التعريف بالدوائر الأرضية الافتراضية في مجال الأدوات الطبية الأحيائية

ويستلزم هذا الجهاز الطبي الأحيائي الحديث الدقة الاستثنائية، والضوضاء المنخفضة، والاستقرار الموثوق به لاستخلاص الإشارات الكهربائية التي تولدها الهيئة البشرية، ويقلل البرمجيات الكهربائية الكهربية من التأثيرات الأساسية التي تُحدثها [الجماعات الإلكترونية]، ويُعتمد كل ذلك على خطط التصاميم ذات النقاط الافتراضية التي يجب أن ترفض التدخل في الحركة المشتركة، ويسمح بالتكليفات العالية التي تُعوض عن الكمبيئيات، ويعمل من خلال وسائل محدودة.

مبدأ الأرض الافتراضية

فالأرض الافتراضية هي عقدة دوائر مجبرة على إحداث تضخم - متوسط عادة أو أي مرجع آخر ملائم - من خلال عمل التغذوي الذي يقوم به مضخم عملياتي، وخلافاً لصل الأرض المادية، وهو ارتباط مباشر بالكتلة السلوكية للكوكب، فإن الأرض الافتراضية هي إشارة مصطنعة لا تتطلب مساراً مباشراً نحو الأرض.

وفي سلاسل الإشارات الطبية البيولوجية، تؤدي الأسباب الافتراضية وظيفتين رئيسيتين، أولاهما، تتيح لدوائر التناظر المصممة للإمدادات المزدوجة العمل من مصدر واحد (مثلا + 5 خامسا) بتحيز الإشارة عند نصف حجم الإمدادات، وثانيا، توفر إشارة نظيفة خالية من الضوضاء لقياسات التفاضلية، وهو أمر بالغ الأهمية عندما تكون الإشارة إلى المتحول إلى الفول الفاسد والفولط.

المضخمات التشغيلية كمولدات أرضية افتراضية

(د) إذا ما تم تشكيل هياكل البناء الطبيعية لتوليد أسباب افتراضية بسبب ارتفاع نسبة المدخلات، وهبوط الناتج، وكسب هائل من التدفق المفتوح، وعندما يتم تشكيله بتغذية سلبية، فإن العملية تُجبر على التآكل في طريقها إلى تحقيق المساواة في الفولط في مدخلاتها غير المحولة (في حين أن المدخلات غير المتعمدة تحركها الإشارة إلى ذلك).

The Voltage Follower Configuration

أما المولد الأرضي الأدنى للأفضليات فيكون متابعاً للوحدة - التكتل - ويرتبط المدخلات غير المحولة بفولط مرجعي ثابت (مثلاً، +2.5 خامساً من مصدر جني أو إشارة دقيقة) ويرتبط الناتج وتجنب المدخلات معاً، ويقابل ناتج التحلل المتعمد في الفول تماماً في الفول المرجعي، مما يوفر مصدراً واحداً من مصادر التبسيط يمكن أن يزود به أو يغرق.

The Inverting Amplifier Configuration for Virtual Ground

وعندما يحتاج النظام إلى أرضية افتراضية في فولتاج مختلف عن الإشارة (أو عندما لا تكون الإشارة نفسها منخفضة)، يمكن استخدام مرحلة الضخ المضخم اللافائي، وفي هذه الطبقات، يرتبط عدم الانحراف بالمراجع المنشودة (في كثير من الأحيان) ويرتبط التراجع في المدخلات بالمنتج عن طريق شبكة مقاومة للارتداد، ويصبح الناتج أرضا افتراضيا للمواضيع المحددة.

إنتاج المجلد المرجعي

وتتوقف نوعية الأرض الافتراضية تماما على نوعية الفولط المرجعي المطبق على مدخلات عدم الانحراف التي تقدمها شركة " أوفام " ، ويجب أن يكون المصدر المرجعي منخفضا، ومستقرا بدرجة الحرارة، وقادرة على تحقيق التحيز الذي يستمده من " أوف أوف أو " الحمولة " ، وهناك عدة نُهج:

  • Resistive voltage divider:] The simplest method uses two resistors between the supply rails. While inexpensive, its output impedance is high (equal to the parallel combination of the resistanceors), making it sensitive to loading. A buffer op amp is almost always required. Additionally, resistor dividers injectly supply noise into the reference.
  • Low-dropout voltage reference:] Dedicated reference ICs such as the ] Analog Devices ADR4525] provide stellar initial accuracy, low temperature racial, and excellent noise performance. These are ideal when the virtual ground must remain stable over a wide temperature range, as in.
  • DAC output:] In systems that already include a digital-to-analog converter, the DAC output can serve as the reference. This allows software —adjustable virtual ground voltage, useful for trimming compensate or adapting to different electrode conditions. Care must be taken to filter the DAC’s quantization noise with a low-pass RC or active

اعتبارات التصميم الخاصة بالصك البيولوجي الطبي

إن تنفيذ قاعدة افتراضية في سلسلة الإشارات الطبية البيولوجية ينطوي على أكثر من مجرد اختيار عازلة ومرجع، ويجب معالجة عدة عوامل عملية لضمان أن تلبي الدائرة المتطلبات الصارمة للتطبيقات الطبية.

Noise and Ripple Rejection

إن عقدة الأرض الافتراضية نقطة مشتركة لشبكات الإشارات والارتداد، وأي ضوضاء على الأزواج الأرضيين الافتراضيين مباشرة في مسار الإشارة، ولذلك فإن المصدر المرجعي والمؤقتين يجب أن يكون لهما رفض قوي للغاية، ويمكن أن يؤدي فصل الأرض الافتراضية عن طريق مكثف كبير )١٠ ميكروفلور - ١٠٠ ميكروفلور( إلى أرض الواقع إلى ممارسة معيارية.

Input Bias Current and Offset Voltage

وتفضَّل العمليات التي تنطوي على تحيز منخفض جداً في المدخلات (مثلاً، مركبات الكربون الكلورية فلورية أو أنواعها) عندما تستخدم الأرض الافتراضية بالكهرباء العالي التبسيط.() ويمكن أن يؤدي تدفق المركبات حالياً عبر الشبكة المرجعية إلى حدوث فائض قابل للاستبدال، ويحول أيضاً عدد قليل من المدخلات التي يقابلها الفولط إلى الجزء الثاني من الأرضي الافتراضي.()

القدرة على الدفع

ويجب أن توفر الأرض الافتراضية التحيز الحالي لجميع عمليات التفجير وغيرها من الدوائر التي تشير إليها، وفي نظام متعدد القنوات يمكن أن يصل هذا التيار إلى عدة مطاحن، ويجب أن يكون بوسع المشهد العازل أن يُصدر ويغرق هذا التيار مع الحفاظ على إنتاجه.() وقد تكون ]] معدومة مع مرحلة إنتاج من الفئة ألف باء أو قنوات عازلة ضرورية

الاستقرار والمرحلة المريخية

فالمولد الأرضي الافتراضي هو في جوهره نظام للتغذية المرتدة من الوحدة، إذ أن التحميل الكبي في الناتج (مثل الكابلات الطويلة أو شبكات التغذية المرتدة المتعددة) يمكن أن يقلل هامش المرحلة ويسبب الارتباك، ويتشاور دائما مع صحيفة البيانات الافتراضية لمواصفات الدفع الرأسي، وقد يؤدي إضافة مقاوم صغير (20-50 درجة مئوية) في سلسلة من النواتج إلى تحسين الاستقرار بتكلفة الزيادة الطفيفة في الإنتاج.

الطلب: التصويب بالقلب

ويقيس مضخمو الجماعة الأوروبية الفولط المتفاوت عبر القلب، عادة بين الذراع اليمنى والكهرباء الأيسر، مع وجود كهرباء للذراع اليمنى، من أجل الإلغاء المشترك للأجهزة، وتستلزم نهاية العرض نقطة مرجعية ثابتة لتحيز جهاز التوسيع (INA) وفي نظام واحد للتشويهات الأرضية (مثلا، 3.3 خامسا) لرصد العرض النهائي.

كما أن الأرض الافتراضية تستخدم لتحيز الدائرة المعنية بالتفاعل بين الجنسين، حيث أن التصميم الكلاسيكي يدفع بالكهرباء اليمنى من خلال جهاز كمبلد ملتفي يرتبط بمدخله غير المحفور بالقاعدة الافتراضية، وهذا الترتيب يلغي فعلياً تدخل 50/60 Hz من خلال تلخيص الفول المفصل وتغذي الإشارة الملتوية للمريض.

الطلب: التصويب المغناطيسي

وتُعد إشارات الجماعة الأوروبية ذات حجم أصغر من حجمها (1-100 ميكروغرام)، مما يجعل قمع الضوضاء أكثر أهمية، كما أن الأرض الافتراضية في نظام EEG تؤدي نفس وظيفة التحيز التي تُمارس في إطار الجماعة الأوروبية، ولكنها توفر أيضاً مرجعاً للدائرة التي تُحرك مباشرة والتي تكون أكثر تعقيداً في كثير من الأحيان بسبب ارتفاع عدد الكهروديس، فضلاً عن أن نظم EEG تستخدم في كثير من الأحيان كهرود كهروديسية نشطة تشمل مثبتاًاًاًاً.

ونظراً لأن إشارات فريق التقييم تتضمن معلومات مفيدة تصل إلى حوالي 100 هرتز (وبعد ذلك أحياناً عن الإمكانات المُستفحلة)، يجب أن يكون للمسار الأرضي الافتراضي نطاق لا يُحدث تحولاً تدريجياً أو تصاعداً في نطاق الإشارة، وأن استخدام مدخل مُحوَّل إلى منتج مُربِع مُتَزَع على الأقل، يكفل أن يكون لفرقة قوافل الوحدة العازلة ما بين 100 كيلوهيرتز، بما يتجاوز

التطبيق: قياس الإعاقة البيولوجية

وتحتاج تقنيات التبسيط الأحيائي، مثل التصوير الكهربي للدمغ أو تحليل تكوين الجسم، إلى حقن تيارا صغيرا للمركبات العضوية الثابتة في ترددات متعددة في الجسم وقياس الفول الناتج، وكثيرا ما يبنى مصدر خام حاليا على مأزق ذي أساس افتراضي، ويوفر أرضا افتراضية مسارا منخفضا للتبسيط بالنسبة لحالات العودة، بما يكفل بقاء القياس مستقلا عن الإلكترون.

وفي نظام نموذجي للتردد الحيوي ذي المقياس 4، وهو نظامان للكهرباء الحقن، وفولطين للحس، يمكن أن تكون الأرض الافتراضية مرجعاً للحلقة الحالية من الموارد، لأن التيار المحقن عادة ما يكون في نطاق الميكرومتر، وقد تتراوح الترددات بين بضعة كيلوهرتز وعدة مئات من الكيلورتز، ويجب أن يكون للجهاز الافتراضي للضغط الأرضي ما يكفي من التشويذين(65).

مزايا وقيود الدوائر الأرضية البصرية

ويتيح اعتماد تقنيات أرضية افتراضية في أجهزة الطب الحيوي عدة فوائد واضحة:

  • Single —supply operation:] Enables batpowered and portable devices by eliminating the need for a negative rail.
  • Improved common —mode rejection:] By providing a stable reference, the circuit can better reject interference from power lines and other common —mode sources.
  • Flexible voltage scaling:] The virtual ground voltage can be set to any convenient level, not necessarily half the supply, to optimize the headroom of subsequent stages.
  • Galvanic isolation:] In optically isolated systems, the virtual ground can be generated on the isolated side, removing the risk of ground cycles through the patient connection.

غير أن هناك قيودا قائمة، فالأرض الافتراضية ليست أرضا حقيقية، ولا يمكن أن تغرق أو تُصدر تيارا غير محدود، وإذا تجاوزت كمية الحمولة قدرة التشغيل، فإن الفولط سيُخبط، ويحدث تشويها، وبالإضافة إلى ذلك، فإن أي جهاز من أجهزة الإيكستر على المرجع أو الإمداد بالطاقة، سيظهر على أرض الواقع إلا إذا تم تلفها بعناية، وأخيرا، فإن الأرض الافتراضية تشكل خطرا وحيدا بالكشف:

خاتمة

إن الدوائر الأرضية الافتراضية التي تبنى بمضخمات تشغيلية هي أداة لا غنى عنها في مرجع مصمم الأجهزة الطبية الأحيائية، وهي توفر مرجعا ثابتا وناقصا يتيح تشغيل جهاز واحد، ويقلل من إمكانية وضع الضوضاء، ويعزز دقة القياس، ومن خلال فهم النظرية - من التشكيلة العازلة إلى الجيل المرجعي ومشغلي الحركة - يمكن أن يصمموا واجهة اختيار قوية.