КоврижныхДВ_Лаб.практикум по мед.электронике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 ИЗУЧЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ.

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИГНАЛОВ

Цель работы: исследование дифференциального усилителя, изучение спектрального анализа сигналов негармонической формы.

Теоретическая подготовка:

Для подготовки к данной работе повторите теоретический материал по теме «Дифференциальный усилитель» [10; сс. 161–164].

Применение дифференциальных усилителей в медицинской электронной аппаратуре обусловлено их высоким входным сопротивлением, практически нулевым коэффициентом усиления синфазных сигналов, а также возможностью использования дифференциальных усилителей в качестве усилителей постоянного тока. Например, в электрографии при усилении разности потенциалов на различных отведениях в наибольшей степени усиливается полезный сигнал, имеющий частотный диапазон в электрокардиографии от 0,5 до 120 Гц, электромиографии — от 1,0 до 1000 Гц, электроэнцефалографии — от 1,0 до 300 Гц, в то время как синфазные наводки и помехи от блока питания, токонесущих проводов и т.д. практически не усиливаются.

Кроме того, дифференциальные усилители представляют собой важнейшую часть операционных усилителей. Широкое применение в диагностической медицинской аппаратуре нашли операционные усилители, в которых дифференциальные усилители выполнены на полевых транзисторах, имеющих практически нулевые входные токи.

Порядок выполнения работы: I Изучение работы дифференциального усилителя.

I.1. Для исследования работы дифференциального усилителя необходимо собрать схему, изображенную на Рис. 6.1.

Рисунок 6.1. Схема для изучения дифференциального усилителя.

41

Схема для изучения дифференциального усилителя содержит дифференциальный каскад на транзисторах VT1 и VT2, стабилизатор тока на транзисторе VT3, резисторы задания статического режима (R1s, R2s, R3s), блокировочный конденсатор Cb в цепи питания, источники входного сигнала E1 и E2, внутренние сопротивления которых задаются резисторами R1i и R2i, а также измерительные приборы — вольтметры и осциллограф. Для исследования цепи в режиме переменного тока, необходимо перевести вольтметры в режиме измерения переменного напряжения (AC), а осциллограф — в режим «закрытого входа»

(AC).

I.2. Исследуйте зависимость выходного напряжения, измеренного с помощью осциллографа, от разности фаз, которая будет задаваться на источнике входного сигнала E1 — от 0° (синфазный сигнал) до 180° (дифференциальный сигнал). Заполните Таблицу 6.1. По экспериментальный данным Таблицы 6.1 постройте график зависимости выходного дифференциального напряжения UВЫХдиф от разности фаз входных сигналов ∆ϕ.

Таблица 6.1.

Разность фаз ∆ϕ

UВЫХдиф

I.3. Установить значения начальной фазы на источнике входного сигнала E1 180°. Исследовать зависимость выходного дифференциального напряжения UВЫХдиф от величины входных сигналов, заполнить Таблицу 6.2.

Таблица 6.2.

Постройте семейство графиков зависимости UВЫХдиф от E1 для указанных значений E2. Сделайте выводы.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ СРС. II Спектральный анализ сигналов различной формы.

II.1. Рассмотрим пример спектрального анализа сигналов негармонической формы. Для этого соберите схему, изображенную на Рис. 6.2.

Рисунок 6.2. Схема для спектрального анализа сигналов негармонической формы.

42

Как показано на Рис. 6.2, спектральный анализ будет произведен на примере сигнала прямоугольной формы с частотой 1000 Гц и скважностью 50%. На схеме необходимо выбрать точку, по которой будут проводиться измерения. Для этого необходимо вызвать свойства узла, расположенного на схеме выше нагрузочного резистора, выбрать закладку «Node» (узел) и поставить галочку «Display node label» (показывать метку узла), а также проверить отметку «Use as testpoint» (использовать как контрольную точку) как показано на Рис. 6.3. После этого метка узла появится на схеме, как показано на Рис. 6.2.

Рисунок 6.3. Установка меток в свойствах узла схемы.

II.2. В меню Analysis выберите Fourier, как показано на Рис. 6.4.

Рисунок 6.4. Меню Analysis программы Electronics Workbench.

В появившемся окне анализа Фурье выберите узел расчета выходных параметров (Output node), введите значение частоты основной гармоники (Fundamental frequency), установите число гармоник (Number of harmonics) и поставьте отметку «Отображать фазу» (Display phase), как это показано на Рис. 6.5. Также в окне анализа Фурье можно выбрать тип вертикальной шкалы (линейный — Linear, логарифмический — Log, в децибелах — Decibel). После выбора необходимых установок необходимо нажать кнопку Simulate.

43

распределения: частота (х1, х2), амплитуда (у1, у2), разность параметров и их обратные величины (dx, dy, 1/dx, 1/dy), а также их минимальные и максимальные значения (min x, max

x, min y, max y). Нажатие кнопки позволяет наносить координатную сетку. Рис. 6.7 иллюстрирует положение одной из визирных линеек с выводом данных в сводной таблице.

Рисунок 6.7. Окно анализа Фурье программы Electronics Workbench с визирной линейкой.

В Таблице 6.3 сведены полученные с помощью визирной линейки результаты для первых пяти гармоник прямоугольного сигнала.

Таблица 6.3.

II.3. Для проверки полученных результатов соберем схему, изображенную на Рис. 6.8.

Рисунок 6.8. Схема для проверки Фурье-анализа.

45

С помощью данной схемы будет произведен синтез сигнала из полученных параметров распределения, при этом в свойствах генераторов переменных напряжений установлены значения напряжений, частот и разности фаз, соответствующие полученным гармоникам. С учетом того, что в свойствах генератора переменного (гармонического) напряжения можно установить только положительные значения фазового угла, то на Рис. 6.8 показаны соответствующие полученным положительные значения.

Последовательно подключенные к источникам переменного напряжения резисторы предназначены для обозначения внутреннего сопротивления. Для наглядного представления процесса восстановления сигнала, каждый источник подключается к цепи с помощью отдельно управляемых ключей (на представленной схеме ключи управляются с помощью клавиш A, B, C, D и E).

II.4. Повторите Фурье–анализ (пп. 5–7) для сигнала частотой 1000 Гц прямоугольной формы с выводом 10 гармоник (для этого необходимо в окне Фурье–анализа установить 20 гармоник, см. Рис. 6.5).

II.5. Получите гармонический спектр аналогично пп. 5–7 для прямоугольного сигнала частотой 500 Гц и скважностью 25%, а также для треугольного сигнала частотой 1000 Гц.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1.Дифференциальный усилитель. Устройство, назначение.

2.Понятия синфазного и дифференциального сигналов.

3.Зависимость выходного дифференциального напряжения от разности фаз и величины входных переменных напряжений.

4.Фурье–анализ в программе Electronics Workbench.

Подготовьте реферат на одну из тем:

1.Схема и принцип работы дифференциального усилителя на полевых транзисторах.

2.Применение дифференциальных усилителей в электромедицинской диагностической аппаратуре.

3.Усилители постоянного тока. Устройство, принцип работы и назначение.

4.Спектральный анализ в лабораторных медико-биологических исследованиях.

5.Применение спектрального анализа биоэлектрических сигналов в современной медицинской диагностике.

46

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7 ИЗУЧЕНИЕ НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ.

НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ СУММАТОР. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ В НАПРЯЖЕНИЕ

Цель лабораторной работы: исследование характеристик неинвертирующего усилителя, а также схем на основе неинвертирующего усилителя — неинвертирующего сумматора и преобразователя сопротивления в напряжение.

Теоретическая подготовка:

Для подготовки к данной работе повторите теоретический материал по теме «Операционный усилитель и аналоговый перемножитель» [10; сс. 164–165].

Операционные усилители нашли широкое применение в медицинской электронной аппаратуре благодаря большому входному сопротивлению, возможности задавать большие коэффициенты усиления, а также возможности использования операционных усилителей в качестве усилителей постоянного тока. Особенно широко операционные усилители используются в электрокардиографах и электроэнцефалографах. На Рис. 7.1 приведена иллюстрация из [13], наглядно демонстрирующая упрощенную схему применения операционных усилителей в электрокардиографах.

Рисунок 7.1. Использование операционного усилителя в электрокардиографии (по Л. Кромвеллу).

Порядок выполнения работы: I Изучение работы неинвертирующего усилителя.

I.1. Для изучения неинвертирующего операционного усилителя необходимо рассчитать сопротивления R1 и RОС для заданных значений коэффициентов усиления и опорного

47

I.2. Проверим экспериментально правильность подбора значений резисторов и соответствия теории практике. Соберите схему, изображенную на Рис. 7.2.

Рисунок 7.2. Схема неинвертирующего усилителя.

Уровень входного напряжения не должен превышать 0,1 В, нагрузочный резистор имеет сопротивление RН = 100 кОм, сопротивление резистора R2 равно сопротивлению R1. Подберите значения делителя напряжения на канал А и канал В так, чтобы обе осциллограммы полностью помещались на экране, но не перекрывали полностью друг друга. Установите рассчитанные значения резисторов R1 и RОС и измерьте амплитудные значения выходного напряжения. Заполните Таблицу 7.2.

Таблица 7.2.

По полученным данным рассчитайте эффективные значения выходного напряжения и заполните Таблицу 7.3.

Таблица 7.3.

По полученным эффективным значениям выходного напряжения рассчитайте коэффициенты усиления неинвертирующего усилителя. Заполните Таблицу 7.4.

Таблица 7.4.

Сравните полученные данные в Таблицах 7.1 и 7.4. Сделайте выводы.

48

II Изучение работы неинвертирующего сумматора.

II.1. Операционные усилители можно использовать для построения схем, выполняющих различные алгебраические операции. Для выполнения простого суммирования, при котором знак суммы не будет меняться на противоположенный, может использоваться схема неинвертирующего сумматора, изображенная на Рис. 7.3.

Рисунок 7.3. Схема неинвертирующего сумматора.

Сигнал на выходе данной схемы может быть рассчитать по формуле:

UВЫХ = U1 * K1 + U2 * K2,

где K1 и K2 – масштабирующие коэффициенты:

K1 = R3 / R1 и K2 = R3 / R2.

Обязательно соблюдение условия баланса:

Roc R4 = R3 R1 +R3 R2 .

Рассчитайте значения сопротивления RОС для R3 = 50 кОм, R4 = 100 кОм и заданных значений R1 и R2 с учетом условия баланса. Заполните Таблицу 7.5.

Таблица 7.5.

Установите заданные значения R1, R2 и RОС. Определите экспериментальные значения выходного напряжения UВЫХ и заполните Таблицу 7.6.

Таблица 7.6.

49

100 кОм

Рассчитайте теоретические значения выходного напряжения UВЫХ и заполните Таблицу 7.7.

Таблица 7.7.

Сравните полученные результаты и сделайте выводы.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ СРС.

III Изучение преобразователя сопротивления в напряжение.

III.1. В Лабораторной работе № 5 мы рассматривали простейшую схему, имитирующую ту часть полиграфа, которая отвечает за регистрацию изменения электрокожного сопротивления. При оценке психофизиологического состояния пациента используется метод кожно-гальванической реакции — метод регистрации биоэлектрической активности кожи как показателя непроизвольной вегетативной активности. При этом необходимо регистрировать кожно-гальваническую реакцию в течение продолжительного промежутка времени (порядка 9 мин.). Для регистрации КГР может осуществляться замер разности кожных потенциалов (метод Тарханова) или изменения кожного сопротивления (метод Фере). Если при регистрации КГР по Тарханову выходная величина (электрический потенциал) имеет приемлемый для регистрации, обработки и хранения вид, то при регистрации электрокожного сопротивления по методу Фере необходимо преобразовать сопротивление в параметр, который можно автоматически фиксировать и обрабатывать. Как правило, таким параметром является электрическое напряжение.

На Рис. 7.4 приведена простейшая схема преобразования электрического сопротивления в электрическое напряжение. В ней используются: переменный резистор (см. Лабораторную работу № 1), стабилитрон (Лабораторную работу № 2), источник тока на полевом транзисторе (Лабораторную работу № 4) и операционный усилитель.

Рисунок 7.4. Схема преобразователя сопротивления в напряжение.

50