1 Конструкторско-технологический анализ
1.1 Анализ технического задания
При проектировании любой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) исходными данными для конструирования являются: техническое задание (ТЗ), схема электрическая принципиальная и конструкторские аналоги, являющиеся изделиями такого же функционального назначения, что и разрабатываемое изделие. В качестве ограничений обычно выступают условия эксплуатации.
Анализируя ТЗ, можно сделать вывод, что разрабатываемый усилитель биопотенциалов предназначен для эксплуатации в комнатных условиях. Источником питания устройства служат 2 аккумулятора KNB-15A -Ni-Cd (никель-кадмиевая) батарея 7.5В/1100мАч (емкость по спецификации производителя Kenwood). Основные требования — шумо- и влагозащищенность — будут соблюдены проектированием пластмассового корпуса и покрытием печатной платы защитным покрытием. Изделие должно выполнять свои функции в среднем в течение 2 лет.
1.2 Анализ элементной базы
При выполнении конструирования использовалась как преимущественно отечественная элементная база; учитывалось, что все элементы соответствуют ГОСТу.
В изделии использованы: резисторы С2-23 непроволочные металлопленочные; конденсаторы К10-17Б керамические, К10-17А керамические; светодиод АЛ310А; микросхемы: OPA2177, 4N33M, INA128; диоды КД102А. Использование указанных ЭРЭ обеспечит выполнение заданных характеристик конструируемого усилителя при условиях эксплуатации, предусмотренных техническим заданием, а также его потребительские свойства.
1.3 Анализ схемы электрической принципиальной
Рассмотрим работу схемы.
На входе предварительного усилителя могут присутствовать помехи вызванные работой электрохирургического инструмента, лежащие в высокочастотной области спектра (сотни кГц и выше) они могут быть практически полностью устранены с помощью фильтра нижних частот первого порядка на входе предварительного усилителя.
Далее сигнал проходит через инструментальный усилитель, собранный на микросхеме INA128. Вследствие наличия на пациенте помех различного происхождения и относительно высокой проводимости биологических тканей, на входах усилителя будет присутствовать синфазная помеха. Однако из-за разброса сопротивлений электродов помеха на входе предварительного усилителя, помимо синфазной, будет включать в себя и противофазную составляющую, уровень которой будет определяться входными сопротивлениями усилителя, разбалансом сопротивлений электродов и эквивалентным сопротивлением между усилителем и землей. Дополнительно используется активный подавитель сигнала помехи, представляющий собой инвертирующий усилитель, с выхода которого помеха в противофазе подается на тело через нейтральный электрод.
Влияние артефактов движения и поляризационной помехи может привести к потере работоспособности усилителя биопотенциалов вследствии увеличения э.д.с. поляризации до значений превышающих динамический диапазон, из-за сильного разбаланса электродных сопротивлений. Ослабить влияние э.д.с. поляризации можно за счет оптимального распределения усиления между каскадами усилителя. Для обнаружения разбаланса электродных сопротивлений при котором невозможна нормальная работа усилителя следует включать в состав усилителя схему индикации плохого контакта электродов, собранного на 2х компараторах. В норме напряжение на них меняется от +2В до –2В. При обрыве электрода один из ОУ, на которых собраны компараторы, войдет в насыщение.
После первого усилителя переменного напряжения сигнал поступит на ШИМ - модулятор, собранный на компараторе. На один вход компаратора поступает сигнал с выхода УПН, на другой вход поступают импульсы с генератора линейно изменяющегося напряжения амплитудой. На выходе компаратора получаем импульсы одинаковой амплитуды и с постоянным периодом, но с различной длительностью. Канал передачи модулированного сигнала на демодулятор реализован с помощью оптической связи.
Демодулятор состоит из ФНЧ, который задерживает высокочастотную составляющую, соответствующую спектру импульсных колебаний и пропускает низкочастотную составляющую, соответствующую спектру сообщений.
Рисунок 1. Структурная схема устройства. ИУ – инструментальный усилитель; УПН – усилитель переменного напряжения; М-ДМ – модулятор-демодулятор; БИПК – блок индикации плохого контакта; ДНЭ – драйвер нейтрального электрода.