6.2.4. Технические характеристики и применение ацп

Для грамотного использования АЦП в средствах медицинской техники необходимо учитывать их технические характеристики. Промышленностью выпускаются различные типы АЦП, основные технические характеристики ряда из которых приведены в таблице 6.3.

Таблица 6.3

АЦП	Разрядность (бит)	k	Внутренний УВХ	Время преобразования (мкс)	Интерфейс	Внутренний ИОН	Питание	Примечание
АЦП широкого применения
572ПВ1	12	1	Нет	110	Парал.	Нет	+5…15	Требуются внешние ОУ
1108ПВ2	12	1	Нет	2	Парал.	Есть	5; –6	Последовательного приближения (ПП)
MAX114	8	4	Есть	0.66	Парал.	Нет	+5	Двухступенчатый. Дежур. режим –5 мкВт
AD7893	12	1	Есть	6	Посл.	Нет	+5	8-выводной корпус. ПП
Микромощные АЦП
572ПВ3	8	1	Нет	7.5	Парал.	Нет	5
AD7888	12	8	Есть	5	Посл.	Есть	2.7…5	ПП. Дежур. режим –3 мкВт
MAX195	16	1	Есть	9.4	Посл.	Нет	±5	Автокалибровка, дежур. режим –0.1 мкВт
MAX1299	12	6	Есть	1000	Посл.	Есть	2.7…3.6	Встроен. темпер. датчик
Быстродействующие АЦП
1107ПВ4	8	1	Нет	0.03	Парал.	Нет	+5; –5.2	Параллельный
AD9054	8	1	Есть	(200)*	Парал.	Есть	5	Параллельный, ТТЛ уровни выхода
MAX108	8	1	Есть	(1500)*	Парал.	Нет	±5	Параллельный, ЭСЛ уровни выхода
AD9070	10	1	Есть	(100)*	Парал.	Есть	–5	Двухступенчатый, ЭСЛ уровни выхода
Интегрирующие АЦП
MAX132	18	1	−	(100)	Посл.	Нет	5	Многотактного интегрирования
AD7715	16	1	−	(20…500)	Посл.	Нет	3 или 5	Сигма-дельта, автокалибровка
AD7714	24	3	−	(10…1000)	Посл.	Нет	3 или 5	Сигма-дельта, автокалибровка
AD9260	16	1	Нет	(2.5)	Посл.	Есть	2.7…5.5	Многобитный сигма-дельта

Примечание:

( ) – частота преобразований в секунду;

( )* - (частота преобразований в секунду)·10⁶;

дежурный режим – режим, в котором обеспечивается минимум потребления энергии, если нет необходимости в преобразованиях.

Одним из основных применений АЦП является их использование для преобразования аналоговых сигналов, характеризующих жизнедеятельность организма, в цифровой код для последующей обработки и представления информации специалистам в удобной для них форме.

На рис. 6.33 приведен пример использования ∑-Δ АЦП AD7716 для электрокардиографа, обеспечивающего синхронную работу с 12-ти отведениями. Девять полностью идентичных аналоговых канала представляют из себя операционные усилители с высоким входным сопротивлением и коэффициентом усиления 4 и включенными последовательно с ними R-C ФНЧ [2].

Рис. 6.33. Структурная схема цифрового 12-ти канального электрокардиографа на основе ∑-Δ АЦП

Имитация дифференциальных отведений с одновременным вычитанием синфазной помехи, производится полностью программным способом. Из этого следует, что существует возможность при достаточном числе входных каналов сформировать практически любую схему отведений или набор схем отведений. Для этого не требуется прецизионных делителей и малошумящих коммутирующих элементов.

Кроме того, достаточно легко реализуется модульная реализация электрокардиографов и электрофизиологических полиграфов добавляя требуемое количество каналов и модифицируя соответствующее программное обеспечение.

Вариант схемы усилителя постоянного тока для структуры, приведенной на рис. 6.33, приведен на рис. 6.34.

Рис. 6.34. Принципиальная схема усилителя постоянного напряжения для электрокардиографа на сигма-дельта АЦП

Диоды VD1 и VD2 обеспечивают защиту усилителя от разрядов статического электричества и разрядов кардиодефибрилятора. На высоковольтном резисторе R₁ рассеивается основная энергия импульса кардиодефибрилятора. Последовательно включенные диоды VD3, VD4 и VD5, VD6 обеспечивают обратное сдмещение на защитных диодах VD1 и VD2. Резисторы R₆ и R₇ задают ток, протекаемый через пары диодов VD5, VD6 и VD3, VD4 соответственно. Резистор R₂ определяет входное сопротивление усилителя.

Делитель из резисторов R₃ и R₄ задает коэффициент усиления неинвертирующего усилителя . В схеме использован счетверенный усилитель типа ОР482.

При отрыве входных электродов (отключение входов ОУ) на вход АЦП AD7716 поступает сигнал около 1.1 В, образуемый падением напряжения на открытых диодах VD3, VD4, которое трактуется как превышение уровня входного динамического диапазона и используется для сигнализации о плохих электродных контактах.

Успехи современной микроэлектроники позволяют в одном корпусе создавать не только АЦП с простой конфигурацией мультиплексоров, но и создавать однокристальные модули систем сбора данных, обеспечивающих хранение и преобразование в цифровой код аналоговых сигналов, со многих датчиков с передачей их в микро ЭВМ или ПЭВМ.

Вариант структуры системы сбора данных приведен на рис. 6.35.

Рис. 6.35. Структура однокристальной системы сбора данных

Основу построения таких систем составляют, обычно, АЦП последовательного приближения. Многоканальность ввода данных обеспечивается аналоговым мультиплексором (АМ), после которого, при необходимости, ставят усилитель с программируемым коэффициентом усиления (УПК), что позволяет выравнивать диапазоны сигналов с различных входов.

В некоторых системах АЦП обслуживается устройством выборки хранения (УВХ) и источником опорного напряжения (ИОН), что позволяет сократить число корпусов микросхем. При высоких требованиях на скорость обработки и при использовании низкоскоростных процессоров обработки данных в корпус системы встраивают промежуточные оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), работающие по принципу первый вошел, первый вышел (FIFO). Устройство управления (УУ) работает по программам, загружаемым из внешних микроконтроллеров. Оно управляет настройкой аналогового мультиплексора (формируя различные схемы коммутации), коэффициентами усиления УПК и работой других узлов системы. Встроенный таймер задает темп работы АЦП.

Некоторые промышленные образцы имеют встроенные контроллеры, позволяющие реализовать протоколы обмена по стандартным интерфейсам, например, RS232, USB и др. Ряд микросхем систем сбора данных снабжаются портами ввода-вывода ЦАП и температурными датчиками, позволяющими отслеживать температуру окружающей среды и т.д.

Характерными примерами микросхем сбора данных является отечественная микросхема 572ПВ4 (аналог AD7581) с 8-ми входовым аналоговым мультиплексором, 8-ми разрядным АЦП последовательного приближения, ОЗУ типа FIFO 8Χ8 бит.