2.2 Розробка схеми ви­ділення зубців і інтервалів

Для виконання вимірів параметрів зубців, інтервалів і сегментів ЕКГ необхідно виконати їхнє автоматизоване виділення. Цю задачу можна вирішити, використовуючи схеми порівняння напруг в аналоговій формі, рис. 2.3. Вибравши граничні напруги Unl, Un2. формують прямокутні імпульси, тривалості яких близькі до тривалості зубців ЕКГ.

Рисунок 2.3 - Формування імпульсів положення зубців ЕКГ.

Принципова схема такого пристрою показана на рис. 2.4.

Два компаратори схеми DA1.1 і DA1.2 порівнюють напругу U із граничною напругою, величина яких задається дільниками Rl, R2 і R3, R4. Логічні елементи DD1 та DD2 застосовані для формування імпульсів положення зубців у прямій і інверсній формах.

Сигнали з виходів двох каналів порівняння надходять на елемент D3 логічного підсумовування, утворюючи послідовність імпульсів різної тривалості у вигляді сумарної напруги u_q.

Рисунок 2.4 - Схема формування імпульсів положення зубців ЕКГ

Для поділу цих імпульсів у часі здійснюється їхній підрахунок щодо імпульсів синхронізації u_ch із присвоєнням номера їхнього положення на інтервалі тривалості періоду серцевих скорочень. Для цього застосований лічильник D4 і дешифратор D5. Лічильник D4 установлюється в нульове положення по входу R кожним імпульсом синхронізації uch на початку дії зубця R. При цьому на виході дешифратора D5 утвориться послідовність прямокутних імпульсів, тривалості яких дорівнюють інтервалам часу між передніми фронтами імпульсів зубців R S Т Р Q. Таким чином виділяються інтервали часу R-S, S-T, T-P, P-Q, Q-R.

Для виділення імпульсів положення й вимірювання зубців R S Т Р Q і необхідних інтервалів можна застосовувати додаткові логічні схеми збігів. На рис. 2.5 та 2.6 показана схема виділення та форма вимірювальних імпульсів інтервалу зубця Р й інтервалу P-Q (R).

Рисунок 2.5 - Схема виділення зубця Р и сегмента P-Q (R) з інтервалу P-Q

Рисунок 2.6 – Форма вимірюваних імпульсів зубця Р и сегмента P-Q (R) з інтервалу P-Q

Сформовані імпульси керують роботою схем пристрою з роздільним виміром параметрів зубців R S Т Р Q. Імпульси інтервалів P-Q з виходу дешифратора збігаються з імпульсами сумарної напруги U₀ тільки на інтервалах дії зубця Р. При цьому на виході схеми D1 виділяються із загального сигналу U₀ імпульси виміру зубця Р, а на виході схеми D3 - імпульси інтервалу P-Q (R).

Згідно з завданням для побудови схема формування імпульсів положення зубців ЕКГ обираємо мікросхеми серії К155:

компаратори DA1.1 і DA1.2 – К155СП1;

логічні елементи DD1 та DD2 - К155ЛЕ2;

елемент логічного підсумовування D3 –К155 ИМ3;

лічильник D4 - К155ИЕ7;

дешифратор D5 - К155ИД3.

3 РОЗРАХУНОК ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ВУЗЛІВ ЕЛЕКТРОКАРДІОМЕТРА

Завдання (варіант №2):

відносна похибка вимірювання γ = 1%;

верхня частота смуги пропускання f_в = 200 Гц;

максимальна напруга U_m = 2,5 В;

напруга на вході ОП U₁ = 2 мВ;

середня напруга перешкод σ_п = 150 мкВ;

серія ІМС: КМ155;

l = 3;

логічна функція φ₂ + φ₃ + φ₄

3.1 Розрахунок АЦІІ

Розрахуємо число розрядів n цифрового кода АЦП.

Число розрядів n цифрового кода АЦП з урахуванням шумів визначаємо за формулами

; / ln2;

; , ,

де n – число розрядів цифрового кода; K_U – коефіцієнт підсилення за напругою; σ_R, σ_ш, σ_п – середньоквадратичні значення відповідно шумів вхідних резисторів, шума та перешкод на операційному підсилювачі ОП, ρ – густина шумів резисторів.

.

Для металоплівкових резисторів групи А

ρ = (4…5)·10^-6 В^-1; В;

Для сучасних малошумлячих ОП

ρ=(3…5)·10^-9 В/Гц; σ_ш = ρ ·f_В = 4·10^-9 · 200 = 8·10^-7 В.

Приймаємо σ_п = 5·10^-5 В. Тоді:

В.

Приймаємо n_ш = 5.

За умовою заданої точності вимірювання:

.

Приймаємо n_m = 7.

Оскільки n_ш < n_m,, то вибір числа розрядів за умовою точності призведе до того, що 2 молодші розряди на дисплеї будуть змінюватися випадково, тобто точність вимірювання буде знижено. Тому застосуємо АЦП з подвійним інтегруванням, яке прдушує перешкоди.

З урахуванням коефіцієнта придушення шумів К_п = 5…10:

.

Приймаємо число розрядів цифрового кода АЦП n = 8.

Виходячи з необхідної кількості розрядів, обираємо восьмирозрядний АЦП – швидкодіючу велику інтегральну мікросхему К1107ПВ4 (рис. 3.1).

1–3 – опорна напруга U_REF1; 4 – загальний (цифрова земля); 10 – цифровий вихід 9, розряд переповнення; 12, 13, 15, 16, 19, 19, 21, 22 – цифрові виходи з 1 (СР) по 8 (МР); 31 – вивід коректування нелінійності 0,75U_REF; 32 – напруга джерела живлення U_CC1; 34 – напруга джерела живлення U_CC2; 37 – вивід коректування нелінійності 0,25U_REF; 47 – вхід тактового сигналу; 52–54 – опорна напруга U_REF1; 60 – аналоговий вхід; 61 – вивід напруги контролю гістерезису U_H; 62 – вивід коректування нелінійності 0,5U_REF; 64 – загальний (аналогова земля); 5–9, 11, 14, 17, 20, 23–30, 35, 86, 38–46, 48-51, 55-59, 63 незадіяні виводи.

Рисунок 3.1 – Мікросхема К1107ПВ4

Мікросхема К1107ПВ4 забезпечує норми на основні електричні параметри при подачі напруги живлення U_CC1 = 5 В ± 5 %; U_CC2 = -5,2 В ± 5 % та опорних напругах U_REF1 = 2,5 В; U_REF2 = -2,5 В.

3.2 Розробка загальних параметрів багатоканального цифрового кардіографа

3.2.1. Визначимо число дискретних вибірок m за одну секунду при цифровому пе­ретворенні сигналу кардіограми по одному відведенню:

m = 1,6 ·f_в = 1,6 · 200 = 320.

Виберемо f_n кратну 50 Гц (50, 150, 200…):

f_п = m ≈ 400 Гц.

3.2.2. Визначимо число точок К_т цифрового перетворювача ЕКГ, що доводяться на один короткий зубець, з тривалістю τ₃ = 0,05 сек.

К_т = f_n · τ₃ = 400 · 0,05 = 20.

Таким чином, короткий зубець передається 20 точками, що досить для його аналізу.

3.2.3. Визначимо ціну і величину часового інтервалу Т_п на ЕКГ між виконуваними перетвореннями на одному відведенні:

Т_п = 1/ f_n = 1/400 = 2,5·10^-3 с.

3.2.4. Обчислимо частоту f_n задаючого генератора при числі відведень l =3:

F_Г = l ·f_п = 3 · 400 = 1200 Гц.

При цьому період сигналу задаючого генератора Т_г знижується із зростанням числа відведень і складає:

Т_Г = 1/ F_Г = 1/1200 = 8,33·10^-4 с.

3.2.5. Оцінимо час τ_пер, необхідний для виконання цифрового перетворення в одній точці ЕКГ:

τ_пер = τ_АЦП + τ_ОЗП + τ_ЛС ,

де τ_АЦП = 100 нс - час перетворення схемою АЦП, τ_ОЗП = 300нс - час звернення до ОЗП, τ_ЛС - час перетворення логічною схемою.

Час перетворення логічного елементу складе:

τ_ЛС = N_ЛС · τ_1Л,

де N_ЛС - число ІМС логіки; τ_1Л - час затримки сигналу на одній схемі.

Для ІМС серії К155 τ_1Л = 15…20 нс.

Приймаємо: N_ЛС = 20.. .30 й τ_1Л = 20 нс, тоді отримаємо:

τ_ЛС = 20 · 20 = 400 нс.

Таким чином, час перетворення в одній точці ЕКГ складає:

τ_пер = (100 + 300 + 400)10^-9 = 8·10^-7 с.

3.2.6. Максимальне число вибірок N_В цифрового перетворення за одну секунду або максимальна частота f_пм перетворення складає:

N_В = f_пм = 1/τ_пер = 1/8·10^-7 = 1,25·10⁶ Гц = 1,25 МГц.

3.2.7. Максимальна частота перетворення по одному відведенню при l = 3:

N_В1 = f_пм1 = N_В /3 = 416,67 кГц.

Розрахована частота перетворення по одному відведенню набагато більше за обрану в п.п. 3.2.1 частоту перетворення f_п = 400 Гц, тобто швидкодія елементів є високою і не обмежує побудову схеми кардіометра.

3.3 Розрахунок кількості ІМС в ОЗП

В п. 3.1 було знайдено кількість розрядів кода n = 8, а в п.п. 3.2.1 – частота перетворення по одному відведенню f_п = 400 Гц. Знайдемо Т_АН - час запису або аналізу ЕКГ. Відомо, що тривалість інтервалу R-R ЕКГ τ_RR = 0,4…1,5 с. Тоді:

Т_АН = 3τ_RR = 3·1 = 3 с.

Визначимо кількість N₁ цифрових n-розрядних слів, які потрібно записати в ОЗП по одному відведенню, тобто кількість рядків:

N₁ = f_п· Т_АН = 400·3 = 1200 Гц.

Для запису ЕКГ кількох пацієнтів К_п = (3…4):

N_1п =К_п· N₁ = 3·1200 = 3600 Гц.

При цьому по одному відведенню знадобиться організація пам’яті типу N_1п · n з загальним об’ємом Ф₁:

Ф₁ = N_1п · n = 3600·8 = 28800 біт.

Вибираємо ІМС пам’яті згідно з завданням з серії К155: ОЗП К155РУ7, яка є ОЗП на 1024 біт (1024 слів на 1 розряд).Загальний об’єм пам’яті по усім l відведенням:

Ф = Ф₁ · l = 28800·3 = 86400 біт.

Визначаємо кількість корпусів ІМС:

і приймаємо кількість корпусів 85.

З цього результату випливає, що задана (варіант №2) серія ІМС К155 для розробленого кардіометра не оптимальна. Якщо вибрати ІМС К132РУ6А/Б, яка є ОЗП на 16 кбіт (16000 слів на 1 розряд), то потрібна кількість корпусів ІМС:

і приймаємо кількість корпусів 6.