на выходах компараторов отображается результат сравнения сигнала с уровнями квантования. Затем полученный результат кодируется с помощью приоритетного шифратора. Достоинства метода заключаются в высоком быстродействии, достигающем десятков наносекунд, обусловленном быстродействием компараторов, тактовой частотой триггеров и временем шифрации. В то же время, метод имеет недостатки:

• для реализации n-разрядного АЦП необходимо 2n – 1 компараторов, то есть с ростом разрядности резко увеличиваются аппаратные затраты;
• при определённых задержках на триггерах проявляется нестабильность выходного кода АЦП и, как следствие, невысокая точность (8–10 двоичных разрядов);
• быстрые компараторы потребляют большой ток, что порождает большую входную ёмкость и энергопотребление;
• так как входная ёмкость компаратора является функцией его логического состояния, то входная ёмкость всего АЦП зависит от напряжения на входе, что приводит к снижению точности преобразования с увеличением частоты входного сигнала;
• низкая помехозащищённость.

В зависимости от организации кодирующей логики различают: АЦП с прямой логической свёрткой, АЦП с кодом Грея, и с комбинированной свёрткой.

Поскольку АЦП данного типа, как правило, имеют быстродействие, большее чем микропроцессорная система (МПС), то приходится вначале записывать данные с выхода АЦП в быстродействующее буферное ОЗУ. Учитывая невысокую точность и низкую помехозащищённость, применение данных АЦП в приборах регистрации биопотенциалов нецелесообразно.

Принцип АЦП последовательного типа заключается в следующем: цифровой счётчик по определённому алгоритму выдаёт код, который преобразуется в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) в цепи обратной связи, с помощью компаратора производится сравнение преобразуемого сигнала с подбираемым. Сигнал с выхода компаратора анализируется АЦП и в соответствии с алгоритмом выдаётся следующий код для сравнения, таким образом, происходит подбор кода, значение которого пропорционально преобразуемому сигналу. Код пропорционален сигналу, так как ЦАП преобразует код с некоторой погрешностью.

Разновидностью АЦП последовательного типа является АЦП последовательного приближения. Это самый распространённый способ АЦП-преобразования. Алгоритм следующий: при подаче команды преобразования преобразователь очищается, и выходное напряжение старшего разряда ЦАП подаётся на компаратор для сравнения. Выходное напряжение старшего разряда эквивалентно половине полного диапазона преобразователя. Если преобразуемый сигнал больше, чем подбираемый, то в искомом коде устанавливается единица, в противном случае, сбрасывается в ноль. Эта операция продолжается до младшего разряда.

Данный способ построения АЦП имеет, по сравнению с параллельными и рассмотренными ниже интегрирующими АЦП, среднее быстродействие: типичное значение времени преобразования - 1...10 мкс, средняя точность - 10...14 двоичных разрядов. К недостаткам данного метода относится большая чувствительность к импульсным помехам, к достоинствам - хорошее согласование по времени измерения с применяемыми МПС, невысокая стоимость и сложность.

АЦП последовательного типа лучшим образом используются, если несколько сигналов должны быть подвергнуты одинаковой цифровой обработке, например, при регистрации более одного электрокардиографического (ЭКГ) отведения. В типичном случае, относящемся к сбору информации, производится выборка поступающих в устройство входных сигналов, их коммутация и преобразование, прежде чем они будут обработаны вычислительным микропроцессорным устройством [2].

АЦП с преобразованием напряжения в частоту основаны на подсчитывании числа циклов интегрирования за фиксированное время. Входной аналоговый сигнал интегрируется и подаётся на компаратор. Когда компаратор меняет своё состояние, интегратор сбрасывается и процесс повторяется. Число циклов интегрирования пропорционально значению аналогового сигнала. К достоинствам данного метода следует отнести превосходное подавление шума, так как цифровой сигнал отображает среднее значение входного сигнала. Но применение данного метода ограничивает слишком большое время преобразования, что характерно для систем с интеграторами. В АЦП с генератором пилообразных напряжений преобразование осуществляется путём непрерывного сравнения преобразуемого сигнала с линейным опорным пилообразным сигналом с помощью компаратора. Компаратор при изменении своего состояния запускает счётчик, который считает в течение времени, пока компаратор имеет высокий логический уровень, это время пропорционально значению входного сигнала. По сравнению с последним из вышеизложенных методов, этот метод более быстродействующий, но требует очень высокой линейности источника пилообразного напряжения.

Принцип преобразования АЦП следящего типа основан на непрерывном слежении с помощью реверсивного счётчика. Код, вырабатываемый счётчиком, преобразуется в аналоговый сигнал и сравнивается с помощью компаратора. Результат сравнения управляет инкрементированием или декрементированием кода [3].

К последовательным АЦП относятся также АЦП интегрирующего типа. Преимущества данных АЦП следующие:

• нечувствительны к импульсным помехам;
• нечувствительны к периодическим помехам, если их период в целое число раз меньше периода интегрирования;
• являются наиболее точными: типичная точность - 4...6 десятичных знаков, что соответствует 14...20 двоичным разрядам.

При работе интегрирующих АЦП в составе МПС возможна программная реализация части измерительной процедуры, а именно второго этапа - измерения временных характеристик последовательности импульсов. Это измерение можно реализовать как чисто программно при отсчёте времени по счётчику команд или циклов, так и с использованием таймеров. Однако преобразователи данного типа являются наименее быстродействующими из всех: типичное время преобразования - 1–1000 мс.

Принимая во внимание высокие показатели помехоустойчивости АЦП интегрирующего типа, а также их высокую точность, сделан вывод о целесообразности их применения в регистраторах температуры биологически активных точек.

Общая схема устройств первичной обработки информации с использованием АЦП интегрирующего типа может быть представлена в виде, показанном на рис. 3.

Рисунок 3. Общая схема устройства с интегрирующим АЦП

В разработанном регистраторе температуры биологически активных точек использовалась полупроводниковая БИС АЦП КР572ПВ5, специально ориентированная на применение с жидкокристаллическими индикаторами (ЖКИ).

КР572ПВ5 выполняет функцию АЦП двойного интегрирования с автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала. Диапазон допустимого опорного напряжения UREF от 0,1 до 1,0 В.

Цифровой дифференциальный медицинский термометр предназначен для измерения разности температур между двумя точками на поверхности кожи человека с точностью ±0,1ºC.

Основу термометрического усилителя составляет операционный усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией сигнала и стабилизацией нуля типа 140УД24. Поскольку выходное напряжение термопары очень мало, к параметрам усилителя и АЦП предъявляются достаточно высокие требования. В частности, необходимы очень низкие значения напряжения смещения и температурного коэффициента усилителя. Для микросхемы 140УД24 они составляют, соответственно, 5 мкВ и 0,05 мкВ/ºС. Использование в регистраторе АЦП интегрирующего типа наиболее приемлемо вследствие высокой точности преобразования и хорошей помехозащищённости. Низкое быстродействие АЦП в данном случае вполне приемлемо при эксплуатации прибора.

Двухтактный интегрирующий АЦП состоит из интегратора, компаратора, устройства управления, счётчика и источника опорного напряжения. В течение фиксированного интервала времени происходит интегрирование преобразуемого сигнала. По истечении этого времени счётчик переполняется, и к интегратору подключается источник опорного напряжения. Так как опорное напряжение постоянно, то время интегрирования будет пропорционально входному сигналу.

Результат преобразования АЦП двойного интегрирования представляется цифровым кодом N_X, эквивалентным среднему значению напряжения на аналоговом входе, преобразуемому за фиксированный интервал времени T_X в соответствии с выражением:

откуда T_X = ¯U_XT₀/U_REF, где T₀ - фиксированный интервал интегрирования напряжения на аналоговом входе; T_X - интервал интегрирования ¯U_REF; U_X - среднее значение напряжения на аналоговом входе. Число тактовых импульсов постоянной частоты f_Т.П. соответствует коду NX, как NX = U_XT₀f_Т.П./U_REF. Для КР572ПВ5 T₀ = 1000, тогда N_X = 103U_X/U_REF. Цифровая информация на выходе микросхемы представляется в специальном коде, предназначенном для непосредственного управления 3,5-декадным цифровым табло с 7-сегментными полупроводниковыми индикаторами. Диапазон входного сигнала определяется значением внешнего опорного напряжения и соотношением U_1RN = ±1,999U_REF. Текущие показания цифрового табло соответствуют 1000·(U_1RN/U_REF). Под погрешностью преобразования понимается разность между номинальным значением выходного кода БИС и значением, установленным после преобразования постоянного напряжения от эталонного источника [4].

Таким образом, АЦП двойного интегрирования хорошо подходят для точной, но медленной обработки сигналов (например, термометры, регистраторы ЭКГ, не требующие работы в режиме реального времени).

Разновидностью АЦП интегрирующего типа являются дельта-сигма и сигма-дельта АЦП (ранее назывались АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов). Принцип дельта-сигма АЦП основан на нейтрализации среднего входного тока с помощью источника тока или заряда. Входное напряжение поступает на интегратор, выходной сигнал которого сравнивается с фиксированным напряжением. В зависимости от выходного сигнала компаратора, импульсы тока фиксированной длительности (то есть с фиксированным приростом заряда) подключаются либо к суммирующему входу, либо к земле, что позволяет поддерживать нулевой средний ток на суммирующем входе - принцип уравновешивания. Счётчик отслеживает число импульсов подключения в постоянный промежуток времени. Число подключений будет пропорционально среднему входному уровню.

В последние годы сигма-дельта архитектура широко применяется в АЦП высокого разрешения в виде СБИС.

Основным принципом сигма-дельта (-D) АЦП является усреднение результатов измерения на большом интервале времени для уменьшения погрешности, вносимой шумами, и увеличения разрешающей способности. -D АЦП имеет преимущества перед другими интегрирующими АЦП (однотактного и многотактного интегрирования). Линейность характеристики -D АЦП выше, так как его интегратор работает в узком динамическом диапазоне, и нелинейность переходной характеристики усилителя (на котором построен интегратор) сказывается значительно меньше. Емкость конденсатора интегратора -D АЦП значительно меньше (десятки пФ), и конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле СБИС. -D АЦП практически не имеет внешних элементов, что существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате, и снижает уровень шумов. Большинство интегральных сигма-дельта АЦП имеют развитую аналоговую и цифровую часть, встроенный контроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля и самокалибровки полной шкалы, хранить калибровочные коэффициенты и передавать их по запросу внешнего МПУ. -D АЦП широко применяют в измерительных устройствах, где требуется большой динамический диапазон при низкой скорости выдачи отсчётов.

В -D АЦП аналоговый сигнал квантуется с низким разрешением на частоте, превышающей максимальную частоту спектра сигнала. Используя методику передискретизации (процесса шумообразования в -D модуляторе) в сочетании с цифровой фильтрацией, можно значительно повысить разрядность. Для снижения эффективной скорости поступления отсчётов на выходе АЦП применяется децимация [5]. Однобитовые -D АЦП обладают превосходной дифференциальной и интегральной линейностью благодаря линейности однобитового квантователя. Характерными представителями узкополосных 24-х разрядных -D АЦП (для промышленного применения) являются AD7711/14 фирмы ANALOG DEVICES, имеющие последовательный интерфейс и программируемый коэффициент усиления от 1 до 128. Анализируя параметры указанных АЦП, следует отметить низкую потребляемую мощность (10 мВт) микросхемы AD7714 при возможности питания от источников напряжения как +5, так и +3 В.

Использование многоразрядных -D АЦП в приборах регистрации биопотенциалов позволяет "передвинуть" проблемы конструирования, связанные с буферными усилителями, фильтрами и другими вспомогательными устройствами, в область высоких частот, вследствие высокой тактовой частоты (реальной частоты квантования) АЦП. -D архитектура допускает снижение требований к аналоговым фильтрам низкой частоты, подавляющим помехи вне рабочей полосы, ограничиваясь в большинстве случаев RC-звеном 1-го порядка. В силу принципиальных особенностей (фазовые сдвиги в цепи обратной связи) активные фильтры имеют большой уровень нелинейных искажений. Кроме того, технологический разброс номиналов пассивных компонентов не позволяет применять в многоканальных системах активные фильтры высоких порядков.

В данном случае обобщенная структура устройств первичной обработки информации применительно к регистратору ЭКС будет выглядеть как показанная на рис. 4.

Рисунок 4. Cтруктура устройств первичной обработки регистратора ЭКС

Разработанный автономный регистратор ЭКС [6,7] включает в себя МПУ (AT89C55), энергонезависимое запоминающее устройство (DS-1646) и -D АЦП (AD7714).

Динамические характеристики -D АЦП, в отличие от других типов преобразователей, не ухудшаются в рабочей полосе частот при приближении к частоте Найквиста. Напротив, по мере приближения к верхней частоте среза внутреннего цифрового фильтра, можно наблюдать, например, улучшение коэффициента гармоник.

Программируемый коэффициент усиления без ощутимого ухудшения параметров расширяет диапазон исследуемых сигналов, что сильно влияет на точность исследования слабых сигналов. Допустим, коэффициент усиления равен 128, а напряжение максимальной шкалы - ±2,25 В. В этом случае входной сигнал с уровнем ±17,6 мВ можно собирать практически с тем же разрешением, что и ±2,25 В, - как будто к эффективной разрядностиc добавились дополнительные разряды (чуть меньше 8).

Преимущество дифференциальных входов на плате сбора электрокардиографической информации, по сравнению с недифференциальными, проявляется при подавлении наводимых на соединительные провода электродов синфазных помех, чей уровень может существенно превысить внутренние шумы -D АЦП.

Высокие показатели линейности, прекрасное подавление помех и продуктов переотражения с помощью встроенных фильтров, принцип дискретизации, не требующий применения выборок-хранения, выдвигают на передовые позиции разработки -D преобразователей и аппаратно-пограммных комплексов на их основе.

Область применения -D преобразователей включает в себя телефонию, высококачественное цифровое воспроизведение звука, виброанализ, тензометрические и гидроакустические системы. В последнее время она стремительно охватывает как ультразвуковую, так и кардиодиагностику.

В процессе проектирования регистратора ЭКС решался вопрос совместимости платы ввода информации со средствами цифровой обработки. Возможны два пути его решения: размещение на плате сбора данных локального интерфейса для связи с устройствами обработки данных либо непосредственное расположение всех устройств на общей плате. Конечно, наличие на плате ввода дополнительной памяти, микроЭВМ и источников опорного напряжения имеет выгодные экономические и эксплуатационные показатели, но известно, что импульсные источники питания, микросхемы статической или динамической памяти - мощные источники импульсных помех, легко распространяющихся по цепям питания. Вследствие этого помехи, наводимые на часто применяемые элементы входных фильтров, операционных усилителей и мультиплексоров, оказываются неприемлемо высокими.

Однако, в малогабаритных переносных регистраторах ЭКС разнесение платы сбора и устройств обработки информации (разнесение аналоговой и цифровой частей схемы), даже на незначительное расстояние, приводит к резкому понижению надёжности устройства. Поэтому, для получения компактного высоконадёжного устройства регистрации ЭКС все элементы ввода и обработки информации были размещены на одной печатной плате c использованием -D АЦП. Это позволило отказаться от применения дополнительных входных устройств, относительно сложных инструментальных усилителей для подавления синфазной помехи, схем выборки-хранения и мультиплексора перед входом АЦП, крупногабаритных конденсаторов с малыми токами утечки и других аналоговых устройств. Замена перечисленных устройств одной СБИС -D АЦП позволила создать надёжный помехоустойчивый прибор, осуществляющий наиболее полную цифровую обработку ЭКС.

Литература

1. Автономный регистратор ритма сердечных сокращений / Ю.С. Балашов, В.А. Козьмин, Н.И. Перепелица, А.В. Поляков // Современные технологии автоматизации. 1998. № 2. С. 74–76.
2. Федорков Б.В. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение / Б.В. Федорков, В.А. Телец. М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.
3. Шлыков Г.П. Измерение параметров интегральных ЦАП и АЦП. М.: Радио и связь, 1985. 128 c.
4. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразователям. М.: Радио и связь, 1982. 552 c.
5. Швец В. Архитектура сигма-дельта АЦП и ЦАП / В. Швец, Ю. Нищирет // Chip news. 1998. № 2. C. 2–11.
6. Регистратор в системе дистанционного мониторинга электрокардиограмм / Ю.С. Балашов, Д.В. Козлов, А.В. Поляков // Элементы и устройства микроэлектронной аппаратуры. 2001. С. 118–127.
7. Балашов Ю.С., Козлов Д.В. Многофункциональный программируемый прибор регистрации электрокардиосигнала // Радиолокация, навигация, связь. Материалы 8-ой международной научно-технической конференции, Воронеж. 23-25 апреля 2002 г. Том 1. С. 667–671.