5. Разработка структурно-функциональной схемы реографа
Выделим основные блоки в структурной схеме прибора:
ЗГ – задающий генератор;
ИТ – источник тока;
ТР – трансформатор;
ТЭ1, ТЭ2 – токовые электроды;
БО – биообъект;
ИЭ1, ИЭ2 – измерительные электроды;
ИУ – инструментальный усилитель;
Д – детектор пиковый;
ФВЧ – фильтр верхних частот;
ФНЧ1, ФНЧ2 – фильтры нижних частот;
АЦП – аналогово-цифровой преобразователь;
МК – микроконтроллер;
БГР – блок гальванической развязки;
МП – микропроцессор;
М – монитор;
ИП – источник питания.
Генератор зондирующего тока частотой 100 кГц амплитудой 3 мА действующего значения пропускает данный ток через биологический объект.
Токовые электроды служат для пропускания электрического тока.
Измерительные электроды служат для регистрации электрического сопротивления тканей;
Электрические сигналы, имеющие биологическую природу очень малы, поэтому для дальнейшей обработки информации необходимо усилить сигнал, снятый с БО. Для этого используется инструментальный усилитель.
Пиковые детекторы применяются для определения пиковых значений входного колебания.
Фильтр нижних частот с частотой среза 30 Гц и фильтр верхних частот с частотой среза 0,05 Гц необходимы для выделения полосы частот, информативных в реографии.
Для записи, обработки результатов и передачи их в персональный компьютер (ПК) необходимо использовать микроконтроллер.
Гальваническая развязка обеспечивает сопряжение выходного сопротивления генератора с входным сопротивлением биологического объекта.
6. Расчет основных элементов принципиальной схемы биоусилителя
6.1 Расчет разрядности ацп и коэффициентов усиления
Для расчёта коэффициента усиления используются следующие условия:
,
где
- максимальная амплитуда входного
сигнала;
-
коэффициент усиления всей схемы;
-
разрешающая способность;
- разрядность АЦП.
Диапазон измерения базового сопротивления 0 – 200 [Ом], дифференциального сопротивления – 0,01 – 2 [Ом]. Величина измерительного тока 1 [мА].
Для базовой составляющей сигнала получаем:
Максимальное базовое сопротивление 200 Ом, измерительный ток равен 1 мА. Значит, соответствующее ему напряжение равно 200 мВ. Примем шаг равным 0,01 Ом. Тогда соответствующее ему напряжение 10 мкВ.
Из
условия (1) имеем соотношение:
.
Попробуем рассчитать разрешающую способность АЦП, подставив разрядность АЦП, равную 12:
.
1мВ>10 мкВ, значит, предположение
о разрядности неверно.
Дальнейшими подстановками придем к разрядности АЦП, равной 19:
Следовательно,
учитывая соотношения (1) и (2) получаем,
что для базовой составляющй:
и
.
Для дифференциального сопротивления получаем:
Максимальное дифференциальное сопротивление 2 Ом, измерительный ток равен 1 мА. Значит, соответствующее ему напряжение равно 2 мВ. Примем шаг равным 1 мОм. Тогда соответствующее ему напряжение 1 мкВ.
Из
условия (1) имеем соотношение:
.
Следовательно,
получаем, что для дифференциального
сопротивления:
и
.
Распределим коэффициенты усиления следующим образом:
Kбаз.=25, К диф.=2000.
При этом, для усилителя: К=5;
ФВЧ для дифференциальной составляющей сигнала: К=20;
ФНЧ для дифференциальной составляющей сигнала (ФНЧ1): К=20;
ФНЧ для базовой составляющей сигнала (ФНЧ2): К=5.