39. Принцип действия электронного усилителя, принципиальная схема на транзисторе.

Электронным усилителем называют устройство, позволяющее повысить мощность входного электрического сигнала за счет энер­гии источника питания усилителя с помощью усилительных элемен­тов (транзисторов, операционных усилителей и т.п.) при заданном уровне искажений.

Электронные усилители являются одними из наиболее важных и широко используемых устройств в системах передачи и обработки различной информации, представленной с помощью электрических сигналов! Высокая чувствительность, быстродействие, компакт­ность, экономичность электронных усилителей обусловили их широ­кое применение в измерительной технике, электро- и радиосвязи, автоматике, вычислительной технике и т.п.

В зависимости от назначения усилители подразделяются так: а)усилители постоянного тока (ЖЕ); б)усилители низкой частоты (УНЧ); в)усилители высокой частоты (УВЧ); г) избирательные усилители; г)широкополосные (видеоусилители); д)импульсные; е)операционные и т.д.

Операционные усилители относятся к классу многофункцио­нальных, или универсальных, так как с их помощью можно реализо­вать практически любой вид усиления электрического сигнала.

В настоящее время основным элементом электронного усили­тельного устройства является транзистор.

Транзистором называют полупроводниковый прибор, в котором изменение входного электрического сигнала приводит к изменению сопротивления выходной цепи транзистора (транзистор - дословно "преобразователь сопротивления"). Это свойство транзистора мо­жет быть использовано для различных преобразований электри­ческих сигналов (усиление, генерирование, преобразователей фор­мы и т.д.) в электронных стабилизаторах, переключателях и т.п. Существует большое разнообразие транзисторов, отличающихся принципом действия, назначением, мощностью, частотными свойст­вами и другими признаками.

На рис. 1а показано условное графическое и буквенное обозначение таких транзисторов на электрических схемах. На рис. 1б изображена схема подключе­ния внешних элементов, генератора усиливаемого входного напря­жения U_ВХ и  источника питания +U_n к выводам транзистора.

Так как эмиттер является общим, то такое включение транзистора получило название схемы включения с общим эмиттером (ОЭ). Это основная схема включения биполярных транзи­сторов, так как в ней наилучшим образом используются усилитель­ные свойства транзистора. Существуют также схемы включения с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), которые использу­ются реже.

40. Принцип действия генератора гармонических колебаний, принципиальная схема на транзисторе. Электронными генераторами гармонических колебаний называют автоколебательные системы, в которых энер­гия источников питания постоянного тока преобразуется в энергию незатухающих электрических сигналов переменного тока требуемой частоты. Электрические сигналы, формируемые генератором, должны быть стабильными по частоте и амплитуде, синусоидальными по форме. По принципу действия различают генераторы с самовозбуж­дением (автогенераторы) и с внешним (посторонним) возбуждением. Автогенераторы используют в качестве возбудителей колебаний требуемых частот, т. е. задающих генераторов. Получаемые от них колебания поступают в последующие каскады с целью усиления мощности или умножения частоты. Генераторы с внешним возбуж­дением являются по существу усилителями и служат для усиления мощности или умножения частоты высокочастотных колебаний. ^ Рис. 100. Схемы автогенераторов с индуктивной обратной связью: а — функциональная, б — транзисторная, в — ламповая Автогенератор представляет собой резонансный усилитель (нагрузкой служит резонансный контур) с положительной обратной связью, в котором выполнено условие самовозбуж­дения KР=1. Если это условие выполняется только для одной частоты, генерируемые колебания имеют синусоидальную форму, если для многих частот, — сложную форму. Обычно это ус­ловие реализуется в генераторах релаксационных (несинусоидаль­ных) колебаний — мультивибраторах, блокинг-генераторах и др. Принцип действия. Функциональная схема автогенератора (рис. 100, а) состоит из колебательной системы^ КС (обычно конту­ра), в которой возбуждаются требуемые незатухающие колебания; источника электрической энергии ИЭ (источника питания), благо­даря которому в контуре поддерживаются незатухающие колеба­ния; усилительного элемента УЭ (транзистора или лампы), с по­мощью которого регулируется подача энергии от источника в кон­тур; элемента обратной связи ЭОС, который осуществляет подачу возбуждающего переменного напряжения из выходной цепи во входную. По способу осуществления обратной связи различают автоге­нераторы с индуктивной (трансформаторной или автотрансформа­торной) и емкостной ОС. Применяют также схемы двухконтурных генераторов с электронной связью и обратной связью через меж­дуэлектродные емкости. ^ Рис. 101. Изменение токов и напряжений в транзисторной (а) и лам­повой (б) схемах генератора Схемы автогенераторов с индуктивной (трансформаторной) обратной связью показаны на рис. 100, б, в.При включении источ­ников питания в коллекторной (анодной) цепи транзистора (лам­пы) возникает ток коллектора, который заряжает конденсатор колебательного контура. После заряда конденсатор разряжается на катушку, В результате в контуре L_K C_K возникают свободные ко­лебания с частотой fо = 1/(2п\/ L_KC_K), индуктирующие в катушке связи L_c переменное напряжение той же частоты, с которой проис­ходят колебания в контуре. Это напряжение вызывает пульсацию тока коллектора (анода). Переменная составляющая тока воспол­няет потери энергии в контуре, создавая на нем усиленное тран« зистором переменное напряжение. Процесс возникновения колебаний в генераторе показан на рис. 101, а, б. В начальный момент (при включении источника пи­тания) свободные колебания в контуре имеют малую амплитуду, поэтому индуктированное этими колебаниями напряжение возбуж­дения на базе транзистора Uб или сетке лампыU_c невелико. После усиления сигнала усилительным элементом ток в контуре i_K(i*) воз­растает, в результате чего увеличивается амплитуда напряжения возбуждения U6(U_e), а следовательно, и амплитуда тока в контуре. В установившемся режиме рост тока в контуре ограничивается сопротивлением потерь контура а также затуханием, вносимым в контур за счет прохождения тока по обмотке ОС. Незатухающие колебания в контуре автогенератора установятся лишь при выпол­нении фазового (баланс фаз) и амплитудного (баланс амплитуд) условий самовозбуждения генератора

41.

Принцип работы электронного осциллографа.

Простейшая структурная схема осциллографа состоит из трех элементов: усилителя вертикально отклоняющего напряжения , генератора развертки и ЭЛТ.Формирование осциллограммы осуществляется следующим образом.Исследуемое напряжение (его мгновенное значение во времени) через усилитель подают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Под действием этого напряжения электронный луч отклоняется по оси ординат на Y = kSY • Ux(t), где: k – коэффициент усиления усилителя; SY – чувствительность трубки по оси ординат.

Отклонение луча по оси абсцисс осуществляется под действием линейно изменяющемся во времени напряжения развертки Up = at, где а – постоянный коэффициент. x = SxUp = Sz at, где Sx – чувствительность ЭЛТ по оси абсцисс.

В результате совместного воздействия на ЭЛТ вертикально и горизонтально отклоняющих напряжений луч будет перемещаться по известной траектории.

Синхронизация, развертка

Для получения осциллограмм периодических колебаний необходимо, чтобы за каждый период луч перемещается по одной и той же траектории. Это условие выполнимо, если осуществлена синхронизация периода развертки с периодом повторения сигнала, т.е. период развертки устанавливают равным целому числу периодов повторения исследуемого сигнала. Если имеет место режим синхронизации, то началу первого периода развертки t0 соответствует Y = 0. Если осциллограмма состоит из нескольких периодов колебаний то период развертки в n раз больше периода колебаний. При нарушении синхронизации луч отклоняется вверх. Для исследования непериодических импульсных напряжений применяется ждущая развертка. Режим ждущей развертки целесообразен при периодических импульсах большой скважности, что позволяет при изменении скорости развертки установить удобный для наблюдения размер импульса по оси абсцисс.

Кроме линейной развертки для измерения, например фазовых соотношений используют круговую и спиральную развертки.

Осциллографическая электронно-лучевая трубка предназначена для отображения на люминесцентном экране электрических сигналов.

ЭЛТ представляет собой вакуумированную стеклянную колбу, внутри которой находятся электронная пушка, отклоняющая система и люминесцентный экран. Электронная пушка предназначена для формирования узкого пучка электронов и его фокусировки на экран. Электроны испускаются катодом косвенного накала с подогревателем за счет явления термоэлектронной эмиссии. Интенсивность электронного пучка и следовательно яркость пятна на экране регулируется отрицательным относительно катода напряжением на управляющем электроде. Первый анод служит для фокусировки, второй для ускорения электронов.Управляющий электрод и система анодов образуют фокусирующую систему.

Отклоняющая система состоит из двух пар пластин, расположенных горизонтально и вертикально. К горизонтальным пластинам, которые называются пластинами вертикального отклонения, прикладывается исследуемое напряжение. К вертикальным пластинам, которые называются пластинами горизонтального отклонения, прикладывается пилообразное напряжение от генератора развёртки. Под влиянием образующегося электрического поля летящие электроны отклоняются от своей первоначальной траектории пропорционально приложенному напряжению. Светящееся пятно на экране ЭЛТ рисует форму исследуемого сигнала. Благодаря пилообразному напряжению пятно движется по экрану слева направо.

Если на вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины подать два различных сигнала, то на экране можно наблюдать фигуры Лиссажу.

42.

Электроды для съема биоэлектрического сигнала

Электроды – это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой.

При диагностике электроды используются не только для съёма электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнитного воздействия, например в реографии.

К электродам предъявляются определенные требования: онидолжны быстро фиксироваться и

сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не создавать помех, не раздражать биологическую ткань и т. п.

Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для съёма биоэлектрического сигнала, заключается в минимизации потерь полезной информации, особенно на переходном сопротивлении электрод – кожа. Эквивалентная электрическая схема контура, включающего в себя биологическую систему и электроды, изображена на рис. 1.

Рис. 1. Эквивалентная схема съема электробиопотенциалов

Из закона Ома следует, что ΕБП = Ir + IR + IRВХ = IRi+ IRВХ (Ri= r + R),

где ЕБП – ЭДС источника биопотенциалов; r – сопротивление внутренних тканей биологической системы; R – сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней; RВХ – входное сопротивление усилителя биопотенциалов.

Можно условно назвать падение напряжения на входе усилителя«полезным», так как усилитель увеличивает именно эту часть ЭДС источника. Падение напряжения Ir и IR внутри биологической системы и на системе электрод – кожа в этом смысле “бесполезно”. Так как ΕБП задана, а повлиять на уменьшение Ir невозможно, то увеличить долю компоненты IRВХ можно лишь уменьшением R, и прежде всего –сопротивления контакта электрод – кожа.

Для уменьшения переходного сопротивления электрод – кожа стараются увеличить проводимость среды между электродом и кожей, поэтому используют марлевые салфетки, смоченные физиологическим раствором, или электропроводящие пасты. Можно уменьшить это сопротивление, увеличив площадь контакта электрод – кожа, т. е.

увеличив размер электрода, но при этом электрод захватывает несколько эквипотенциальных поверхностей и истинная картина электрического поля будет искажена.

По назначению электроды для съёма биоэлектрического сигнала подразделяют на следующие группы:

1) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, например, для разового снятия электрокардиограммы;

2) для длительного использования, например, при постоянном наблюдении за тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии;

3) для применения на подвижных обследуемых, например, в спортивной или космической медицине;

4) для экстренного использования, например, в условиях скорой помощи.

При пользовании электродами в электрофизиологических исследованиях возникают две специфические проблемы. Одна из них –возникновение гальванической ЭДС при контакте электродов с биологической тканью, другая электролитическая поляризация электродов, что проявляется выделением на электродах продуктов реакций

при прохождении тока, в результате чего возникает встречная по отношению к основной ЭДС.

В обоих случаях возникающие ЭДС искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал. Существуют способы,позволяющие снизить или устранить подобные влияния, однако эти приёмы относятся к электрохимии.

43

Датчики медико-биологической информации

Многие медико-биологические характеристики нельзя «снять»

электродами, так как они не отражаются биоэлектрическими сигналами (давление крови, температура, звуки сердца и многое другое).

Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи и дальнейшего преобразования или регистрации.

Датчик, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи, называется первичным.

В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал.

Использование электрического сигнала

предпочтительнее, чеминых сигналов, так как электронные устройства позволяют сравнительно несложно усиливать его, передавать на расстояние и регистрировать.

Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные – это датчики, которые под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток.

Параметрические – это датчики, в которых под воздействием измеряемого сигнала изменяется какой-либо параметр.

Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина реагирует на изменение входной:

Z = Δy/Δx .

Она в зависимости от вида датчика выражается в омах на миллиметр (Ом/мм), в милливольтах на кельвин ( мВ/К ) и т. д.

Чувствительность последовательной совокупности датчиков равна произведению чувствительности всех датчиков.