Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Узлы и элементы биотехнических систем. Учебное пособие
.pdf
Тестовые задания к главе
1. Электрофизиологические сигналы при различных методах
регистрации биопотенциалов измеряются с помощью ___________,
расположенных определенным образом на поверхности тела (или введенных внутрь организма) в соответствии с некоторой системой отведений:
а) электродов;
б) биопотенциалов;
в) отведений;
г) значений.
2. Двойные амплитуды потенциалов живых объектов лежат в
пределах ______________, диапазон частот от КГ4 до 103 Гц и выше:
а) от 5 мкВ до 60 мВ;
б) от 5 мкВ до 120 мВ;
в) от 10 мкВ до 60мВ;
г) от 10 мкВ до 120 мВ.
3. Основной особенностью биологических источников электрических потенциалов является _________________, включающего
переходные сопротивления систем «кожа – электролит – электрод»:
а) стабильность межэлектродного сопротивления;
б) межэлектродное сопротивление;
в) нулевое сопротивление;
г) нестабильность межэлектродного сопротивления.
4. Коэффициент усиления синфазного сигнала определяется
выражением:
а)
б)
в)
г)
;
.
51
5. Коэффициент ослабления синфазного сигнала определяется
выражением:
а)
б)
в)
г)
;
;
6. Степень ослабления синфазного сигнала усилителем может
быть охарактеризована коэффициентом ___________, показывающим,
во сколько раз должно быть увеличено симметричное напряжение по
сравнению с несимметричным, чтобы получить одинаковый зарегистрированный сигнал:
а) режекции;
б) трансформации;
в) трения;
г) ликвидности.
7. Период колебания импульсов этой схемы определяется выражением:
а)
;
б) T = (4R3CRi)/R2;
в)
г)
;
8. Коэффициент усиления дифференциальных входных напряжений приблизительно оценивается выражением:
а)
б)
в)
г)
;
;
.
52
9. Отличительной особенностью таких САПР является то, что
при проектировании биомедицинских микросистем необходимо моделировать большое число разнообразных физических явлений, в том
числе из взаимосвязанных величин:
а) электроника, электромеханика, электроакустика, электрооптика, магнитооптика, магнитоэлектроника, оптоакустоэлектроника,
электрогидродинамика, биоэлектроника, биосенсорика, биофотоника,
материаловедение разнородных, в том числе пористых, материалов на
микро- и наноуровне;
б) электроника, электромеханика, электроакустика, электрооптика, магнитооптика, магнитоэлектроника, оптоакустоэлектроника,
электрогидродинамика, биоэлектроника, биосенсорика, биофотоника;
в) материаловедение разнородных, в том числе пористых, материалов на микро- и наноуровне;
г) электроника, электромеханика, электроакустика, электрооптика, биосенсорика, биофотоника, материаловедение разнородных, в
том числе пористых, материалов на микро- и наноуровне.
10. Операция изменения параметров несущих более высокочастотных сигналов более низкочастотными управляющими сигналами
называется модуляцией и реализуется специальными устройствами:
а) преобразователями;
б) дисплеями;
в) модуляторами;
г) приборами для стимуляции.
53
Глава 3
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОПЕРАЦИОННЫХ
УСИЛИТЕЛЯХ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Значительную долю различных функциональных преобразований в современных электронных приборах, включая и медицинскую
технику, выполняют цифровые устройства, системы и комплексы.
Однако специфика медицинской техники, где исходная информация
представляется, как правило, аналоговыми сигналами, требует использования определенной доли аналоговых электронных схем, которые, кроме усиления и подавления помех, могут применяться для выполнения некоторых вычислительных операций и других функциональных преобразований.
3.1. Линейные узлы математической обработки биологических
сигналов
Среди множества различных аналоговых функциональных
устройств определенное место занимают схемы, осуществляющие линейные преобразования над аналоговыми сигналами: масштабирование,
суммирование, интегрирование, дифференцирование и ряд других.
3.1.1. Схемы масштабирования и аналоговые сумматоры
Схемы масштабирования используют для пропорционального
изменения сигнала, что эквивалентно умножению его величины на
постоянный коэффициент. Для этой цели используют инвертирующие
и неинвертирующие усилители. Промышленность выпускает различные типы таких схем. В них для измерения масштабов преобразования
предусматриваются переключаемые сопротивления в цепях обратной
связи и выводы для подключения внешних сопротивлений для регулировки коэффициентов передачи. Схемы масштабирования легко
реализуются и с помощью операционных усилителей (ОУ) общего
назначения путем выбора соответствующих номиналов сопротивлений на входе и в цепях обратной связи.
В задачах съема и обработки медико-биологической информации часто приходится сталкиваться с сигналами, изменяющими амплитуду в широких пределах (большие динамические диапазоны) так,
54
что использование масштабного звена на ОУ с фиксированным коэффициентом усиления не дает удовлетворительных результатов. В этом
случае можно использовать схемы с электронной перестройкой коэффициента усиления с помощью транзисторных ключей или соответствующих микросхем, реализующих функции аналоговых коммутаторов. Пример такой схемы с регулировкой коэффициента усиления по
цепи обратной связи приведен на рис. 3.1а. В этой схеме подача
управляющего напряжения
открывает соответствующий транзи-
стор VTi, закорачивая соответствующий резистор в цепи обратной
связи, уменьшая тем самым общую величину
, а следовательно, и
коэффициент передачи ОУ. Для данной схемы справедливо соотно-
шение
лении величины
. Для более точных расчетов при опреде-
учитываются не только замкнутые ключи, но и
сопротивления открытых ключей и токи утечки закрытых клю-
чей.
Для реализации автоматической перестройки с целью предотвращения выхода ОУ на нелинейный участок из-за высоких значений
входного сигнала можно использовать пороговые элементы, фиксирующие уровни выходных или входных напряжений ОУ. На рис. 3.1б
показана схема изменения коэффициента усиления ОУ при достиже-
нии заданного выходного напряжения на который настраивается
пороговый элемент (ПЭ), управляющий отпиранием ключа VT1.
На рис. 3.1в показан вариант схемы автоматического управления коэффициентом усиления несколькими пороговыми элементами,
отслеживающими разные величины входного напряжения:
. На усилителе А2 собрано согласующее масштаб-
ное звено (для разгрузки источника входного напряжения), коэффициент усиления которого определяется соотношением сопротивлений
R3, R4.
Часто для управления коэффициентом усиления в автоматическом режиме используют ЭВМ, которая передает код преобразуемого
коэффициента усиления через согласующие устройства на управляющие входы ключей.
В ряде практических задач возникает необходимость управления коэффициентом передачи с помощью непрерывного управляющего сигнала. В этом случае можно также создавать управляемые сопротивления как по цепи обратной связи, так и по цепи входного сопротивления.
55
Рис. 3.1 Схемы с управляемым коэффициентом усиления
На рис. 3.1г изображен вариант практической схемы управления коэффициентом усиления масштабного звена по цепи входного
сопротивления.
3.1.2. Усилители переменного тока
При необходимости усиливать только переменную составляющую входного сигнала во входные цепи ОУ обычно включают раз-
делительные конденсаторы (рис. 3.2а). При ,
и
56
Рис. 3.2. Усилители переменного тока
нижняя граничная частота такого усилителя по уровню 3 дБ
(частота, на которой коэффициент усиления падает примерно на 30 %)
равна для обоих входных сигналов. Верхняя граничная
частота зависит от инерционности используемого ОУ и от параметров
цепей частотной коррекции
Для неинвертирующего усилителя обычно используют схему,
приведенную на рис. 3.2б. Достоинство этой схемы – высокое входное
сопротивление. Передаточная функция этой схемы определяется выражением
(3.1)
Из последнего выражения следует, что для уменьшения погрешности усилителя на низких частотах следует увеличивать посто-
янные времени
.
3.2. Активные электрические фильтры
Наряду со схемами подавления синфазных помех основным
средством борьбы с помехами, сопровождающими биологические
57
сигналы, снимаемые с многообразных датчиков, являются активные
электрические фильтры. Кроме этого, фильтры часто используют для
того, чтобы из широкого спектра частот выделить те или иные частотные составляющие или их комбинации.
Фильтры можно классифицировать различными способами.
Один из наиболее распространенных принципов классификации определяет меру того, какая часть диапазона частот, поступивших на вход
фильтра, попадает на его выход.
Фильтры нижних частот (ФНЧ) пропускают на выход все частоты, начиная с нулевой и до некоторой заданной частоты, называемой частотой среза fcр. Для частот выше частот среза фильтры нижних
частот ослабляют сигнал (рис. 3.3а). Диапазон частот от нуля до fcр.
называют полосой пропускания. Частота среза – это частота, при которой напряжение на выходе фильтра падает до уровня 0,707 от напря-
жения в полосе пропускания
торой частоты
ФНЧ практически не пропускают (достаточно силь-
(т. е. падает на 3 дБ). Начиная с неко-
но с точки зрения решаемой задачи подавляют) входной сигнал переменного тока. Полоса частот, в которой входной сигнал практически
не пропускает на выход ФНЧ или по крайней мере может не учитываться при решении конкретных задач, называется полосой подавления
(или заграждения). Частота
– это частота, при которой выходное
напряжение на 3 дБ выше, чем выходное напряжение в полосе подавления. Интервал частот от f
. до
cр
называют переходным участком.
Фильтр верхних частот (ФВЧ) ослабляет все частоты, начиная
от 0 и до частоты fcр., и пропускает все частоты выше f
до верхнего
cр
частотного предела используемой схемы ОУ (в идеале – до бесконечности) – рис. 3.3б.
Полосовой фильтр пропускает все частоты в полосе между
нижней и верхней частотами среза f
f
подавляются (рис. 3.3в). Диапазоны от f1 до f
cр2
ются переходными участками. Геометрическое среднее частот f
f
называют средней центральной частотой:
cр2
cр1
и f
Все частоты ниже f
cр2.
cр1
и от f
до f2 явля-
cр2
. и
cр1
. и
cр1
. Ре-
жекторный полосовой фильтр (заграждения) ослабляет все частоты
между f
cр1
и f
и пропускает все остальные частоты (рис. 3.2г). Эти
cр2
фильтры используют чаще всего для подавления сигнала помехи,
например сетевой помехи частотой 50 Гц. При расчете фильтров и
изображений их частотных характеристик часто на практике используют логарифмический масштаб. Коэффициент усиления в логариф-
58
мической шкале А выражается в децибелах A(дБ) = 20 lgA, где А –
Рис. 3.3. Амплитутдно-частотные характеристики фильтров
различных типов
числовое значение коэффициента усиления.
Шкала частот представляется в логарифмическом масштабе и
использует два варианта разметки. Октавой называется изменение
(увеличение или уменьшение) частоты вдвое. Например, если частота
59
увеличивается от 500 до 1000 Гц, говорят, что она возрастает на одну
Рис. 3.4. Частотная характеристика ФНЧ
октаву. Декадой называется десятикратное увеличение или уменьшение частоты. Так, если частота увеличивается от 100 до 1000 Гц, она
возрастает на одну декаду. На рис. 3.4 показана частотная характеристика фильтра низких частот, имеющего скорость спада 6 дБ/октаву
или 40 дБ/декаду.
Среди недостатков активных фильтров отмечают то, что они
требуют наличия источников питания, а их рабочий диапазон ограничивается частотными свойствами ОУ.
Дадим определения, характеризующие основные параметры
активных фильтров.
Полюсами фильтра с практической точки зрения называют
слагаемые наклона его частотной характеристики на переходном
участке, обусловленного наличием RС-цепей, используемых для формирования частотных характеристик
Порядок фильтра – это число его полюсов. Каждый полюс
вносит в наклон переходного участка 6 дБ/октаву или 20 дБ/декаду.
Число полюсов фильтра связывают также со степенью полиномов передаточных функций фильтров.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]