КУРСОВАЯ_ИТОГ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Кафедра биотехнических систем

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника»

Тема: ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ ПИКОВОГО ДЕТЕКТОРА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТОТЫ СЕРДЕЧНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

Санкт-Петербург

2025

ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Студент: Свириденко А. А.

Группа: 3502

Тема работы: «Проектирование схемы пикового детектора для регистрации частоты сердечных сокращений» Задание: Провести сравнительное исследование и моделирование четырёх схем

аналоговых пиковых детекторов (пассивный, активный на ОУ, улучшенный без насыщения, со схемой сброса) в среде Micro-Cap, проанализировать переходные процессы и применимость для обработки биосигналов (ФПГ), выбрать оптимальную схему для измерения ЧСС и сформулировать выводы по результатам моделирования.

Содержание пояснительной записки:

«Аннотация», «Содержание», «Введение», «Общие теоретические сведения», «Моделирование схемы в Micro-Cap», «Заключение», «Список использованных источников».

АННОТАЦИЯ

Измерение частоты сердечных сокращений требует точного выделения пиковых значений биосигналов, таких как фотоплетизмограмма. В данной курсовой работе проведено сравнительное исследование и моделирование четырёх архитектур аналоговых пиковых детекторов: пассивного RC-детектора,

активного детектора на операционном усилителе, улучшенной схемы с избеганием насыщения и детектора со схемой сброса. Работа выполнена путём моделирования в среде Micro-Cap на тестовом синусоидальном сигнале,

имитирующем периодичность сердечных сокращений. Для каждой схемы проанализированы переходные процессы. На основании результатов моделирования сделаны выводы о преимуществах, ограничениях и потенциальных областях применения каждой из рассмотренных топологий.

Разработанные схемы представляют собой базовые модули, которые могут быть использованы в системах обработки биомедицинских сигналов для устройств мониторинга сердечной деятельности.

ABSTRACT

Measuring heart rate requires accurate extraction of peak values from biosignals such as the photoplethysmogram. This course work presents a comparative study and simulation of four analog peak detector architectures: a passive RC detector, an active operational amplifier-based detector, an improved circuit that avoids saturation, and a detector with a reset circuit. The research was conducted by simulating the circuits in the Micro-Cap environment using a test sinusoidal signal that mimics the periodicity of heartbeats. For each circuit, transient processes were analyzed. Based on the simulation results, conclusions are drawn regarding the advantages, limitations, and potential application areas of each considered topology. The developed circuits serve as fundamental building blocks that can be integrated into biomedical signal processing systems for cardiac monitoring devices.

ВВЕДЕНИЕ

В современной биомедицинской измерительной технике точное выделение пиковых значений из слабых и зашумлённых сигналов, таких как фотоплетизмограмма (ФПГ), является ключевой задачей для определения частоты сердечных сокращений. Наиболее простой пассивный пиковый детектор на основе диода и конденсатора обладает существенными недостатками: низкой точностью из-за падения напряжения на диоде и высокой зависимостью от температуры. Активные схемы на операционных усилителях позволяют создать прецизионные детекторы, устраняя эти погрешности. Однако классическая активная схема склонна к насыщению операционного усилителя после прохождения пика, что приводит к задержке восстановления и невозможности обработки узких или часто следующих импульсов. Это обуславливает необходимость исследования усовершенствованных схем, включая детекторы с предотвращением насыщения и с управляемым сбросом. Проведённый анализ и моделирование данных схем позволят определить оптимальное решение для построения узлов обработки сигналов в портативных медицинских диагностических устройствах, таких как пульсоксиметры и кардиомониторы.

5

1.ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1.Назначение и область применения пиковых детекторов в обработке

биосигналов

Пиковый детектор (ПД) — это аналоговая схема, предназначенная для определения и запоминания максимального (или, в иной конфигурации,

минимального) значения изменяющегося во времени напряжения. Его ключевая функция — преобразование аналоговой огибающей сигнала в серию дискретных уровней, соответствующих амплитудным экстремумам.

В биомедицинской технике, в частности при анализе фотоплетизмограммы

(ФПГ) или электрокардиограммы (ЭКГ), эта функция становится критически важной. Каждый пик ФПГ соответствует сердечному сокращению. Таким образом, точное детектирование и фиксация этих пиков позволяет:

1.Определить момент наступления каждого сокращения.

2.Измерить интервалы между сокращениями.

3.Рассчитать частоту сердечных сокращений (ЧСС).

Эффективность последующих алгоритмов расчёта ЧСС напрямую зависит от точности и надёжности работы пикового детектора, который должен корректно функционировать в условиях зашумлённости, нестабильности базовой линии и переменной амплитуды биосигнала.

1.2.Эволюция схем пиковых детекторов: от пассивных к активным

1.2.1.Пассивный пиковый детектор

Наиболее простая реализация пикового детектора, представленная на рисунке 1, включает последовательное соединение диода и накопительного конденсатора, подключаемое ко входному сигналу, а также резистор,

включённый параллельно конденсатору и обеспечивающий задание постоянной времени сброса.

6

Рисунок 1 – Пассивный пиковый детектор

Принцип работы: При положительном полупериоде входного сигнала диод открывается, и конденсатор заряжается до напряжения, равного входному за вычетом падения на открытом диоде. При снижении входного напряжения диод закрывается, предотвращая разряд конденсатора через источник сигнала.

Ключевые недостатки, ограничивающие применение в прецизионных системах:

1.Низкий и нестабильный входной импеданс.

2.Падение напряжения на p-n переходе делает детектор нечувствительным к изменениям сигнала, меньшим 0.6 V, и неточным для больших изменений (когда присутствует падение на диоде).

3.Падение напряжения на p-n переходе зависит от температуры и тока.

1.2.2. Активный пиковый детектор на операционном усилителе (ОУ)

Для устранения погрешности, обусловленной прямым падением напряжения на диоде, применяется активная схема с операционным усилителем,

представленная на рисунке 2. В данной конфигурации диод включается в цепь обратной связи, соединяя выход операционного усилителя с его инвертирующим входом, при этом запоминающий конденсатор подключён непосредственно к инвертирующему входу.

7

Рисунок 2 – Активный пиковый детектор на операционном усилителе

Принцип работы: Когда входное напряжение Vin превышает напряжение на конденсаторе Vc, выход ОУ становится положительным, открывая диод. В

петле обратной связи устанавливается состояние, при котором напряжение на инвертирующем входе (на конденсаторе) отслеживает напряжение на неинвертирующем входе. Поскольку усиление разомкнутого контура ОУ очень велико, падение на диоде компенсируется, и на конденсаторе устанавливается напряжение, в точности равное Vin. Когда Vin падает, диод закрывается, изолируя конденсатор.

Основные преимущества:

1.Высокая точность: Выходное напряжение практически равно истинному пиковому значению входного сигнала.

2.Высокое входное сопротивление.

3.Низкое выходное сопротивление.

Критический недостаток (проблема насыщения): После прохождения пика,

когда Vin < Vc, напряжение на выходе ОУ должно стать отрицательным, чтобы закрыть диод. Это вводит ОУ в состояние отрицательного насыщения. Для детектирования нового пика, превышающего предыдущий, ОУ сначала должен

8

выйти из насыщения, что занимает значительное время и ограничивает максимальную частоту следования пиков.

1.2.3. Пиковый детектор с улучшенным быстродействием

Для устранения эффекта насыщения операционного усилителя используется модифицированная схема, в состав которой введён дополнительный резистор R, включённый между инвертирующим входом и выходом ОУ, как показано на рисунке 3. Наличие данного резистора ограничивает выходное напряжение усилителя в режиме удержания пика,

предотвращая его переход в насыщение и тем самым поддерживая линейный режим работы, что существенно сокращает время восстановления схемы.

Рисунок 3 – Пиковый детектор с улучшенным быстродействием

Принцип работы: При Vin < Vc выход ОУ отрицателен, но его напряжение ограничено уровнем, определяемым делителем из резистора R и импеданса цепи обратной связи. Это позволяет ОУ практически мгновенно реагировать на появление нового пика, превышающего старый, что критически важно для детектирования узких импульсов.

1.2.4. Пиковый детектор со схемой сброса

Во многих приложениях, например, при потактовом анализе сигнала,

необходимо периодически обнулять запомненное значение. Для этого

9

параллельно конденсатору памяти включается электронный ключ, обычно на полевом (МОП) транзисторе.

Принцип работы: В нормальном режиме ключ разомкнут, и схема работает как обычный пиковый детектор. При подаче управляющего импульса на затвор транзистора ключ замыкается, быстро разряжая конденсатор. После окончания импульса схема готова к детектированию нового пика.

Таким образом, проектирование пикового детектора для обработки биосигналов представляет собой задачу поиска оптимального компромисса между точностью, быстродействием и стабильностью. Сравнительный анализ рассмотренных архитектур позволяет выбрать схему, наилучшим образом соответствующую конкретным требованиям к обработке сигналов фотоплетизмограммы для последующего расчёта частоты сердечных сокращений.

10