Четырехканальный реограф на транзисторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Реографией называется метод изучения состояния какой-либо системы и происходящих в ней процессов по изменению электрического сопротивления этой системы для постоянного или переменного тока. Реография - весьма точный метод, так как даже очень малые изменения сопротивления могут быть зарегистрированы современными приборами - реографами.

Реограммой называется кривая, соответствующая зависимости сопротивления исследуемой системы R (или его изменения D R) от времени: R = R(t) или D R= D R(t).

В медицинской диагностике разработаны методики регистрации реограмм любого органа человеческого тела: сердца (реокардиограмма), мозга (реоэнцефалограмма), магистральных сосудов, печени, легких, конечностей и др. При этом вид реограммы дает нужную информацию об изменениях кровенаполнения органа при пульсациях сердца, о скорости кровотока, состоянии сосудистой системы и др. Такая информация существенно дополняет, в частности, результаты электрографического обследования при диагностике сердечно - сосудистых и других патологий, поэтому реография часто применяется в комплексе с ЭКГ, ЭЭГ и т.д.

Реографическое обследование практически совершенно безвредно для пациента, так как проходящие через него при этом токи имеют очень малую величину. Поэтому реографическое обследование может продолжаться в течение длительного времени (например, при функциональной диагностике), либо неоднократно повторяться.

В настоящее время метод реографии считается весьма перспективным и широко используется в различных областях клинической диагностики и в физиологических исследованиях.

1. Медико-технические требования

реографический электрический ток транзистор

Биологические ткани, в том числе ткани тела человека, способны проводить электрический ток. Основными носителями заряда в них являются ионы. Наибольшей удельной электропроводимостью (g), то есть наименьшим удельным сопротивлением (r), обладают ярко выраженные электролиты - спинномозговая жидкость и кровь. Жировая, костная ткани, а также сухая кожа, имеют очень малую. Рассмотрим схему измерения сопротивления органа или участка тела O (рис. 1).

Рисунок 1 Схема измерения сопротивления

Сила тока протекающая через участок О, измеряемая миллиамперметром тА; U - напряжение между электродами Э-Э, измеряемое вольтметром V, то

R=U/I

Сопротивление R должно изменяться в такт с сердечными сокращениями, поскольку во время них происходят изменения кровенаполнения органа. Однако практически эти изменения так малы (десятые доли Ом и меньше), что не могут быть надежно зарегистрированы на фоне большого общего сопротивления участка О (обусловленного большим сопротивлением кожи, межтканевых границ раздела, переходным сопротивлением кожа- электрод и др.). Кроме того, истинное сопротивление участка тела на постоянном токе вообще трудно зарегистрировать из-за возникающей поляризации тканей и появления дополнительных зарядов на электродах. По этим причинам в медицинской реографии не используется постоянный ток, а вместо него применяется переменный ток большой частоты (порядка 100 кГц).

При подаче на электроды Э-Э (рис. 2) переменного напряжения

Э-Э =U0sinщt (1)

в цепи исследуемого объекта О протекает переменный ток, изменяющийся по закону

О =I0sin(щt-ц0), (2)

щ=2рх

циклическая частота; х - частота переменного тока; ц0 - сдвиг по фазе между током и напряжением.

Рисунок 2 Подача на электроды переменного напряжения

Величина= U0/I0 (3)

называется, полным сопротивлением или импедансом объекта и зависит как от свойств самого объекта (электрического сопротивления R, емкости С и индуктивности L объекта), так и от частоты переменного тока.

В тканях тела человека структур, обладающих индуктивными свойствами, не обнаружено. Однако клеточные мембраны, а также границы раздела между различными тканями в определенном смысле подобны конденсаторам (при прохождении тока в них возникает двойной электрический слой зарядов), поэтому любой участок тела обладает более или менее значительной емкостью С.

Так как емкостное сопротивление Rc уменьшается при увеличении частоты переменного тока х по закону

c = 1/2рхС = 1/щС, (4)

то можно ожидать, что и полное сопротивление (импеданс) участка тела также будет убывать с частотой.

Действительно, характерная зависимость импеданса живой ткани Z от частоты переменного тока n имеет вид, представленный на рис. 3.

Рисунок 3 Зависимость импеданса живой ткани

При малых частотах n (до 104 Гц) импеданс велик и примерно равен активному сопротивлению R ткани для постоянного тока. При больших частотах Z уменьшается, достигая n ~ 108 Гц некоторого минимального значения R'.

Такая зависимость импеданса от частоты может быть приближенно моделирована электрической схемой, представленной на рис. 4.



Рисунок 4 Модель электрической схемы отражающей зависимость импеданса от частоты

В медицинской реографии используются частоты переменного тока порядка 100 кГц. При столь больших частотах общий импеданс исследуемого органа или участка тела уменьшается и значительно большей степени зависит от кровенаполнения органа. Поэтому относительные изменения импеданса во время сердечных сокращений становятся большими, и их регистрация значительно облегчается. Причем эти изменения практически определяются лишь изменением активной составляющей R полного импеданса исследуемого органа, так как емкостная составляющая на используемых частотах при изменении кровенаполнения изменяется совершенно незначительно.

2. Описание физического метода измерения

2.1 Структурная схема реографа

Реограф имеет общий генератор и 4 идентичных канала (с автономным витанием). Напряжение высокой частоты поступает с генератора через обмотки связи на преобразователи каналов, где изменения сопротивления пациента (для токов в.ч) преобразуется в пропорциональные изменения напряжения низкой частоты. Блок схема реографа изображена на рисунке 5.

Рисунок 5 Блок схема реографа

Генератором высокочастотного напряжения в реографе является двухтактный автогенератор с индуктивными связями на транзисторах Т1 Т2 и трансформаторе Тр-1. Высокочастотное напряжение - 2,5 в (эф) подается с четырех выходных обмоток на преобразователи каналов.

Преобразователь по схеме балансного демодулятора состоит из сопротивлений: эквивалента (R7) или R пациента, R баланса (R8), R14, R15, диодов Д1 + Д4 и конденсатора C2. Напряжение в.ч. подается на средние точки измерительной (R7, R 8) и усилительной (R14, R15) диагоналей демодулятора. При равенстве плеч измерительной диагонали (R7= R8 или Rпац = R8) на выходе демодулятора сигнал отсутствует. При изменении сопротивления пациента на выходе демодулятора появляется постоянное напряжение, пропорциональное изменению сопротивления. Преобразователь имеет образную характеристику, линейную в весьма широком диапазоне разбалансировок и неизменную фазовую характеристику, при переходе черев нуль (положение баланса). Низкочастотный сигнал (пропорциональный изменению входного импеданса) с емкостной нагрузки демодулятора С2 поступает на усилитель постоянного тока.

3) Калибровка производится с изменением сопротивления, включенного последовательно с сопротивлением пациента. Кнопкой калибровки сопротивление, стоящее в цепи пациента - R1 замыкается набором сопротивлений R2 + R6 различной величине в зависимости от амплитуды калибровки. Калибратор собран, из сопротивлений УЛИ-1% что обеспечивает точность калибровочных импульсов. Для калибровки в отсутствии реограммы (с целью избавления от ошибок) возникающих за счет инерционности перьев) предусматривается возможность переключения на эквивалентное сопротивление Rэкв, подключаемое взамен пациента.

Индикатором настройки и контроля питания служит микроамперметр М-592, подключаемый либо к выходу демодулятора настраиваемого канала, либо к источнику питания генератора. При работе индикатор отключается от настраиваемого канала для устранения 50 Гц. наводки и шунтирования сигнала.

Парафазный усилитель постоянного тока собран по схеме с общим эмиттером на малошумящих транзисторах Т2, Т3 типа П-28. Усилитель балансируется потенциометром, уставленным в цепи нагрузки Р17. Потенциометром Р13 в цепи базового смещения регулируется усиление. При правильном выборе режима транзисторов шумы прибора, приведенные ко входу, не превышают 0,0025 Ом. Малый температурный и временной дрейф - обеспечивается согласованием с демодулятором и тщательным подбором транзисторов.

Сигнал с нагрузки усилителя поступает на симметричный плавный аттенюатор для возможности установки амплитуды сигнала необходимой величины. Далее сигнал поступает на переключатель полосы пропускания канала, обеспечивая в положении 0-500 гц запись, на регистратор, имеющий УПТ, реоплетизмограммы.

Для дифференцирования реограммы сигнал с выхода усилителя подается на дифцепочку PC, имеющую постоянную времени дифференцирования 10 мсек.

Реограф имеет 5 автономных источников питания для получения минимальных связей по каналам. Источники питания (батареи КБСЛ-0,5; "Сатурн") не имеют общих точек между собой и корпусом прибора.

Принципиальная электрическая схема прибора изображена на рисунке 6.

Рисунок 6 Принципиальная электрическая схема реографа 4-РГ-1

2.2 Специфические требования к реографу

Четырехканальный реограф на транзисторах с питанием от батарей предназначен для ведения научно- исследовательских работ по изучению кровенаполнения различных органов а тканей человека и животных (реофаэография, реоэнцефалография и.т.д.).

С помощью реографа можно исследовать относительный обмен кровенаполнения, скорость и интенсивность пульсовой волны, сосудистый тонус и т.д.

Реограф может быть применен для диагностики различных поражений. сердца, сосудистых поражений головного мозга, в хирургической практике и,т.д.

Намерение вышеуказанных параметров производится ''методом импедансной плетизмографии. Интересующей участок зондируется высокочастотным напряженней,, для которого он представляет определенное сопротивление, Изменение этого сопротивления при изменении кровотока преобразуется в электрический сигнал и регистрируется кардиографом ЭЛКАР-4 или энцефалографом 4ЭЭГ-1 (или другим регистратором подобного типа при соответствующем исключении к его входному разъему).

При используемых в реографе частотах переменного тока емкостное сопротивление биообъекта мало, и полный импеданс приближенно равен активной составляющей сопротивления R. В случае, если с помощью потенциометра установить RЩ=R, напряжение на выходе измерителя и демодулятора (отсутствует, что и регистрируется индикатором. Такого баланса обычно добиваются в начале работы с реографом. По шкале потенциометра при этом определяют сопротивление биообъекта R=RЩ. Отметим, что вместо биообъекта в измерительную цепь моста может быть включено эквивалентное переменное сопротивление, которое можно подобрать равным RЩ, так что RЩ=R=Rэкв.

В случае, когда сопротивление биообъекта R слабо и медленно (например, с частотой сердечных сокращений) изменяется во времени (рис. 7а), высокочастотное напряжение генератора (рис. 7б) на выходе измерителя U1 (рис. 7в) оказывается уже не равным нулю, а модулированным значением ?R(t). Демодулятор, представляющий собой выпрямитель на диодах, выделяет медленно изменяющуюся часть ("огибающую") этого сигнала U2 (рис. 7г), прямо пропорциональную изменениям ?R сопротивления биообъекта:

2 = k1?R, k1 = const (5)

Это напряжение обычно бывает, однако, очень мало и не может быть непосредственно зарегистрировано индикатором или регистратором. Поэтому напряжение U2 подается, вначале на усилитель. Усиленное напряжение U3 (рис. 7д)

3 = k2U2 = k1k2?R, k2 = const (6)

то есть

3 = k?R, k = k1k2 (7)

поступает с выхода реографа на регистратор где наблюдается реограмма (рис. 7е)

?x = qU3 = kq?R (q = const), (8)

?x = p?R, p = kq = const (9)

где ?x - величина смещения шкалы регистратора (например, пера электрокардиографа, луча осциллоскопа и т.д.). График зависимости ?x(t), прямо пропорциональный изменениям сопротивления биообъекта ?R(t), и представляет собой реограмму.

Рисунок 7 построение реограммы биообъекта

2.3 Технические характеристики реографа

Количество каналов:

Реограммы…………………………………………………………4

дифференцированной реограммы……………………………………..4

Частота генератора……………………………………………...120 кГц

Чувствительность каналов (при R6 = 100 ом)...не ниже 3 мВ на 0,1 Ом

Диапазон настройки…………………………………………..25 + 500 Ом

Амплитуда калибровок (в Ом)… ……………...0,2; 0,1;0,05; 0,02

Допустимый уход баланса:

(при уменьшении реограммы на 10%)………±5 Ом (R6 = 100 Ом)

Собственные шумы, приведенные к входу не более………..0,0025 Ом

Взаимовлияния каналов (на эквиваленте)…… ……. не более 2%

Выходное сопротивление при записи реограммы……………...5 кОм

Выходное сопротивление при записи дифф. реограммы………200 кОм

Полоса пропускания…………………….0-500 Гц; 0,2-500 Гц

Ток высокой частоты через объект не более………………...2,5 мА

Постоянная дифференцирования…………………10 мс

Время непрерывной работы без смены питания:

- генератора не менее…………………………………...100 час.

- усилителей не менее…………………………………..500 час.

Габаритные размеры………………………….324 х 234 х 120 ммс прибора (без соединительных шлангов)…………… ………....4,8 кг

2.4 Конструкция прибора

Прибор выполнен в виде малогабаритного блока с наклонной лицевой панелью, на которую выведены вое ручки управления. В центре панели расположены общие органы управления, слева и справа - попарно - симметрично органы управления каждым каналом (рис. 3).

Общие органы управления:

Тумблер включения генератора………………………………..5

Тумблер включения каналов……………………………………2

Микроамперметр (индикатор)……………………………….....4

Переключатель амплитуда калибровки……………………....11

Кнопки калибровки…………………………………………….13

Переключатель настройки и контроля…………………….....12

Органы управления каналами:

Входные гнезда для подключения пациента…………………..16

Эквивалентное сопротивление…………………………………15

Тумблер подключений эквивалента либо пациента…………..14

Сопротивление баланса………………………………………....17

Ручка усиления…………………………………………………....6

Переключатель полосы пропускания…………………………....1

Батареи питания генератора (9) и каналов (10) расположены на нижнем основании прибора. На задней стенке расположен выходной разъем (З, 8) а клеммы заземления прибора (7).

Рисунок 8 Внешний вид реографа 4-РГ-1

3. Расчет ВЧ генератора

На рисунке 4 избражена принципиальная электрическая схема транзисторного ВЧ генератора.

Рисунок 9 Транзисторный ВЧ генератор

Основными техническими данными для расчета транзисторного LC-генератора являются: выходная мощность, отдаваемая автогенератором в нагрузку, Рвых и частота генерируемых колебаний fр.

Выбираем тип транзистора. При заданном значении Рвых мощность Рк, которую должен отдать транзистор в контур, составляет

РК =Рвых/зк,

Вт

Где зк, - КПД контура.

При повышенных требованиях к стабильности частоты автогенератора КПД контура зк выбирают в пределах 0,1…1,2. В остальных случаях его можно увеличить до 0,5…0,8.

Выбирая транзистор, необходимо исходить из условий

РК max >PK,max ?fp,

где РК max -максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора выбранного транзистора; fmax -максимальная частота генерации биполярного транзистора; выбранного типа. Параметры РК max = 0,4Вт. и fmax = 200 МГц. высокочастотных транзисторов приведены в справочнике по полупроводниковым приборам (взяли транзистор КТ 668В, или его аналог BС393)

Рассчитываем энергетический режим работы генератора. Выбираем импульс коллекторного тока косинусоидальной формы. Считая, что в критическом режиме угол отсечки тока коллектора и=90°,по графикам (рис. 5) находим коэффициенты разложения импульса коллекторного тока б1=0,5; б0=0,318.

Находим усредненное время движения фп носителей тока между p-n переходами транзистора по формуле

фп?1/2рfmax

c

Вычисляем угол пробега носителей тока

цпр=2рfрфп

Вычисленное по формуле значение цпр выражаем в градусах. При этом учитываем, что при цпр=2р угол цпр=360°. Находим угол отсечки тока эмиттера

иэ=и-ц°пр

;

По графикам (рис. 5) определяем коэффициенты разложения импульса эмитерного тока б1(Э) и б0(Э)

Рисунок 10 График для определения значений

Напряжение питания можно определить по формуле при этом Uk берем в пределах 0,8…1,2 В:

;

Коэффициент использования коллекторного напряжения выбираем из соотношения:

о=1-2Рк/Ек2Sкрб1

;

где Sкр - крутизна линии критического режима выбранного транзистора (при отсутствии данного параметра в справочнике значение Sкр определяют графически в семействе идеализированных выходных характеристик транзистора; из справочника возьмем Sкр=0,03).

Определяем основные электрические параметры режима:

амплитуду переменного напряжения на контуре

мк=о|Ek|;

амплитуду первой гармоники коллекторного тока

K1m=2PK/Umk;

Постоянную составляющую коллекторного тока

Kпост=б0IK1m/б1

;

максимальное значение импульса тока коллектора

Kи max= IK1m/б1

;

мощность, расходуемую источником тока в цепи коллектора

Р0=IKпост|Ek|;

;

мощность, рассеваемую на коллекторе

РК рас=Р0-РК

;

причем необходимо, чтобы

РК рас<РK max

КПД по цепи коллектора

з=РК/Р0

;

Эквивалентное резонансное сопротивление контура в цепи коллектора

рез=Umk/IK1m

;

Находим коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОБ на рабочей частоте

21б(fp)=h21б/

;

Где h21б(fp) - коэффициент передачи тока; f h21б(fp)-предельная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора выбранного типа.

Для определения параметра h21б (значение которого не всегда приводится в справочниках) может быть использована формула

21б= h21э/(1+ h21э)

;

где h21э-коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ.

Определяем амплитуду первой гармоники тока эмиттера

Э1m=IK1m/ h21б(fp)

;

Находим амплитуду импульса тока эмиттера

Э u max= IЭ1m/б1(Э)

;

Рассчитываем амплитудное значение напряжения возбуждения на базе транзистора, необходимое для обеспечения импульса тока эмиттера IЭ u max без учета влияния частоты

БЭm= IЭ u max/(1-cosиэ)S0

;

где S0-крутизна характеристики тока коллектора.

Определяем напряжение смещения на базе, обеспечивающее угол отсечки тока эмиттера,

БЭсм=Ес+ UБЭmcosиэ

;

где Ес - напряжение среза.

В случаях, когда значение напряжения среза в справочниках не приводится, его можно найти по идеализированным (спрямленным) характеристикам транзистора или ориентировочно принять равным Ес=(0,1…0,2)В (полярность Ес зависит от типа транзистора: для транзисторов p-n-p на базу подается отрицательное, а для транзисторов n-p-n положительное напряжение смещения).

Находим коэффициент обратной связи

Ксв= UБЭm/Umk

;

Для выполнения условия баланса амплитуд необходимо выполнить условие

Ксв? Ксв min=1/S0Rрез

;

Рассчитываем сопротивление резисторов R1и R2. Для этого задаемся током делителя, проходящим через эти резисторы

Д?5IБпост

;

где IБпост - постоянная составляющая тока базы выбранного транзистора. Величину IБпост можно найти по формуле

Бпост=IKпост/h21Э

;

(h21Э - статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора выбранного типа в схеме с общим эмиттером).

Зная IД, находим R2 по формуле

2= UБЭсм/ IД

;

Поскольку ток делителя на много превышает ток базы транзистора, последний не изменит существенно ток, протекающий через резистор R1. поэтому

1=(Ek-UБЭсм)/IД

;

Мощность, рассеиваемая на резисторах R1 и R2, соответственно равна PR1=I2ДR1; PR2=I2ДR2. С учетом этих значений выбираем стандартный тип резисторов R1 и R2 по шкале номинальных сопротивлений резисторов.

Находим емкость разделительного конденсатора С1 С1?(10…20) Сэ, где Сэ - емкость эмитерного перехода транзистора.

С1 = 15·70 Пф = 1 нФ

Элементы цепочки термостабилизации R3C2 определяются так же, как и при расчете избирательного усилителя на транзисторе

R3?UЭ/IЭпост

;

где UЭ падение напряжения на резисторе эмиттерной стабилизации (порядка (0,7…1,5)В); IЭпост - постоянный ток эмиттера (IЭпост?IКпост).

Емкость конденсатора С2 равна

С2?(15…30)103/fpR3

;

Где С2 выражается в микрофарадах; fp - мегагерцах; R3 - в килоомах

Стандартные значения R3 и С2 выбираются по шкале нормальных значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов

Определяем параметры контура.

Добротность нагруженного контура подсчитывается по формуле

Q'=Q(1-зк)

;

где зк - КПД контура.

Находим минимальную общую емкость контура Ск min по приближенной формуле

Ск min?(1…2)лр

;

лр - рабочая длина волны колебаний (лр=с/fp, где с - скорость света), м; Ск min выражается в пикофарадах).

В общую емкость контура Ск min входят емкость конденсатора С3 (рис. 9.2 а) и выносимые (паразитные) емкости: выходная емкость транзистора, емкость катушки контура, емкость монтажа и др. Общая величина вносимой емкости Свн обычно составляет десятки пикофарад. Следовательно, емкость конденсатора контура С3 мажет быть найдена по формуле

С3? Ск min-Свн

;

Вполне понятно, что формула позволяет установить лишь ориентировочное значение емкости С3; более точное значение определяется в процессе настройки схемы.

Рассчитываем общую индуктивность контура Lk

k=0.282л2p/Ск min

;

где Lk выражается в микрогенри; лр - в метрах; Ск min - в пикофарадах.

Определим волновое (характеристическое) сопротивление контура

с=103

;

(с выражается в омах; Lk - в микрогенри; Ск min - в пикофарадах.

Находим сопротивление потерь контура

п=с/Q'

;

Рассчитываем сопротивление, вносимое в контур

вн= Rпзк/(1-зк)

;

Полное сопротивление контура равно

K= Rп+ Rвн

;

Определяем амплитуду колебательного тока в нагруженном контуре

mk=

;

Находим величину индуктивности L2 связи контура с базой транзистора (приложение)

2=KсвLk

;

Определяем величину индуктивности связи контура с коллектором транзистора

1=Lk-L2

;

4. Расчет аттенюатора

Схема аттенюатора на основе одного трехдецибельного моста представлена на рисунке 6. Вход и выход являются взаимно развязанными плечами. Мощность, поступающая на вход аттенюатора, делится поровну между плечами моста, к которым подключены p-i-n - диоды. Падающая мощность частично поглощается диодами, частично отражается. Отраженные сигналы складываются синфазно на выходе и противофазно на входе. Аттенюатор оказывается согласованным с генератором при любых сопротивлениях диодов.

Рисунок 12 Схема аттенюатора

В схеме будем использовать p-i-n - диод 2А503А, имеющий подходящие электрические параметры и конструктивное исполнение. Внешний вид диода показан на рисунке 13.

Рисунок 13 Внешний вид диода АА721А

Необходимым требованиям отвечает двухшлейфный направленный ответвитель, представляющий собой два отрезка линии передачи, соединенных между собой двумя шлейфами, длина которых равна четверти длины волны в линии (рисунок 8,9).

Рисунок 14 Топология двухшлейфного направленного ответвителя

Рисунок 15 Топология двухшлейфного направленного ответвителя

В данном ответвителе

Ом,

а Ом.

При Zв = 35,35 Ом, ширина микрополосковой линии W = 2,13 мм, длина волны в линии

мм,

мм.

При Zв = 50 Ом, ширина микрополосковой линии W = 1,01 мм, длина волны в линии

мм,

мм.

Требуется рассчитать блокировочный дроссель L2 и блокировочную емкость С1, а также разделительные емкости С2 и С3.

,

где .

нГн.

Выберем L2 = 22нГн.

Емкости выбираем из условия:

;

Ф.

Выберем Сбл = 4,7 пФ.

Разделительные емкости найдем из условия:

Ом.

Тогда

Ф.

Выберем Ср = 47 пФ.

Заключение

В данной курсовой работе был рассмотрен реограф 4-РГ-1. Были отображены его структурная и принципиальная схемы, внешний вид, технические данные. Подробно описан принцип работы прибора, а так же принцип измерения и построения реограммы.

Список литературы

1. Кулаичев А.П. Компьютерная электрофизиология в клинической и исследовательской практике. М.: НПО,1999

2. http://lainslav.narod.ru/med.files/reograf.htm

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: МИР, 1982

4. Маята В.С. Диагностическая и терапевтическая техника. М.: Медицина, 1969

Размещено на Allbest.ru

...