Генератор импульсов ЭКГ типа EMG-4594

Размещено на http://www.allbest.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт Нефти и Газа

Кафедра «КС»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Электроника»

на тему

«Генератор импульсов ЭКГ типа EMG-4594»

Выполнил: студент гр. БМС-07-1 Шевцов Денис

Проверил: Мусихин С.А.

Тюмень 2010

ВВЕДЕНИЕ

Выходной сигнал генератора ЭКГ типа EMG-4594 является имитацией напряжения действия сердца, следовательно с его помощью может быть выполнен контроль работоспособности электрокардиографа без нагрузки пациента. Постоянство выходного сигнала прибора позволяет сравнения качества записи различных электрокардиографов. При помощи калибровочного напряжения может проверяться точность калибрующей цепи встроенной в электрокардиограф.

Питание прибора от батареи обеспечивает удобство обслуживания и позволяет независимое от сети испытание батарейныхпереносных электрокардиографов.

Таким образом, прибор "СОВ -1" является полезным помощником для врачей-специалистов по ЭКГ и специалистов ремонтнообслуживающих станций.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Выходной сигнал: обобщенный сигнал ЭКГ с зубцами

J. Q, Р., s, т

Частота: 1 Гц +- 15%

Амплитуда: 2 мВ от пика до пика +- 30%

Выходное полное сопротивление; 1 кОм +- 20%

Калибровочный сигнал: 1 мВ +-5%

Напряжение питания: 9 В - 20%

Потребляемый ток: 10 мА

Прочие данные

Питание: от сухой батареи

Габаритные размеры: 11.0 х 65 х 32 мм Вес:210 г„

Рабочие климатические данные

Температура: +5°С...+40°С

Относительная влажность

воздуха: не более 85%

Атмосферное давление: 860 - 1060 мбар

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

С точки зрения электрической схемы прибор состоит из следующих основных блоков:

Рис. 1.Блок-схема устройства

Генератор управляющих сигналов

Цепь задержки

Цепь установки времени

Цепь формирования сигналов

Цепь сумматора

Калибровочная цепь

Батарея

Работа прибора на основании блок-схемы:

Генераторы управляющих сигналов /1/ в конце каждого цикла подает импульс, который опрокидывает цепь задержки /2/. При возврате цепи задержки /2/ в исходное положение цепь установки времени /3/ подает прямоугольный импульс, который передается на цепь формирования /4/ с целью получения сигнала соответствующей формы. Импульс после формирования поступает на сумматор /5/. Полученный таким образом сигнал выведен на соединительное гнездо, расположенное на лицевой панели. Калибровочная цепь /6/ подает постоянное напряжение 1мв на сумматор /5/ и соответственно на выходное гнездо.

Описание органов управления прибора:

Выходное соединительное гнездо

Заземленное гнездо выходного разъема, служащее одновременно вы-ключателем батареи.

Микропереключатель калибрующей цепи

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ НА ОСНОВАНИИ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Рис. 2. Схема устройства

Яление работой цепей прибора осуществляет мультивибратор работающий в режиме автоколебаний построенный на транзисторах TR1, TR2. Он генерирует короткие импульсы положительной полярности с периодом следования определенным постоянной времени R2C1.

Импульсы управления после прохождения через дифференцирующую цепочку C2R5 и диод d1 запускают одновибратор построенный на транзисторах TR3, TR4. Последний одновибрвтор при обратном опрокидывании происходящем спустя интервал времени Т1 после запуска через инвертирующий транзистор TR5, конденсаторы С6 и С10 обеспечивает запуск одновибраторов один из которых построен на транзисторах TR8, TR7 имеющей задержку Т2 , а второй построен на транзисторах TR10, TR11 , и имеет задержку ТЗ.

Рис. 3. Временная диаграмма устройства

Из нарастания первого прямоугольного импульса с длительностью Т1 цепь С4, TR6, R44- образует зубец Р, а из спада после формирования подается зубец Q на точку суммирования.

Из прямоугольного импульса с длительностью Т2 после интегрирования /R10, С9/ и ограничения /TR9, R21, R23--/ образуются зубцы R и S.

Из прямоугольного импульса с длительностью T4 одновибратора построенного на транзисторах TR12, TR13, также после интегрирования /R30, С14/ и ограничения /TR14, R34, R35/образуется зубец Т.

Амплитуда различных компонентов-з|убцов определяет величина суммирующих сопротивлений /R44, R45, R46, R48, R33/.

Напряжение калибровки стабилизирует кремниевый стабилитрон ZeD 4. Это напряжение после двухкратного деления подается на суммирующие сопротивление R38 и тем самым на выходной разъем.

Регулировку амплитуды сигнала калибровки обеспечивает построечный потенциометр Р1.

СПЕЦИФИКАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ

генератор импульс сигнал

Объяснение буквенных об означений

Табл. 1. Объяснение буквенных обозначений

Каждый прибор в интересах достижения более высокой точности в пределах величин приведенных в технических данных, а также с целью повышения надежности - подвергается тщательной индивидуальной настройке и наладке.

В результате этого может случиться, что приборы содержат и детали, величина которых отличается от величины, приведенной в спецификации деталей прибора.

ПУСК В ЭКСПЛУАТАЦИЮ

Прибор включается автоматически установкой соединительных штырьков. Конец, снабженный двумя соединительными штырьками экранированного кабеля поставляемого в качестве принадлежности присоединяют к прибору спаривая соответствующие цветовые обозначения гнезд и штырей. Если на кабеле пациента испытуемого электрокардиографа имеется одноконтактный штырек с диаметром 3 ш, то следует применять приложенные к прибору вставки с отверстием 3 мм. По окончании измерений не оставлять втавку в соединительном гнезде, в этом случае прибор остается включенным и батарея разрядится.

МУЛЬТИВИБРАТОР

Для получения колебаний, характеризующихся участками со скачкообразными изменениями напряжений и токов (так называемых “разрывных колебаний”), применяются релаксационные генераторы или релаксаторы. Релаксаторы, как и триггеры, относятся к классу спусковых устройств и основаны на применении усилителей с кольцом положительной обратной связи или приборов с отрицательным сопротивлением. В отличие от триггеров, имеющих два устойчивых состояния, генераторы релаксационного типа имеют максимум одно устойчивое состояние.

Мультивибратор - генератор прямоугольных импульсов релаксационного типа с резистивно - емкостными положитель-ными обратными связями, использующий замкнутый в кольцо положительной обратной связи двухкакасдный усилитель.

Мультивибратор может работать в одном из трех режимов: автоколебательном, характеризующимся отсутствием устойчивых состояний; существуют два чередующихся во времени состояния квазиравновесия, при котором существует одно устойчивое состояние и одно состояние квазиравновесия. Переход от устойчивого состояния в состояние квазиравновесия происходит под воздействием внешних запускающих импульсов, а момент возвращения в устойчивое состояние определяется параметрами времязадающей цепи (временем релаксации). Таким образом, на один импульс внешнего воздействия ждущий мультивибратор вырабатывает один импульс заданной длительности синхронизации. В этом режиме на мультивибратор воздействует внешнее синхронизирующее напряжение. При этом режиме существуют два чередующихся состояния квазиравновесия, но период колебаний равен или кратен периоду синхронизирующего воздействия.

Мультивибраторы применяются в качестве задающих генераторов, расширителей импульсов, делителей частоты.

Если в триггерных устройствах начальное развитие регенеративного процесса, обеспечивающего формирование крутых перепадов, напряжения, вызывается внешними импульсами управления, то в мультивибраторах этот процесс развивается автоматически благодаря наличию времязадающих (хронирующих) элементов, которыми обычно являются RC-цепочки. Разумеется, что в том и другом случаях генераторное устройство представляет собой усилительное звено того или иного типа, охваченное положительной обратной связью. Таким образом, мультивибратор представляет собой релаксационный автогенератор напряжения прямоугольной формы. Термин «автогенератор» означает, что он генерирует незатухающие колебания без какого-либо запуска извне и не имеет устойчивых состояний равновесия. Релаксационный характер колебаний выходного напряжения указывает на то, что условия самовозбуждения выполняются в широком диапазоне частот.

Общая характеристика

При проектировании мультивибраторов в качестве элементной базы используют биполярные, полевые и однопереходные транзисторы, а также аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Последними чаще всего являются операционные усилители и логические элементы. Полупроводниковые приборы в мультивибраторах работают в ключевом режиме.

При работе мультивибратора в режиме автоколебаний вырабатываются периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы. Частота генерируемых импульсов определяется параметрами времязадающей цепи, свойствами схемы и режимом ее питания. На частоту автоколебаний оказывает также влияние подключаемая нагрузка. Обычно мультивибратор применяется в качестве генератора импульсов относительно большой длительности, которые затем используются для формирования импульсов необходимой длительности и амплитуды.

Таким образом, мультивибраторы, работающие в автоколебательном режиме, применяются чаще всего в качестве задающих генераторов. Поэтому к ним предъявляются требования высокой стабильности частоты, которая, однако, может быть достигнута только применением специальных мер по стабилизации частоты периодической последовательности импульсов. Обычно относительная нестабильность частоты при воздействии различных дестабилизирующих факторов составляет несколько процентов.

Мультивибраторы могут также работать в ждущем режиме и режиме синхронизации.

В ждущем режиме мультивибратор имеет одно состояние устойчивого равновесия. При воздействии запускающего импульса мульти­вибратор вырабатывает один прямоугольный импульс, после чего возвращается в состояние устойчивого равновесия. Требования, предъявляемые к ждущим мультивибраторам, аналогичны требованиям к триггерам.

В режиме синхронизации на мультивибратор воздействует внешнее периодическое напряжение часто синусоидальной формы. При этом частота периодической последовательности прямоугольных импульсов, генерируемых мультивибратором, равна или в целое число раз меньше частоты синхронизирующего напряжения. При снятии синхронизирующего напряжения мультивибратор продолжает работать в автоколебательном режиме.

В настоящей главе рассматриваются автоколебательные мультивибраторы.

Мультивибраторы на биполярных транзисторах

Мультивибраторы на биполярных транзисторах наиболее часто выполняют по симметричной схеме с коллекторно-базовыми связями (рис. 4,а). Как и для триггера, симметричность означает идентичность симметрично расположенных элементов, т. е. RK1=RK2, RБ1=RБ2, СБ1=СБ2, параметры транзисторов одинаковы. Как видно из рисунка, мультивибратор состоит из двух усилительных каскадов с ОЭ, выходное напряжение каждого из которых подается на вход другого. В схеме мультивибратора использованы транзисторы р-п-р-типа.

При подсоединении схемы к источнику питания Ек оба транзистора пропускают коллекторные точки (их рабочие точки находятся в активной области 3, см. рис. 3.10, а), поскольку на базы через резисторы RБ1 и RБ2 подается отрицательное смещение. Однако такое состояние схемы неустойчивое. Из-за наличия в схеме положительной обратной связи выполняется условие вКу>1 и двухкаскадный усилитель самовозбуждается. Начинается процесс регенерации -- быстрое увеличение тока одного транзистора и уменьшение тока другого транзистора.

Пусть в результате любого случайного изменения напряжений на базах или коллекторах несколько увеличится ток IK1 транзистора VT1. При этом увеличится падение напряжения на резисторе RK1 и коллектор транзистора VT1 получит приращение положительного потенциала. Поскольку напряжение на конденсаторе СБ1 не может мгновенно измениться, это приращение прикладывается к базе транзистора VT2, подзапирая его.

Рис. 4.. Симметричный мультивибратор на биполярных транзисторах:

a - схема; , б - временные диаграммы

Коллекторный ток IK2 при этом уменьшается, напряжение на коллекторе транзистора VT2 становится более отрицательным и, передаваясь через конденсатор СБ2 на базу транзистора VT1, еще больше открывает его, увеличивая ток IK1. Этот процесс протекает лавинообразно и заканчивается тем, что транзистор VT1 входит в режим насыщения, а транзистор VT2 -- в режим отсечки. Схема переходит в одно из своих временно устойчивых состояний равновесия (квазиустойчивое состояние). При этом открытое состояние транзистора VT1 обеспечивается смещением от источника питания Ек через резистор RБ1, а запертое состояние транзистора VT2 -- положительным напряжением на конденсаторе СБ1 ( = UБ2 > 0), который через открытый транзистор VT1 включен в промежуток база -- эмиттер транзистора VT2. На временных диаграммах рис. 4.1, б описанные процессы соответствуют моменту времени t = 0. Теперь конденсатор СБ2 быстро заряжается по цепи +ЕK -- эмиттер -- база транзистора VTl -- CБ2 -- RК2 -- ЕK до напряжения Ек. Конденсатор СБ1 заряженный в предыдущий период, перезаряжается через резистор RБ2 и открытый транзистор VT1 током источника питания Ек и напряжение на нем стремится уменьшиться до -- Ек (см. график для UБ2). В момент времени t1 напряжение = UБ2 меняет знак, что вызывает отпирание транзистора VT2 и появление IK2. Увеличение тока IK2 приводит к процессу, аналогичному описанному ранее при увеличении тока IK1. В результате транзистор VT2 входит в режим насыщения, а транзистор VT1 -- в режим отсечки (второе временно устойчивое состояние равновесия). В промежутке времени tx --12 происходит заряд конденсатора СБ1 и перезаряд конденсатора СБ2.

Таким образом, переходя периодически из одного временно устойчивого состояния равновесия в другое, мультивибратор, формирует выходное напряжение, снимаемое с коллектора любого транзистора, почти прямоугольной формы.

Схема автоколебательного мультивибратора приведена на рис.5а. Он состоит из инвертирующего триггера Шмитта, охваченного отрицательной обратной связью с помощью интегрирующей RC-цепочки.

Рис. 5. Схема мультивибратора (а) и временнaя диаграмма его работы (б)

Когда напряжение uc достигает порога срабатывания триггера Шмитта, схема переключается и ее выходное напряжение скачком принимает противоположное значение. При этом конденсатор начинает перезаряжаться в противоположном направлении, пока его напряжение не достигнет другого порога срабатывания. Схема переключается в первоначальное состояние (рис. 5б).

Анализ схемы мультивибратора позволяет записать дифференциальное уравнение:

При начальных условиях uc(0) = -Uп решение этого уравнения имеет вид:

Значение напряжения, равное порогу срабатывания триггера Шмитта (условие uc(t)=Uп), будет достигнуто спустя время

t1 = RCln[1 + 2R1/R2].

Период колебаний мультивибратора, таким образом, равен

T = 2t1 = 2RCln[1 + 2R1/R2]. (39)

Как видно из последней формулы, период колебаний мультивибратора не зависит от напряжения Uм, которое, в свою очередь определяется напряжением питания Uпит. Поэтому частота колебаний мультивибратора на ОУ мало зависит от питающего напряжения.

Еще одной распространённой схемой генераторов на логических элементах является схема мультивибратора. В этой схеме для реализации положительной обратной связи используется два инвертора. Каждый из усилителей осуществляет поворот фазы генерируемого сигнала на 180°. В результате реализуется баланс фаз. Схема мультивибратора приведена на рисунке 6.

Рис.6. Схема мультивибратора, выполненная на двух логических инверторах.

Коэффициент усиления каждого из усилителей определяется соотношением резисторов R2/R1 и R4/R3. В этой схеме возможна независимая регулировка частоты и скважности генерируемых колебаний. Длительность импульсов и длительность паузы между импульсами регулируется независимо при помощи RC цепочек R1 C2 и R3 C1. Период следования импульсов Т определяется как сумма двух времен заряда конденсаторов:

Т = tзар1 + tзар2,

где tзар1 =R2C2 ln(U1/Uпор); tзар2 =R4C1 ln(U1/Uпор).

Если скважность генерируемых колебаний не важна, то можно упростить схему мультивибратора, использовав второй инвертор по прямому назначению. Так как при реализации схемы генератора нас интересует максимальный петлевой коэффициент усиления, то последовательный резистор мы тоже можем исключить. Для обеспечения автоматического запуска генератора в схеме остается резистор, включенный с выхода на вход первого инвертора. В этом случае схема мультивибратора примет вид, показанный на рисунке 7.

Рис.7. - Упрощённая схема мультивибратора.

В этой схеме возможно задавать только частоту генерируемых импульсов. Она будет определяться произведением R1 C1. Скважность генерируемых импульсов будет зависеть только от соотношения токов нуля и единицы выбранного логического элемента.

Период Т импульсов, вырабатываемых мультивибратором, определяется в первом приближении постоянной времени t = RC (Т = а t, где а обычно имеет значение 1 .2). Частоту следования импульсов можно оценить (с точностью до 10 %) из выражения f = 1/2RC.

Достаточно часто требуется получить генератор, выходная частота которого могла бы изменяться в достаточно широких пределах. В этом случае в качестве частотозадающего элемента в генераторе может быть использован элемент с изменяемыми параметрами, например варикап или полевой транзистор. Схема такого генератора, управляемого напряжением, приведена на рисунке 8.

Рис.8. Схема генератора, управляемого напряжением.

Учитывая, что сопротивление полевого транзистора может изменяться в пределах от 10 Ом до 10 МОм, генерируемая частота тоже может изменяться в десятки и сотни раз. Однако следует учесть, что такой генератор может быть использован только в цифровых схемах, так как его спектральные характеристики оставляют желать лучшего. Обычно такая схема используется в цепях умножения частоты внутри цифровых микросхем повышенной производительности. Примером специализированных микросхем - генераторов могут служить микросхемы 531ГГ1 и 564ГГ1.

В схеме на мультивибраторе можно использовать и кварцевую стабилизацию частоты. Для этого нужно кварцевый резонатор включить в цепь обратной связи. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты приведена на рисунке 9.

Рис. 9. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты.

При применении такой схемы кварцевого генератора следует учитывать, что кварцевый резонатор в ней работает на частоте последовательного резонанса, которая отличается от частоты параллельного резонанса, используемого в осцилляторной схеме генератора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение данного раздела рассмотрим характеристики современных имитаторов ЭКС (табл.2). Следует обратить внимание, что некоторые модели также включают функции проверки пульсоксиметров, измерителей давления и температуры. Однако в этой таблице приводятся характеристики тестовых сигналов и общие эргономические параметры приборов. Более того, в таблицу вошли не все из известных имитаторов ЭКС, а именно те, которые не имеют базовых тестовых сигналов (гармонической, прямоугольной форм и т.п.), жидкокристаллического индикатора, что затрудняет контроль за состоянием прибора, не имеют тестовых ЭКС аритмии, а также компьютерные имитаторы. Все представленные имитаторы осуществляют девятиканальную генерацию ЭКС, имеют 9 В источник питания (внутренний или внешний), имеют возможность подключения ЭКГ электродов трех типов (штекерный, типа "крокодила" и "клипсы"). Имитаторы PS97 и LionHeart 3 могут управляться компьютером посредством RS232, но не поддерживают загрузку других тестовых ЭКС. Для имитатора MiniSim 1000 предусмотрена возможность обновления тестовых ЭКС самим производителем прибора. Отметим также, что производители этих приборов не сообщают характеристики тестовых ЭКС и их источник. Таким образом, не представляется возможным провести сопоставление их параметров между собой и с сигналам из СSE Database.

С одной стороны, анализируя приведенную сравнительную таблицу, отметим следующее:

Характеристики приборов	Названия приборов
	PS97	LionHeart 3	ST-10	MiniSim 1000
Диапазон выходных сигналов, точность	От 0 до 2 мВ с шагом 0.1 мВ	от 0.5 до 2 мВ ±2% с шагом 0,5 мВ	от 0.5 до 2 мВ ±2% с шагом 0,5 мВ	от 0.15 до 5 мВ ±1%
Нормальный ритм	от 20 до 350 уд./мин с +1%	от 30 до 300 уд./мин	от 30 до 240 уд./мин +1%	от 30 до 350 уд./мин +0,1%
ЭКГ аритмии	14 типов	43 типа	8 типов	40 типов
Базовые сигналы (типы и их частотные характеристики)	Гармонический сигнал, сигнал прямоугольной формы , сигнал треугольной формы, импульсный сигнал с частотными диапазонами от 0,3 до 5,8 Гц	Гармонический сигнал 0,5, 5, 10, 40, 50, 60, 100 Гц; сигнал прямоугольной формы 0,125, 2 Гц; сигнал треугольной формы 2, 2,5 Гц; импульсный сигнал 0,5, 1 Гц длительностью 60 мс.	Гармонический сигнал 0,5, 10, 40, 50, 60, 80, 100 Гц; биполярный сигнал прямоугольной формы 2 Гц, сигнал треугольной формы 2 Гц, импульс постоянного уровня длительностью 4 с.	Гармонический сигнал, сигнал прямоугольной формы, сигнал треугольной формы с частотными диапазонами от 0,1 до 100 Гц; импульсный сигнал 0,25 Гц длительностью 2 мс.
Интерфейс прибора	ЖКИ 2х20 символов, Цифровая клавиатура (21 клавиш)	ЖКИ 4х20 символов, Цифровая клавиатура (16 клавиш)	ЖКИ 1х16 символов, Цифровая клавиатура (4 клавиши)	ЖКИ 2х16 символов, Цифровая клавиатура (8 клавиши)
Габаритные размеры, масса	15.2х26х5.7 см, 1кг	12.7х17.8х3.8 см, 568 гр.	16x11x4 см, 320 гр.	14х8.9х3.8 см, 43 гр.
Цена	$3290	$1140	$450	$595
Фирма	BAPCO, США, www.bapcoinfo.com	BIO-TEK INSTRUMENTS, Inc., США, www.biotek.com	ST-Electromedicina, s.a., Испания, www.stelec.com	Netech Corp., США, www.gonetech.com

Табл.2 Характеристики современных портативных имитаторов ЭКС.

Ни один имитатор ЭКС не формирует постоянного напряжения +300 мВ, подаваемое на все входные каналы электрокардиографа вне зависимости от текущего тестового сигнала.

Смесь сигналов гармонической и прямоугольной форм не поддерживается ни одним имитатором ЭКС, что делает невозможным проверку нелинейности АЧХ и эффективной ширины записи электрокардиографа, согласно стандартам .

С помощью данных имитаторов ЭКС не представляется возможным проверить коэффициент ослабления синфазных сигналов, т.к. отсутствует гармонический сигнал размахом 20 В с частотами 50 и/или 60 Гц.

Точностные характеристики, диапазоны и типы тестовых сигналов частично совпадают с требованиями стандартов. Наиболее полно этим требованиям соответствует прибор MiniSim 1000, по сравнению с другими имитаторами.

С другой стороны, по эргономическим характеристикам представленные приборы функциональны и удобны в периодическом сервисном обслуживании клинических электрокардиографов.

ЛИТЕРАТУРА

Latfullin I. A., Teptin G. M., Terzy V. F. Multidimensional dynamic electrocardiography. V.F. // Environ. Radioecol. And Appi Ecol - Vol. 1, P. 18-24.

Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы, - M.: Высшая школа, 1988.

Латфуллин И. А., Тептин Г. М. Возможности электрокардиографии высокого разрешения. - Казанский медицинский журнал, 1998, 79, 2.

Латфуллин И. А., Тептин Г. M. Новые технологии профилактики, диагностики, и лечения в клинике внутренних болезней. - Челябинск, 1996.

Латфуллин И. А., Тептин Г. M. Сборник трудов I конгресса ассоциации кардиологов СНГ.-M., 1997.

Степура О. Б., Остроумова О. Д., Курильченко И. Т., Мартынов А. И. Клиническая значимость сигналусреднённой электрокардиографии. - Российские Медицинские Вести N1, 1997.

N.El-Sherif, J.Lekieffre Practical management of Cardiac Arrhythmias Ed. - Futura Publishing C., Ai-mork, N.Y. 1997, p. 347

Размещено на Allbest.ru

...