КоврижныхДВ_Лаб.практикум по мед.электронике

0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,2 В (входная характеристика транзистора IС = f (UС). Заполните Таблицу 4.1, Во время проведения измерений обращайте внимание на величину силы тока затвора и сделайте выводы о величине входного сопротивления полевого транзистора.

Таблица 4.1.

I.3. По данным измерения постройте стоковые характеристики (семейство графиков) полевого транзистора IС = f (UС) для заданных значений напряжения затвора (UЗ). Определите по этим характеристикам для напряжения затвора UЗ = 0 значения напряжения и тока насыщения UНАС и IНАС. По стоковым характеристикам полевого транзистора найдите выходное дифференциальное сопротивление транзистора RВЫХ = ∆UСТ/∆IСТ, заполнив Таблицу 4.2, представляющую расчетные значения выходного дифференциального сопротивления транзистора RВЫХ для установленных значений напряжения стока и затвора.

Таблица 4.2.

II Изучение зависимости выходных токов полевого транзистора от нагрузки.

II.1. Исследовать работу полевого транзистора по схеме, имеющей следующий вид (рис. 4.2):

Рисунок 4.2. Схема для исследования зависимости выходных токов полевого транзистора от нагрузки.

31

В этой схеме напряжение затвора равно сумме напряжений от двух источников напряжений, где один задает постоянное напряжение, а другой — переменное. Стоковое напряжение транзистора задается источником постоянного напряжения. Изменяя значения постоянного и переменного напряжений затвора, а также стокового напряжения изучите зависимость постоянной и переменной составляющей стокового тока. Включенные в схему амперметры измеряют постоянные (режим DC приборов) и переменные (режим AC приборов) токи и напряжения. Изменяя значения нагрузки полевого транзистора, исследуйте зависимость постоянных и переменных составляющих выходного электрического тока от нагрузочного сопротивления.

Таблица 4.3.

II.2. По полученным результатам постройте график зависимости постоянной и переменной составляющих выходного тока от нагрузочного сопротивления.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ СРС. III Изучение источника тока на полевом транзисторе.

III.1. Для получения более стабильного источника тока по сравнения со схемой источника тока на биполярном транзисторе, изучим другую схему, изображенную на Рис. 4.3. В этой схеме к затвору и стоку транзистора приложено одно и то же напряжение.

Рисунок 4.3. Схема для изучения источника тока на полевом транзисторе.

Применение подобной схемы будет рассмотрено в Лабораторной работе № 7 в схеме преобразователя сопротивления в напряжение (например, при регистрации кожногальванической реакции). В настоящей работе необходимо сравнить диапазон нагрузочных сопротивлений для двух схем подключения полевого транзистора в схеме источника тока.

Таблица 4.4.

32

По полученным результатам постройте график зависимости постоянной и переменной составляющих выходного тока от нагрузочного сопротивления.

IV Изучение биений.

IV.1. При наложении двух гармонических колебаний близкой частоты получаются биения — гармонические колебания с пульсирующей амплитудой. Частота изменения амплитуды результирующего сигнала равна разности частот двух исходных сигналов. Схема для наблюдения биений представлена на Рис. 4.4.

Рисунок 4.4. Схема для наблюдения биений.

На Рис. 4.4 последовательно включенные с источниками переменного напряжения резисторы обозначают внутренние сопротивления источников, а резистор 1 кОм является нагрузочным. Получаемая в результате осциллограмма представлена на Рис. 4.5.

Рисунок 4.5. Изображение, полученное на экране осциллографа при сложении гармонических сигналов частотой 20 Гц и 21 Гц.

33

Как видно из Рис. 4.5, при разности подаваемый частот 1 Гц период биений составляет 1 с, т.е. частота биений равна 1 Гц.

IV.2. Рассмотрим применение биений в медицине на примере.

Задача. Ультразвук используется для измерения скорости кровотока. Если ультразвуковой излучатель посылает ультразвуковые волны с частотой 500 кГц, какова будет частота биений при наложении основного и отраженного ультразвуковых сигналов? Скорость ультразвука в крови принять 1540 м/с, скорость крови в большой бедренной артерии составляет 2,0 см/с.

Решение. Частота биений будет определяться доплеровским сдвигом частоты по формуле

νД = 2VV0 ν,

где V0 — скорость движущегося тела (в нашем случае крови), V — скорость волны (ультразвука), ν — частота испускаемых колебаний (частота ультразвукового излучателя). Таким образом, часта биений в условиях данной задачи должна составить

νД = 2×0,02м/ c ×500 000Гц =12,987 Гц, 1540м/ c

Для проверки полученных результатов рассчитаем частоту ультразвуковых колебаний, получаемых движущейся кровью (строго говоря, эритроцитами):

ν1 =1540м/ c - 0.02м/ c ×500 000Гц = 499 993,5 Гц 1540м/ c

При этом частота отраженных ультразвуковых колебаний будет равна

ν = 1540м/ c × =

1 1540м/ c +0.02м/ c 499 993,5Гц 499 987,01 Гц

С учетом того, что в свойствах источника переменного напряжения программы Еlectronics Workbench можно устанавливать только целые значения частоты, то в свойствах источника второго сигнала будем устанавливать частоту 499 987 Гц. Для проверки правильности полученного значения частоты биений соберем схему, изображенную на Рис. 4.6. Она полностью аналогична схеме, изображенной на Рис. 4.4.

Рисунок 4.6. Схема для наблюдения биений при измерении скорости кровотока.

В данной модели мы не учитываем уменьшения амплитуды сигнала в результате поглощения ультразвуковой волны биологическими тканями, а также распределение частот в результате различных скоростей эритроцитов. Полученное в результате сложения колебаний установленных частот изображение на экране осциллографа представлено на Рис. 4.7.

34

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 ИЗУЧЕНИЕ ОДНОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ.

ИЗУЧЕНИЕ УПРОЩЕННОЙ СХЕМЫ ДЕТЕКТОРА ЛЖИ

Цель работы: исследование однокаскадных усилителей на биполярном и полевом транзисторах; изучение принципа работы детектора лжи.

Теоретическая подготовка:

Для подготовки к данной работе повторите теоретический материал по теме «Электронные усилители и преобразователи сигналов» [10; сс. 140–145].

Однокаскадные усилители представляют собой базовые ячейки схемотехники электрических усилителей и генераторов, которые, однако, в электромедицинской аппаратуре вне операционных усилителей или интегральных микросхем практически не применяются. При этом необходимо понимать принципы работы одиночных усилительных каскадов, причины возникновения смещения выходного сигнала по фазе по отношению к входному, способов обеспечения обратной связи и т.д., что в наиболее удобной для изучения форме представлено на схеме однокаскадного усилителя. Работа усилительного каскада в режиме электронного ключа рассмотрена на примере упрощенной модели детектора лжи.

Порядок выполнения работы:

I Изучение однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе.

I.1. Исследуйте выходной сигнал функционального генератора. Для этого необходимо собрать схему, которая имеет следующий вид:

Рисунок 5.1. Схема для изучения формы и амплитуды сигнала функционального генератора.

Установите амплитудное напряжение выходного сигнала 1 В и частоту 10 Гц. Установите синусоидальную форму сигнала (должна быть установлена по умолчанию), затем треугольную форму сигнала и после этого прямоугольную форму сигнала. Измерьте с помощью осциллографа амплитуду и период сигнала; зарисуйте формы сигнала в тетради. В дальнейшем мы будем с ними сравнивать форму выходного сигнала после прохождения через усилительный каскад.

36

I.2. Для исследования формы и амплитуды выходного сигнала однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе, а также сравнения формы выходного сигнала с входным, необходимо собрать схему, изображенную на Рис. 5.2. В данной схеме осциллограф подключен для наглядного сравнения форм входного и выходного напряжений

Рисунок 5.2. Схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе.

I.3. Установите синусоидальную форму сигнала (должна быть установлена по умолчанию), задайте на генераторе напряжение 5 мВ и частоту 10 Гц и измерьте с помощью осциллографа амплитуду и период сигнала (изменив для этого значения делителя напряжения временной развертки). Подберите значения делителя напряжения на канал А и канал В так, чтобы обе осциллограммы полностью помещались на экране. Измерьте амплитуды сигналов и рассчитайте коэффициент усиления по напряжению. Определите смещение сигнала по фазе. Заполните Таблицу 5.1.

Таблица 5.1.

I.4. Установите напряжение функционального генератора 10 мВ, затем 100 мВ, 500 мВ, 1 В и измерьте амплитуду выходного сигнала. Рассчитайте коэффициенты усиления по напряжению. Сравните визуально формы входного и выходного сигналов, сделайте вывод о наличии или отсутствии линейных искажений. Заполните Таблицу 5.1. Зарисуйте формы выходных сигналов в тетради. Сделайте выводы.

I.5. Переключая форму выходного сигнала функционального генератора (синусоидальная, треугольная, прямоугольная), наблюдайте форму выходного сигнала однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе. Сравнивая формы входного и выходного сигналов, сделайте вывод о наличии линейных искажений. Зарисуйте формы выходных сигналов.

37

II Изучение однокаскадного усилителя на полевом транзисторе.

II.1. Для исследования формы выходного сигнала однокаскадного усилителя на полевом транзисторе соберите схему, изображенную на Рис. 5.3. Как и в предыдущей схеме, осциллограф подключен для наглядного сравнения форм входного и выходного напряжений.

Установите амплитудное напряжение входного сигнала 10 мВ и частоту 100 Гц. Переключая форму выходного сигнала функционального генератора (входного сигнала усилителя), наблюдайте форму выходного сигнала однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе. Зарисуйте формы сигналов в тетради. Включите в стоковую цепи усилителя амперметр, установите его в режим по переменному току (АС) и рассчитайте крутизну стокозатворной характеристики S полевого транзистора по формуле:

S = ∆iC

∆uЗИ

Рисунок 5.3. Схема однокаскадного усилителя на полевом транзисторе.

Подберите значения делителя напряжения на канал А и канал В так, чтобы обе осциллограммы полностью помещались на экране. Задайте на генераторе напряжение 5 мВ и частоту 10 Гц и измерьте с помощью осциллографа амплитуду и период сигнала (изменив для этого значения делителя напряжения временной развертки). Устанавливая напряжения генератора 10 мВ, 100 мВ, 500 мВ, 1 В, измерьте амплитуду выходного сигнала. Рассчитайте коэффициент усиления усилителя по напряжению. Наблюдая форму сигнала, сделайте вывод о наличии или отсутствии линейных искажений.

Таблица 5.1.

38

Объясните существование искажений сигнала на выходе усилителя. Сделайте выводы о применимости однокаскадных усилителей для усиления электрических сигналов.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ СРС. III Изучение принципа работы детектора лжи.

III.1. Детектор лжи (полиграф) основан на регистрации ряда физиологических показателей (кожно-гальванической реакции, электромиограммы, электроэнцефалограммы, плетизмограммы, артериального давления и т.д.), свидетельствующих о наличии у испытуемого психологического стресса.

На Рис. 5.4 приведена упрощенная схема, имитирующая работу детектора лжи, фиксирующего изменение электрокожного сопротивления. Схема питается от элемента питания 9В, при этом вся потребляет ток не более 10–12мА, а через сопротивление, имитирующее пациента, величина протекающего тока не превышает 1 мА. Следовательно, даже будучи выполненная в реальности, данная схема не представляет опасности для работающего с ней персонала.

На транзисторах Т1, Т2 и Т3 собран трехкаскадный усилитель постоянного тока высокой чувствительности. Резисторы в коллекторных цепях транзисторов задают режимы работы транзисторов по постоянному току, а нагрузкой усилительного каскада является светодиод D; последовательно подключенный к нему резистор предназначен для ограничения величины силы тока. Конденсатор служит для защиты входа усилителя от помех.

Рисунок 5.4. Схема детектора лжи, реагирующего на изменение электрокожного сопротивления.

III.2. Соберите схему, изображенную на Рис. 5.4. Установите значение настроечного резистора 65% от максимального значения и подберите такое значение сопротивления «Пациент», при котором загорается светодиод D. Добавьте амперметры во входную и выходную цепи трехкаскадного усилителя и определите коэффициент усиления тока базы. Повторите процедуру для значений 70%,75% и 80% настроечного резистора. Сделайте выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1.Усилитель на биполярном транзисторе. Схема, назначение.

2.Усилитель на полевом транзисторе. Схема, назначение.

3.Биполярный транзистор в режиме электронного ключа.

39

Подготовьте реферат на одну из тем:

1.Принципиальная схема эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе.

2.Принципиальная схема стокового повторителя на полевом транзисторе.

3.Принципиальная схема двухтактного усилителя на биполярных транзисторах.

4.Принципиальная схема и амплитудно-частотная характеристика резонансного усилителя.

5.Биполярный транзистор в режиме электронного ключа.

6.Полевой транзистора в режиме электронного ключа.

7.Устройство и принцип работы современного медицинского полиграфа с электронной обработкой информации.

40