ИДЗ_Лиоско

2.ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА

ИИХ НЕОБХОДИМЫЕ ЗНАЧЕНИЯ

Втаблице 1 приведены основные характеристики прибора для каждого

канала.

Таблица 1 – Основные технические характеристики прибора для каждого канала

Таблица 2 – Основные технические характеристики прибора

Рассмотрим 1 канал прибора, в котором используется метод фотоплетизмографии. Диапазон относительных амплитуд пульсовой волны для вывода на экран компьютера 0,005 − 0,05. Диапазон измерений частоты пульса был выбран (30 − 250) уд/мин, чтобы учитывать возможную тахикардию или брадикардию у пациента. При это абсолютная погрешность измерений ЧСС в диапазоне до 100 уд/мин будет не более ±2 уд/мин, а в диапазоне от 100 до 250 уд/мин – не более ±3 уд/мин.

Рассмотрим 2 канал прибора, в котором используется метод компрессионной сфигмографии. У каждого человека верхнее и нижнее артериальные давления отличаются, поэтому диапазон измерений давления воздуха в манжете от 20 до 280 мм.рт.ст. При этом пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений давления воздуха в манжете ±3 мм.рт.ст.

Рассмотрим 3 канал, в котором используется реографический метод.

Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности измерения

12

значения размаха сигнала объемной реограммы в диапазоне от 0,02 до 4 Ом будет ±(0,06∆R+5), где ∆ – номинальное значение размаха объемной реограммы. Пределы допускаемой дополнительной относительной погрешности измерения размаха сигнала объемной реограммы при измерении базового импеданса (20-500) ±3%. Амплитуда зондирующего тока, который генерирует генератор импульсов, будет (2±0.5) мА, а частота 100 кГц. При выводе электроплетизмограммы на экран компьютера относительная погрешность установки значения по вертикали и по горизонтали будет не превышать ±1%.

Потребляемая мощность прибора не должна превышать 5 ВА, т.к.

конструкция прибора простая и имеет мало отдельных модулей. Общий коэффициент усиления, который складывается из усилителей с постоянным и регулируемым коэффициентом усиления, до 2*105. Время установления показаний не должно превышать 10 секунд.

13

3. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПРИБОРА И ЕЁ

ОПИСАНИЕ

Рассмотрим структурную схему прибора на рисунке № 6.

Рисунок № 7 – Структурная схема прибора

1 канал: Излучатель датчика содержит один излучающий диод красного диапазона (ИИ – источник излучения), питаемый импульсами тока со схемы управления яркостью и включением диода. Прошедшее сквозь биологические ткани излучение поступает на фотоприемник датчика - фотодиод. Затем фототок попадает на трансимперансный ОУ (усилитель), где усиливается и преобразуется в напряжение. Усиленный импульсный сигнал поступает на схему переключения, состоящую из двух каналов (красный диапазон и темновой ток). Усиленные и отфильтрованные сигналы поступают на сигма-

дельта АЦП. После по интерфейсу SPI код передается на микроконтроллер (МК), а дальше на персональный компьютер (ПЭВМ).

2 канал: Схема включения датчика давления (Д) представляет собой мостовую схему Уитстона, для питания которой используется

14

последовательность высокочастотных прямоугольных импульсов,

формируемых микроконтроллером. Использование переменного тока для питания мостовой схемы включения датчика давления способствует уменьшению фоновых шумов, улучшению соотношения сигнал/шум.

Дифференциальный сигнал мостовой схемы регистрируется и усиливается с помощью инструментального усилителя (ИУ). Выходной сигнал ИУ представляет собой сигнал напряжения с незначительными пульсациями давления и содержит информацию об уровне давления в пневматической манжете. Напряжение с выхода ИУ поступает на усилитель переменного напряжения (УПН1) для дополнительного усиления сигнала перед поступлением на вход синхронного детектора (СД). Усиленный импульсный сигнал с выхода УПН1 поступает на СД, где происходит выделение напряжения, пропорционального сигналу пульсовой волны. Синхронный детектор состоит из последовательно соединённого умножителя и ФНЧ. На входы умножителя поступают амплитудно-импульсный модулированный сигнал и сигнал опорной последовательности прямоугольных импульсов;

ФНЧ выделяет огибающую сигнала. Сигнал с выхода СД поступает на первый канал АЦП для контроля уровня давления в манжете со стороны МК и на вход фильтра верхних частот (ФВЧ), который предназначен для выделения переменного сигнала пульсовой волны на фоне постоянного сигнала высокого уровня. В силу высокой инерционности ФВЧ усилитель УПН2 может находиться в состоянии насыщения в течение относительно длительного интервала времени, что приведёт к заметным искажениям биосигнала. Для сокращения переходных процессов вводится УБ (устройство бланкирования),

представляющее собой аналоговый коммутатор, управляемый сигналами с микроконтроллера. При насыщении выхода УПН2 микроконтроллер будет переключать в открытое состояние коммутатор. В силу того, что величина сопротивления открытого ключа коммутатора намного меньше, чем сопротивления резистора в пассивном RC-фильтре, то будет достигнуто значительное сокращение длительности переходного процесса. Переменный

15

сигнал напряжения с выхода ФВЧ поступает на регулируемый УПН2, который обеспечивает дополнительное усиление сигнала и согласование динамического диапазона аналогового тракта регистрации сигнала с динамическим диапазоном АЦП. Сигнал с выхода УПН2 подается на второй канал АЦП и далее поступает на микроконтроллер. После преобразования в цифровую форму микроконтроллер по заданным алгоритмам осуществляет цифровую фильтрацию и обработку зарегистрированного биосигнала.

3 канал: Для формирования высокочастотного электрического тока прямоугольной формы используется генератор тока (ГТ), управляемый МК.

На исследуемый участок тела электрический ток поступает через токовые электроды (ТЭ). Возникающее в результате прохождения электрического тока напряжение регистрируется с помощью потенциометрических электродов

(РЭ). Дифференциальная разность биопотенциалов, возникающих между потенциометрическими электродами, усиливается инструментальным усилителем (ИУ), обеспечивающим одновременное ослабление синфазной помехи, наводимой на биообъект воздействием внешних электрических сетей питания. Усиленный дифференциальный сигнал напряжения с выхода ИУ поступает на СД, где происходит выделение огибающей, представляющей собой сигнал напряжения, пропорциональный артериальной пульсации крови.

Выходной сигнал СД поступает на вход полосового фильтра (ПФ), где происходит фильтрация остаточных высокочастотных помех и шумов, а также устранение постоянной составляющей. С выхода ПФ сигнал поступает на регулируемый усилитель напряжения (УПН), где под управлением МК происходит адаптивное усиление сигнала, усиленный сигнал поступает на АЦП и далее оцифрованные отсчеты бисигнала передаются в оперативную память МК.

16

4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УЗЛОВ ПРИБОРА И ИХ

ТРЕБУЕМЫЕ ЗНАЧЕНИЯ. ПОДБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ДЛЯ

УЗЛОВ ПРИБОРА

Таблица 3 – Основные характеристики узлов прибора и их требуемые значения

Красный светодиод должен иметь преобладающую длину волны 660 нм.

Фотоприемник состоит из трех функциональных узлов: фотодиод, усилитель и переключатель каналов. Фотодиод должен воспринимать длины волн в диапазоне (500-700) нм. Сигнал усиливается в 10000. 2-х канальная схема переключения имеет максимальное время переключения до 100 нс. Схема управления яркостью и включением светодиода имеет частоту выходного сигнала 10 кГц. АЦП должно имеет высокое разрешение и обладать минимум тремя каналами, два из которых идут на прием измеряемого сигнала (красного диапазона и темнового тока), а другой на связь с МК. Для 1-го канала минимальная частота тактирования микроконтроллера должна быть 10 кГц.

Датчик давления должен обладать чувствительностью 1 мВ/кПа,

обладать линейностью частотной характеристикой на диапазоне давлений (0 –

200) мм.рт.ст. Требования к линейности частотной характеристики на почти всем диапазоне давлений, связана с линейной зависимостью напряжения от измеряемого давления. Инструментальный усилитель обладает коэффициентом усиления до 1000, а усилитель переменного напряжения – до

100, регулируемый усилитель переменного напряжения – до 100. Устройство бланкирования, которое является аналоговым коммутатором, имеет частоту выходного сигнала 100 кГц.

Частота прямоугольных импульсов, генерируемая генератором тока,

достигает 100 кГц для 3-го канала. Полоса пропускания полосового фильтра от 0,25 до 40 Гц, т.к. измеряемый полезный сигнал не обладает высокой частотой.

18

5. ПОДБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ДЛЯ УЗЛОВ ПРИБОРА

В таблице 4 подобрана элементная база для нашего прибора.

Таблица 4 – Подбор элементной базы для узлов прибора

Вкачестве красного светодиода, являющегося излучательным элементов

в1 канале, подобран светодиод GNL-3014SRD, имеющий преобладающую длину волны 660 нм. Фотодиодом стал VBP104SR, который имеет диапазон восприятия волн 430 – 1100 нм, и может принимать красное излучение. В

19

качестве усилителя с постоянным коэффициентом усиления подобран

AD8605.

Схема управления яркостью и включением светодиода состоит из двух частей: первая часть предназначена для управления яркостью светодиода,

вторая необходима для включения и выключения светодиода (рисунок 9).

Первая часть состоит из операционного усилителя, биполярного транзистора и управляемого переключателя. В качестве операционного усилителя можно взять AD8605. В качестве биполярного транзистора можно взять BC817. А в качестве переключателя можно взять SN74LVC1G66,

который будет выполнять роль коммутатора в нашей схеме. На рисунке 10

представлена логическая диаграмма переключателя. Максимальная задержка передачи сигнала от А до В составляет 1,2 нс, что удовлетворяет требованиям о минимальной задержке сигнала (намного меньше 100 нс).

Рисунок 8 – Логическая схема переключателя SN74LVC1G66

С контроллера поступает сигнал POW_R – уровень тока излучателя. [5]

Сигнал представляет собой широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Меняя коэффициент заполнения (отношение длительности импульса к длительности периода), можно изменять яркость светодиода. Чтобы ШИМ-

последовательность преобразовать в аналоговый сигнал, эту последовательность необходимо пропустить через фильтр нижних частот

(интегрирующую RC-цепочку, где R59 и C77), чтобы отфильтровать опорную

частоту и получить исходный сигнал. В качестве нагрузки к RC-цепи

20