Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Узлы и элементы биотехнических систем. Учебное пособие
.pdf
На этом рисунке триггер Шмитта с интегратором формируют
Рис. 2.12. Электрическая схема формирования прямоугольных
и треугольных импульсов
прямоугольные и треугольные импульсы, а формирователь синусоидального сигнала – гармонический сигнал.
Вариант принципиальной схемы цепочки триггер Шмитта –
интегратор, охваченный общей обратной связью, показан на рис. 2.12.
В этой схеме на операционном усилителе А1 собран триггер
Шмитта, а на А2 – генератор треугольных импульсов. Когда выходное
напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера,
напряжение на его выходе U1 скачком меняет свой знак. Вследствие
этого напряжение на выходе генератора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания
триггера. Изменяя постоянную интегрирования RC, можно перестраивать частоту формируемого напряжения в широком диапазоне. Амплитуда треугольного напряжения UT зависит только от установки
уровня срабатывания триггера Шмитта, который определяется выражением
, (2.8)
где UH – напряжение насыщения операционного усилителя.
Период колебания импульсов этой схемы определяется выражением
T = (4R3CRi)/R2. (2.9)
41
Формирователи синусоидальных сигналов обычно выполняются по схемам нелинейных функциональных преобразователей,
например на основе аналоговых перемножителей. Если частота работы генератора постоянна, то в качестве формирователя может быть
использован фильтр нижних частот, настроенный на пропускание
только первой гармоники треугольного сигнала.
В качестве конкретного примера рассмотрим вариант реализации функционального генератора, используемого в аппарате для рефлексотерапии типа «Эллада-7» (рис. 2.13).
Рис. 2.13. Структурная электрическая схема функционального
генератора прибора «Эллада-7»
В этой схеме цепочка триггер Шмитта – генератор треугольных импульсов, называемый генератором-формирователем (ГФ), собрана на основе классической схемы генератора линейно изменяющегося напряжения с двумя основными цепями обратной связи. При
этом на операционном усилителе А1собран интегратор, а на А2 – генератор прямоугольных импульсов с положительной обратной связью
42
через резистор R4. Операционные усилители А1 и А2 генератораформирователя охвачены общей отрицательной обратной связью через сопротивление R1. Для формирования «почти» синусоидальных
сигналов в схему ГФ включен нелинейный преобразователь, выполненный на транзисторе VT. Период следования сигнала определяется
величиной емкостей (С1...С11), включаемых в цепь обратной связи А1
переключателем S. Скважность вырабатываемых импульсов регулируется сопротивлением R2.
2.6. Модуляторы
Операция изменения параметров несущих (модулируемых) более высокочастотных сигналов (гармонических или негармонических,
включая импульсные) более низкочастотными управляющими (модулирующими) сигналами называется модуляцией и реализуется специальными устройствами – модуляторами.
Различают модуляцию по амплитуде, частоте и фазе. Иногда
отдельно рассматривается импульсная модуляция с ее разновидностями, например широтно-импульсная модуляция и др.
При амплитудной модуляции (рис. 2.14) под воздействием
управляющего напряжения
нала
.
изменяется амплитуда несущего сиг-
Рис. 2.14. Примеры временных диаграмм амплитудной модуляции:
а – гармонического сигнала; б – прямоугольных импульсов
43
Амплитудная модуляция гармонического сигнала формирует
Рис. 2.15. Пример временных диаграмм частотной модуляции
«огибающую» высокочастотного сигнала по закону, определяемому
формой управляющего сигнала. Амплитудная модуляция прямоугольных импульсов чаще всего организуется путем прерывания высокочастотных импульсов при отсутствии управляющего сигнала. При модуляции по частоте (частотной модуляции) управляющий сигнал меняет
частоту следования модулируемых колебаний (рис. 2.15). При модуляции по фазе (фазовая модуляция) управляющее напряжение управляет сдвигом фазы Дер на выходе модулятора (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Пример временных диаграмм фазовой модуляции
44
В варианте, представленном на рис. 2.16, сдвиг фазы выходно-
Рис. 2.17. Схема простейшего амплитудного модулятора
го сигнала по отношению к входному сигналу увеличивается по мере
роста управляющего напряжения.
Рассмотрим типовые технические решения, применяемые при
реализации различных типов модуляторов. Схема простейшего модулятора на полевом транзисторе VT, на вход которого подается посто-
янное смещение
Модулируемое напряжение
напряжение
, приведена на рис. 2.17.
частотой ω и управляющее
частотой подаются на вход транзистора через вы-
сокочастотный (Т1) и низкочастотный (Т2) трансформаторы. На элементах С1 и L собран резонансный фильтр, выделяющий из всего
множества спектральных составляющих UM только несущую и полезные боковые амплитудно-модулируемые колебания. Блокировочный
конденсатор С2 имеет малое сопротивление для высокой частоты Uн и
большое сопротивление для U
yпр
.
Одной из основных характеристик амплитудного модулятора
является его модуляционная характеристика, определяющая зависимость модулированного напряжения от мгновенного значения моду-
45
лирующего напряжения Uu = f(U
Рис. 2.18. Структурная схема модулятора
), а также глубина модуляции
ynp
М (%), определяемая как отношение разности между максимальной
величиной модулируемого сигнала
(
) и средним значением модули-
руемого сигнала (U2) к величине U2, умноженное на 100 % (см.
рис. 2.1а):
где
и
– максимальное и минимальное значения модулиру-
емого сигнала соответственно
Широкое применение в медицинской практике амплитудные
модуляторы нашли в электротерапевтической аппаратуре различного
назначения.
Схема модулятора, используемого в терапевтическом приборе
«Амплипульс-5», приведена на рис. 2.18. Этот модулятор собран по
схеме двойной коллекторной модуляции с постоянным возбуждением
и состоит из двух каскадов: на транзисторе VT1 собран усилитель
низкой частоты, а на транзисторе VT2 – собственно модулятор.
На базу транзистора усилителя низкой частоты через корректирующую цепь, состоящую из резистора R1 и конденсатора С1, поступает напряжение с генератора низкой частоты (вход 1). Коллектор-
46
ной нагрузкой транзистора VTI является резистор R--. Этот резистор
включен последовательно в коллекторную цепь транзистора VT2 модулятора, на базу которого (вход 2) подается сигнал с генератора высокой частоты. Вследствие присоединения коллекторной цепи транзистора VT2 к генератору низкой частоты питание модулятора осуществляется напряжением по закону низкой частоты. В колебательном контуре модулятора, состоящем из катушки индуктивности L и
конденсатора, возникают синусоидально-модулированные колебания.
Для обеспечения режима перемодуляции, который определяется надежным запиранием транзистора VT2, питание цепей эмиттера
и базы транзистора VT1 осуществляется напряжением +10 В. Остальные цепи модулятора питаются напряжением −24 В.
Для улучшения формы кривой модулированного сигнала в режиме перемодуляции служат диоды VD1 и VD2. Диод VD1 обеспечивает полное запирание транзистора во время отсечки (паузы) при положительном напряжении на коллекторе транзистора VT2. Диод VD2
шунтирует в это время контур, предотвращая возникновение в нем
паразитных колебаний.
За счет цепочки смещения, состоящей из резистора R8 и конденсатора С5, на эмиттере транзистора VT2 в такт с модулирующим
сигналом автоматически изменяется напряжение смещения. Это приводит к углублению основной модуляции на коллекторе.
2.7. Особенности технологического процесса проектирования
средств медицинской техники с использованием САПР
Рассмотрим особенности проектирования и разработки медицинских электронных систем с общих позиций развития автоматизированного проектирования.
Процесс проектирования принято подразделять на несколько
последовательных стадий:
1. Формулировка концепции системы, технических специфи-
каций.
2. Выбор архитектуры, разделение на подсистемы, выбор ба-
зовых технологий.
3. Проектирование аппаратных и программных электронных
систем, схем коммутации.
4. Проектирование неэлектронных подсистем, в том числе ме-
ханических подсистем, корпусов.
47
5. Интеграция, сборка, верификация.
6. Создание прототипа производства.
Исходя из концепции системы и соответствующих спецификаций системный проектировщик принимает решение о том, какие
функции системы будут реализованы в аппаратных электронных подсистемах, а какие – в программных подсистемах, в том числе во
встроенных программах. Среда проектирования должна обеспечивать
автоматизированную симуляцию аналоговых, цифровых, радиочастотных трактов, их электромагнитной совместимости на всех этапах
проектирования. Кроме того, эта среда должна обеспечивать возможностями разработки интерфейсов как на аппаратном, так и на информационном уровне. Дополнительно среда проектирования должна
позволять разрабатывать неэлектронные подсистемы, в том числе механические, в соответствии с принятыми техническими стандартами.
Основными позициями в разработке типичных электронных
систем являются: проектирование печатных плат на основе коммерчески доступной элементной базы; использование электрически программируемых логических интегральных схем (field programmable
gate array – FPGA) и микроконтроллеров; проектирование заказных
(специализированных) интегральных схем (application specific
integrated circuit – ASIC); проектирование интегрированных микросхем (mechano-electrical microsystem – MEMS); проектирование систем на чипе (system-on-a chip – SoC).
На каждой позиции ключевым этапом проектирования является моделирование и симуляция отдельных частей, блоков, подсистем
и системы в целом на системном уровне. Результатом такого моделирования являются спецификации для проектирования на более низких
уровнях абстракции описания разрабатываемой системы. Таким образом, современные средства автоматизированного проектирования позволяют реализовать процесс проектирования сверху вниз, что особенно важно при проектировании биомедицинских электронных систем.
2.8. Основные объекты медицинских изделий, проектируемых
с помощью САПР
С учетом специфики медицинских изделий одним из первых
объектов проектирования может стать биомедицинский датчик, являющийся интерфейсом между биологической и электронной системами.
48
Технология изготовления биомедицинских датчиков, биосенсоров, биоэлектродов в значительной мере базируется на технологиях
микроэлектроники, поэтому для проектирования биомедицинских
датчиков нужны такие же средства, как и для проектирования биомедицинских микросистем. Традиционной сферой, использующей специализированные интегральные схемы (ИС), являются имплантируемые электростимуляторы: слуховые аппараты, электрокардиостимуляторы, дефибрилляторы-кардиовертеры, осуществляющие диагностику сердечной мышцы, обработку и интерпретацию электрофизиологических данных и организующие при необходимости достаточно мощные электрические разряды и др. Проектирование таких
систем опирается на использование современной базы микроэлектроники, например биполярных транзисторов с изолированным затвором,
сигма-дельта-аналогово-цифровых преобразователей, цифровых сигнальных процессоров на одном кристалле при ультрамалом энергетическом потреблении и др.
Для проектирования специализированных ИС разработаны
САПР с использованием языков высокого уровня (Hardware description language – HDLs) и создаваемых системных языков, объединяющих проектирование аппаратных и программных средств (System
level decign language – SLDL).
В соответствии с общими тенденциями развития интеграции
изделий микроэлектроники развивается и биомедицинская электроника: механоэлектрические микросистемы, интегрированные микросистемы (Mechanoelectrical micrisystems – MEMS), биомедицинские
микросистемы (System-on-a-chip – SoC); биомедицинские лаборатории
на чипе (Lab-on-a-chip). При этом понятие микросистемы определяется через две основные идеи: через технологию создания микроструктур и системный подход к их проектированию. В настоящее время
среди микросистем массово выпускаются датчики физиологического
давления, представляющие собой сложную биомедицинскую микросистему, состоящую из самих датчиков, с различными типами компенсаций и калибровок, микроконтроллера и канала коммуникаций.
Продолжает наращиваться выпуск таких микросистем, как
микрочипы-таблетки, предназначенные для доставки лекарств в локализованные области человека, причем микрочип может содержать
электронную подсистему, управляющую механической подсистемой,
с резервуарами фармацевтических препаратов; электрохимические
микросистемы; миниатюрные системы комплексного анализа
49
(miniaturized total analysis system – mTAS), которые могут оперировать
с микропотоками жидкостей и газа.
Дальнейшим развитием идеологии биомедицинских микросистем являются биомедицинские лаборатории на чипе (Lab-on-a-chip).
Это направление бурно развивается на основе прогресса в генетических микротехнологиях.
В качестве инструментария для проектирования микросистем
используют так называемые САПР микросистем. Отличительной особенностью таких САПР является то, что при проектировании биомедицинских микросистем необходимо моделировать большое число
разнообразных физических явлений, в том числе из взаимосвязанных
величин:
– электроника, электромеханика, электроакустика, электрооптика, магнитооптика, магнитоэлектроника, оптоакустоэлектроника,
электрогидродинамика, биоэлектроника, биосенсорика, биофотоника
и др.;
– материаловедение разнородных, в том числе пористых, материалов на микро- и наноуровне.
Тренировочные задания
1. Нарисуйте типовую электрическую схему входного каскада
усилителя биопотенциалов.
2. Нарисуйте схему дифференциального каскада усилителя.
3. Нарисуйте схематично действие синфазных помех на усили-
тель от заземляющего контура.
4. Нарисуйте блок-схему изолирующего усилителя.
5. Нарисуйте схему оптической развязки на операционных
усилителях.
6. Нарисуйте структурную схему конденсаторного развязыва-
ющего усилителя.
7. Нарисуйте эквивалентную схему микроэлектродной цепи.
8. Нарисуйте вариант схемы с отрицательной эквивалентной
входной емкостью.
9. Нарисуйте блок-схему функционального генератора.
10. Нарисуйте электрическую схему формирования прямо-
угольных и треугольных импульсов.
11. Нарисуйте схему простейшего амплитудного модулятора.
12. Нарисуйте структурную схему модулятора.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]