Файзиев Узлы и элементы биотехнических систем (1). Узлы и элементы биотехнических систем
 Скачать 0.65 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Пензенский государственный технологический университет Кафедра «Биомедицинская инженерия» УСИЛИТЕЛЬ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СИГНАЛА ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту по дисциплине «Узлы и элементы биотехнических систем» Выполнил студент гр. 17ПБ1баФайзиев Х.В. Руководитель Чулков В.А. Проект защищен с оценкой: Подписи членов комиссии: Пенза – 2020
ЗАДАНИЕ на курсовое проектирование Тема проекта: Усилитель воспроизведения электрофизиологического сигнала Требования по назначению: амплитуда входного дифференциального напряжения  : 5 мВ;выходное сопротивление датчика входных сигналов: 1 МОм; частотный спектр входного сигнала:  = 0 Гц,  = 10 000 Гц;среднеквадратическая плотность входного шума:  = 0,08  ;амплитуда выходного напряжения  : 0,6 В;сопротивление нагрузки: 5 кОм; питающие напряжения: (15±0,75) В, –(15±0,75) В; диапазон рабочих температур: от 10 ОС до 40ОС. ВВЕДЕНИЕ Развитие медицинской диагностической техники базируется, прежде всего, на непрерывном совершенствовании электронных средств и методов съема и обработки электрофизиологических сигналов, применении высоких технологий извлечения и обработки информации о состоянии и процессах функционирования биологических систем, живых организмов. Особая ответственность за качество и точность диагностической информации ложится на тракт воспроизведения электрических сигналов, получаемых от электродов и датчиков, непосредственно контактирующих с живым организмом. Особенностями таких сигналов является их малая интенсивность, значительный уровень шумового фона, специфическая форма и энергетический спектр. Все это отражается на структуре и характеристиках основных узлов тракта воспроизведения, отвечающих за усиление, фильтрацию и преобразование сигналов. Цель выполнения курсового проекта по дисциплине «Узлы и элементы биотехнических систем» состоит в закреплении приобретенных компетенций и практических навыков, необходимых для проектирования и грамотной эксплуатации электронных узлов медицинских приборов и устройств. В соответствии с типовым заданием по индивидуальному варианту обоснован выбор структуры и принципиальных схем функциональных узлов усилительного тракта электрофизиологического сигнала заданного типа и с заданными параметрами, выполнен расчет электрических режимов схем входного электрометрического усилителя (предусилителя) и фильтра. Путем компьютерного эксперимента с применением программной среды MultiSim подтверждено соответствие разработанного устройства техническим требованиям. В приложениях к пояснительной записке приведены принципиальная электрическая схема устройства и перечень входящих в нее элементов. Разработанное устройство может найти применение в медицинской технике для воспроизведения сигналов с электродов кардиографа, а также в учебном процессе как иллюстрация к теоретическому материалу по дисциплине «Узлы и элементы биотехнических систем». 1 АНАЛИЗ ЗАДАНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СТРУКТУРЫ УСТРОЙСТВА В соответствии с заданием разработке подлежит электронный усилитель воспроизведения маломощного датчика биоэлектрического сигнала, дополненный средствами автоматической регулировки усиления, выполняемой с целью приведения амплитуды воспроизведенного сигнала к заданному необходимому для дальнейшей обработки уровню. Поскольку входным сигналом тракта служит дифференциальный сигнал маломощного датчика с высоким выходным сопротивлением  МОм, то первым каскадом тракта должен быть повторитель напряжения. Использование повторителя напряжения позволяет решать задачу согласования относительно низкоомной нагрузки с высокоомным источником сигнала. Входное сопротивление повторителя на основе операционного усилителя (ОУ) благодаря единичной обратной связи чрезвычайно высоко  , оно может достигать значений в несколько гигаом. Выходное сопротивление повторителя  практически равно нулю. Учитывая, что первый каскад устройства должен также решать задачу усиления дифференциального сигнала, выберем в качестве предусилителя схему электрометрического усилителя, который включает в свой состав пару неинвертирующих входных каскадов, по свойствам близким к повторителю.Слабый информационный сигнал поступает на устройство в сопровождении шума, который в задании характеризуется среднеквадратической плотностью  . Ослабить влияние шума можно только фильтрацией входного сигнала, позволяющей сократить полосу частот воспроизведения и, следовательно, отсечь составляющие энергетического спектра шума за пределами полосы пропускания фильтра нижних частот (ФНЧ). Для согласования выхода ФНЧ с нагрузкой, а также для обеспечения заданного коэффициента усиления введем в состав проектируемого устройства оконечный усилитель. Структурная электрическая схема тракта воспроизведения, таким образом, может быть представлена в виде, показанном на рис. 1.1.  2 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И РАСЧЕТ СХЕМ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ 2.1 Уточнение требований ТЗ и выбор элементов Поскольку тракт воспроизведения включает несколько усилительных каскадов, в том числе ФНЧ, распределим общее усиление схемы по каскадам, учитывая, что общий коэффициент усиления устройства по амплитуде:  (2.1)где  – амплитуда выходного напряжения,  – амплитуда входного напряжения. Общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов последовательно включенных каскадов , (2.2)где  – коэффициент предусилителя,  – коэффициент фильтра,  – коэффициент оконечного усилителя. Так как фильтр нижних частот строится на реактивных элементах в цепях обратной связи ОУ, его коэффициент усиления выберем достаточно низким, чтобы исключить опасность возбуждения схемы, пусть  . Коэффициенты усиления остальных каскадов выберем примерно одинаковыми, т.е.  . Зададим значения коэффициентов:  ,  .В качестве операционного усилителя (ОУ), составляющего ядро оконечного усилителя и ФНЧ, выберем ОУ общего применения типа К140УД6, а для построения наиболее ответственного входного электрометрического усилителя – прецизионный ОУ типа К140УД17, отличающийся малыми значениями напряжения смещения  и его температурного коэффициента  . Основные параметры указанных типов ОУ приведены в табл. 2.1.Таблица 2.1
Обозначения в таблице:  – питающее напряжение; – коэффициент усиления дифференциального сигнала; – ток потребления; – напряжение смещения нуля; – температурный коэффициент напряжения смещения; – частота единичного усиления; – скорость нарастания выходного напряжения; – максимальное (по абсолютной величине) выходное напряжение; – входное дифференциальное сопротивление; – минимально допустимое сопротивление нагрузки.Заданием оговорен энергетический спектр входного сигнала от 0 Гц до 10 кГц, следовательно, и граничная частота ФНЧ должна быть равной 10 кГц. ФНЧ предназначен для улучшения отношения сигнал/шум. Ориентировочно оценить степень улучшения можно, приняв протяженность равномерного спектра «белого» шума 0 … 1 МГц, при этом напряжение шума на входе составит  .Тогда входное отношение сигнал/шум при заданном входном сигнале 5 мВ равно  ,где амплитуда входного сигнала  делится на  для получения его эффективного значения. На выходе устройства получится усиленный в  раз сигнал и увеличенный в то же число раз шум, однако спектр шума ограничен полосой пропускания ФНЧ, поэтому выходное отношение сигнал/шум окажется равным .2.2 Электрометрический усилитель Схема электрометрического усилителя, выполняющего функции каскада предварительного усиления, представлена на рис. 2.1. Благодаря наличию входных неинвертирующих ОУ по обоим входам такой усилитель обладает высоким дифференциальным входным сопротивлением , необходимым для неискаженного воспроизведения сигналов от высокоомного датчика. Если использовать в схеме ОУ DA1 … DA3 типа К140УД17 с собственным дифференциальным входным сопротивлением 30 МОм (табл. 2.1), то входное сопротивление схемы можно без какой-либо погрешности считать бесконечным. Для того чтобы уменьшить влияние смещения нуля, снабдим каждый ОУ стандартными для этого типа ОУ цепями регулирования напряжения смещения в виде потенциометров  ,  ,  (1 кОм), соединенных подвижными контактами с шиной положительного питающего напряжения. Поскольку от самих п отенциометров не требуется особой точности, выберем их типа СП3-16в-0,125Вт-1кОм±20%. Известно [1], что коэффициент усиления схемы при условии  и  определяется как . (2.3)Поскольку нагрузочные сопротивления ОУ не должны быть менее 2 кОм, то установим  ,  . Выше было принято, что коэффициент усиления всего электрометрического усилителя равен 6, поэтому задавшись коэффициентом усиления разностного усилителя на DA3 равным 3, найдем коэффициент усиления входного каскада, который равен 2. Тогда сопротивление  . По ряду Е192 выбираем  . Номинал сопротивления резистора  находится из (2.3): .Поскольку в данном каскаде предъявляются высокие требования к точности и степени подавления синфазного сигнала, то в этом каскаде необходимо использовать прецизионные резисторы, например, типа С2-29 [5], номиналы которого следуют ряду Е192, а технологическое отклонение может быть малым вплоть до 0,05%. По ряду Е192 выбираем  (С2-29-0,125-20 кОм±0,05%). Остальные резисторы схемы выберем того же типа. Определяющий погрешность схемы коэффициент усиления синфазного сигнала, возникающего из-за разбаланса сопротивлений резисторов, равен  . (2.4)Если сопротивления выходного каскада одинаковы, то  . Однако из-за технологического разброса сопротивлений синфазный сигнал все же проникает на выход. Оценим значение  , исходя из полученных номиналов резисторов сопротивлений ( ) и предположения о наихудших сочетаний их технологических отклонений  . .Таким образом, высокая точность резисторов обеспечивает высокую степень подавления синфазных помех – они ослабляются в 1000 раз. 2.3 Фильтр нижних частот Для построения фильтра выберем схему активного ФНЧ Саллена – Ки второго порядка [1, 8]. При необходимости по результатам экспериментальных исследований порядок ФНЧ можно увеличить простым каскадированием таких ФНЧ. Схема фильтра, в котором можно использовать любой ОУ общего применения, в частности ОУ типа К140УД6, параметры которого приведены в табл. 2.1, представлена на рис. 2.2.  Передаточная функция подобного фильтра записывается в виде  . (2.5)В соответствии с рекомендациями [8] выполним расчет элементов схемы, положив  ,  : задаемся значением частоты среза  Гц;из табл. 1.2 [1] выбираем отношение  , что соответствует функции Баттерворта с плоской амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) в полосе пропускания;выбираем значение емкости конденсаторов  и рассчитываем значение сопротивления резисторов  из соотношения  : (Ом).Полученное значение R выходит за пределы рекомендуемого диапазона 1 … 100 кОм, оно неприемлемо как не соответствующее нагрузочной способности ОУ, поэтому зададим другое значение емкости С = 6200 пФ и вновь определим сопротивление:  (Ом).Выберем ближайший номинал сопротивления по ряду Е192, равный 2,58 кОм; из табл. 1.2 [1] находим величину коэффициента затухания α = 1,414; для обеспечения требуемого коэффициента усиления фильтра, равного  , задаемся значением одного из этих резисторов, например R3 = 10 кОм, и определяем сопротивление второго – R4:  (Ом).По ряду Е192 выбираем сопротивления резисторов R3 = 10 кОм, R4 = 10 кОм. 2.4 Оконечный усилитель Выходной каскад схемы служит для дополнительного усиления воспроизведенного сигнала и согласования схемы с нагрузкой. Поскольку сопротивление нагрузки задано равным 3 кОм, то для построения каскада пригоден тот же ОУ типа К140УД6. Построим схему каскада по схеме простейшего инвертора, соотношение сопротивлений которого даст требуемый коэффициент усиления  , например, выберем сопротивления: в цепи обратной связи 10 кОм; во входной цепи 1 кОм.2.5 Описание принципиальной схемы и оценка потребляемой мощности Электрическая принципиальная схемы разработанного тракта воспроизведения электрофизиологического сигнала и перечень входящих в нее элементов представлены в Приложениях «А» и «Б» соответственно. Схема в целом соответствует структуре рис. 1.1, поэтому здесь поясним лишь устройство отдельных блоков. Входной электрометрический усилитель построен на операционных усилителях DA1 … DA3, снабженных элементами регулирования напряжения смещения нуля – потенциометрами R1, R2, R10. Этот усилитель воспринимает входной дифференциальный сигнал, поступающий на входы 1 и 2 от электродов, контактирующих с биологическим объектом, и усиливает его в 6 раз. Усиленный сигнал поступает на активный фильтр нижних частот второго порядка, выполненный на основе ОУ DA4 по схеме Саллена – Ки. Частота среза ФНЧ равна 10 кГц, т.е. совпадает с верхней границей энергетического спектра входного сигнала, коэффициент его усиления равен 2. Выходной каскад усилителя выполнен в виде инвертора на операционном усилителе DA4, его коэффициент усиления равен 10. Общий коэффициент усиления всего тракта воспроизведения сигнала равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов и равен 120. Мощность, потребляемая схемой от источников питания, складывается из мощностей, потребляемых всеми микросхемами: операционными усилителями К140УД17 (3 шт.):  ;операционными усилителями К140УД6 (2 шт.):  ;Общая мощность потребления составляет:  .3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМЫ Для экспериментальной проверки устройства проведено моделирование его ядра – электрометрического усилителя и фильтра нижних частот в среде MultiSim. В схеме измерения, показанной на рис. 3.1, входной сигнал – дифференциальное гармоническое напряжение амплитудой – 5 мВ частотой 1 кГц подается на входы схемы с противофазных выходов функционального генератора. Для имитации шума к этому сигналу подмешан гармонический сигнал частотой 20 кГц, который берется от генератора из бункера элементов MultiSim. Сложение основного и шумового напряжений осуществляется с помощью резисторов 1 кОм, при этом в точках суммирования оба сигнала оказываются ослабленными в 2 раза. В качестве моделей операционных усилителей К140УД17 выбраны модели идеального ОУ, в качестве модели ОУ К140УД6 в фильтре нижних частот – модель ОУ типа µА741. На рис. 3.1 показаны также развернутые изображения лицевых панелей измерительных приборов: функционального генератора, осциллографа и частотного характериографа. Как следует из приведенных результатов моделирования, разработанная схема соответствует заданию, а именно: амплитуда входного дифференциального сигнала (рис. 3.1) равна 5 мВ, амплитуда выходного сигнала равна 0,6 В, общий коэффициент усиления схемы равен расчетному значению 120 В/В; частота среза ФНЧ равна расчетному значению 10 кГц (позиция маркера на экране характериографа – рис. 3.1), рис. 3.2 иллюстрирует эффект фильтрации шума.    Рисунок 3.1 – Схема моделирования  Рисунок 3.2 – Формы напряжения на входе и выходе ЗАКЛЮЧЕНИЕ В процессе курсового проектирования проведено обоснование выбора структуры усилителя воспроизведения электрофизиологического сигнала, получаемого от электродов, контактирующих с биологическим объектов, в виде дифференциального напряжения с амплитудой 5 мВ, энергетический спектр которого сосредоточен в полосе до 10 кГц. Выполнен расчет входящих в устройство электронных блоков, разработана электрическая принципиальная схема и перечень входящих в нее элементов. Проведено экспериментальное исследование устройства в составе входного электрометрического усилителя, фильтра нижних частот и оконечного усилителя. Эксперимент выполнен путем компьютерного моделирования с использованием программной среды MultiSim, при этом воздействие шума имитировалось подмешиванием к информационному сигналу частотой 1 кГц высокочастотной гармонической составляющей с частотой 20 кГц и с амплитудой 0,1 мВ. Результаты моделирования подтверждают работоспособность устройства и соответствие его характеристик техническому заданию. Библиографический список Чулков В.А. Узлы и элементы биотехнических систем – Пенза, Изд-во Пенз. гос. технол. ун-та, 2016. – 200 с. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП / ЦАП – М.: Техносфера, 2006, - 392 с. Игнатов А.Н. Микросхемотехника и наноэлектроника: Учебное пособие. СПб.: Изд-во «Лань», 2011. – 528 с. Булычев А.Л., Галкин В.И., Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы: Справочник – Мн.: Беларусь, 1994. – 382 с. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / М.И.Богданович, И.Н.Грель, С.А.Дубина и др. – Мн.: Беларусь, Полымя, 1996. – 605 с. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. – М.: Мир, 1982. – 512 с. Бондаренко И.Б. Электрорадиоэлементы. Часть 1. Резисторы. – СПб.: СПб НИУ ИТМО, 2012. – 108 с. Кореневский Н.А. Узлы и элементы биотехнических систем: учебник / Н.А. Кореневский, Е.П. Попечителев. – Старый Оскол : ТНТ, 2014. – 448 с. Приложения А. Усилитель воспроизведения электрофизиологического сигнала. Схема электрическая принципиальная Б. Усилитель воспроизведения электрофизиологического сигнала. Перечень элементов   | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
