Проектування операційного підсилювача

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Анотація

Завдання

Вступ

1. Аналітичний огляд літературних джерел

2. Технічне завдання

3. Розробка структурної схеми підсилювача EКГ

4. Розробка схеми підсилювача

4.1 Розробка схеми фільтра нижніх частот Баттерворта третього порядку

4.2 Розробка електричної принципової схеми підсилювача

Висновок

Список літератури



Анотація

У цій роботі за вхідними даними спроектовано електрокардіографічний підсилювач з коефіцієнтом підсилення 30 децибел(1000 раз),та фільтри верхньої робочої частоти 500Гц. Складена схема електрична принципова обраховано номінали всіх елементів

In this paper designed for ECG input amplifier with a gain of 30 decibels (1000 times) , and filters the upper operating frequency 500Hts . Compiled electrical schematic diagram of calculated nominal values of all elements.



Завдання

Проектування з дисципліни «Основи побудови та застосування медичних РЕА» полягає у розробці чотирьохканального електрокардіографічного підсилювача(варіант Б) і відповідати наступним технічним характеристикам, що представлені в таблиці 1.

Таблиця 1

Назва параметра	Позначення	Величина
Коефіцієнт підсилення	AdB	30
Верхня робоча частота	Гц	500
Вхідний опір	Мом	50



Вступ

Електрокардіографія (від електро..., кардіо... і ...графія ) , метод дослідження сердечного м'яза шляхом реєстрації біоелектричних потенціалів працюючого серця. Скороченню серця ( систолі ) передує збудження міокарду, що супроводиться переміщенням іонів через оболонку клітки міокарду, в результаті якого змінюється різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями оболонки. Виміри за допомогою мікроелектродів показують, що зміна потенціалів складає близько 100 мв. В нормальних умовах відділи серця людини охоплюються збудженням послідовно, тому на поверхні серця реєструється змінна різниця потенціалів між вже збудженими і ще не збудженими ділянками. Завдяки електропровідності тканин організму, ці електричні процеси можна уловити і при розміщенні електродів на поверхні тіла, де зміна різниці потенціалів досягає 1--3 мв.

Винахід відноситься до медичної техніки і дозволяє зменшити спотворення ізолінії вихідного электрокардиосигнала після закінчення режиму заспокоєння підсилювача

Електрофізіологічні дослідження серця в експерименті проводилися ще в 19 ст, проте впровадження методу в медицину почалося після досліджень Ейнтховена в 1903--24, який застосував малоінерційний струнний гальванометр, розробив позначення елементів реєстрованою кривою, стандартну систему реєстрації і основні критерії оцінки (див. також Кардіологія ) . Висока інформативність і відносна технічна простота методу, його безпека і відсутність яких-небудь незручностей для хворого забезпечили широке поширення Е. у медицині і фізіології. Основні вузли сучасного електрокардіографа -- підсилювач, гальванометр і реєструючий пристрій. При записі змінної картини розподілу електричних потенціалів на рухомий папір виходить крива --електрокардіограмма (ЕКГ), з гострими і закругленими зубцями, що повторюються під час кожної систоли. Зубці прийнято позначати латинськими буквами Р, Про, R, S, Т і U ( мал. ). Перший з них пов'язаний з діяльністю передсердя, останні зубці -- з діяльністю шлуночків серця. Форма зубців в різних відведеннях загалом різна. Порівнянність ЕКГ в різних осіб досягається стандартними умовами реєстрації: способом накладення електродів на шкіру кінцівок і грудної клітки (зазвичай використовується 12 відведень), визначеними чутливістю апарату (1 мм = 0,1 мв ) і швидкістю рухи паперу (25 або 50 мм в сік); досліджуваний, як правило, знаходиться в положенні лежачи, в умовах спокою (при спеціальних свідченнях -- і після фізичної, лікарської або інші навантаження). При аналізі ЕКГ оцінюють наявність, величину, форму і ширину зубців і інтервалів між ними і на цій підставі судять про особливості електричних процесів в серці в цілому і в деякій мірі -- про електричну активність більш обмежених ділянок сердечного м'яза.

В медицині Е. має найбільше значення для розпізнавання порушень сердечного ритму, а також для виявлення інфаркту міокарду і деяких інших захворювань. Проте зміни ЕКГ відображають лише характер порушення електричних процесів і, як правило, не є строго специфічними для певної хвороби. Зміни ЕКГ можуть виникати не лише в результаті захворювання, але і під впливом звичайної денної активності, їди, лікарської лікування і інших причин. Тому діагноз ставиться лікаркою не по ЕКГ, а по сукупності клінико-лабораторніх ознак захворювання. Діагностичні можливості зростають при зіставленні ряду послідовно знятих ЕКГ (з інтервалом в декілька днів або тижнів). Електрокардіограф використовується також в кардіомоніторах (апаратах цілодобового автоматичного спостереження за станом тяжкохворих) і для телеметричного контролю за станом працюючої людини -- в клінічній, спортивній, космічній медицині, що забезпечується спеціальними способами накладення електродів і радіозв'язком між гальванометром і реєструючим пристроєм.



1. Аналітичний огляд літературних джерел

Загальні відомості. Операційний підсилювач (ОП) є найпоширенішою універсальною інтегральною мікросхемою, на основі якої можуть бути побудовані найрізноманітніші пристрої електронної техніки.

Спочатку ОП були сконструйовані для виконання математичних операцій в аналогових комп'ютерах, що й визначило їхню назву. Перші ОП були реалізовані на основі вакуумних ламп і були далекі від ідеальної математичної моделі. Пізніше з'явилися транзисторні ОП й, нарешті, ОП на інтегральних схемах (ІС).

Отже, операційний підсилювач - це модульний, багатокаскадний підсилювач постійного струму з диференціальним входом, призначений для виконання різних операцій над аналоговими сигналами при роботі в схемі з негативним зворотним зв'язком.

Перш ніж поглибитися в електричні схеми ОП, створимо теоретичну основу для аналізу.

Основні параметри й класифікація ОП

1. Коефіцієнт підсилення.

2. Вхідна напруга зміщення (U_ЗM) - напруга, яку необхідно прикласти між входами ОП для одержання нуля на виході ОП (тобто це диференціальна постійна напруга, прикладання якої до входів ОП викличе встановлення на його виході напруги, яка дорівнює нулю).

3. Різниця вхідних струмів - абсолютне значення різниці струмів двох входів підсилювача, обмірюваних тоді, коли напруга на виході ОП дорівнює нулю ( ).

4. Середній вхідний струм - середньоарифметичне значення струмів неінвертуючого і інвертуючого входів підсилювача, обмірюваних при такій вхідній напрузі U_вх, при який вихідна напруга U_вихдорівнює нулю



.

5.Температурний дрейф вхідного струму - це коефіцієнт, який дорівнює відношенню максимальної зміни вхідного струму ОП до його зміни, що викликана навколишньою температурою.

6.Температурний коефіцієнт коефіцієнта підсилення - може бути як позитивним, так і негативним залежно від температури й типу ОП. У повному діапазоні припустимих температур навколишнього середовища коефіцієнт підсилення ОП змінюється звичайно не більш ніж в 3-5 разів.

7.Вхідний опір (r_вх) - опір одного із входів ОП, у той час як інший вхід замкнений. Цей опір також називають вхідним опором для диференціального сигналу.

8. Вхідний опір для синфазного сигналу (r_СФ) - величина, яка рівна відношенню збільшення синфазної вхідної напруги до збільшення середнього вхідного струму ОП.

9.Коефіцієнт послаблення синфазного сигналу (КПСС) - відношення коефіцієнта підсилення диференціального сигналу К_П до коефіцієнта підсилення синфазного сигналу К_СФ. КПСС звичайно виражається в децибелах.

10.Коефіцієнт впливу нестабільності джерела живлення (К_Ж). Звичайно становить 20-200 мкВ/В.

11. Вихідний опір (r_вих).

Позначаються ОП на схемах прямокутником, який містить основне й одне або два додаткові поля, розташованих по обох сторони від основного. Інвертуючий вхід позначають кружечком так як на рисунку 1.



а) б) в)

Рисунок 1- Позначення ОП: а) повне позначення, б) спрощене позначення у вітчизняній літературі, в) спрощене позначення у зарубіжній літературі



2. Технічне завдання

Розробка електрокардіографічного підсилювача(б)

Кількість вхідних\вихідних каналів електрокардіографічного підсилювача 4\4.

Коефіцієнт підсилення підсилювача 30 dB.

Верхні робочі частоти 30,140,500Гц.

Вхідний опір підсилювача на кожному з каналів 50МОм.

Передбачити можливість автономного джерела живлення.

Кінцевий результат схема електрична принципова.



3. Розробка структурної схеми підсилювача EКГ

Пристрій буде мати таку структурну схему рисунок 2.

Рисунок 2

Сигнал буде зніматися за допомогою ЕКГ електродів потім буде підсилюватися за допомогою підсилювача, після чого буде фільтруватися ФНЧ фільтром .

Або таку як на рисунку 3.

Електроди підсилювач підсилювач

Рисунок 3

Сигнал буде зніматися за допомогою ЕКГ електродів потім буде підсилюватися за допомогою першого підсилювача, після чого буде фільтруватися фільтром верхніх частот для зменшення дрейфу нуля. Другий підсилювач остаточно підсилює профільтрований сигнал та передає його на пристрій обробки або виведення, якому він необхідний.



4. Розробка схеми підсилювача

Підсилювач матиме стандартний коефіцієнт підсилення G=1000 складатиметься з двох каскадів . Для забезпечення високого вхідного опору, буде використовуватись інструментальний підсилювач для цього був обраний AD620 оскільки він має дуже малий дрейф нуля який дорівнює 0,6 мкВ/^оС. Виробник цього підсилювача рекомендує таку схему включення рисунок 3.

Рисунок 4

Перший каскад на AD620 має коефіцієнт підсилення G=7 потім за допомогою ФНЧ з частотою зрізу 0,03 Гц. в вигляді RC ланки, забирається постійна складова - та сама, що виходить при посиленні складової обумовленої поляризацією електродів. Далі отриманий сигнал надходить на другий AD620 з коефіцієнтом посилення близько 143. Отримуємо схему на рисунок. 5.



Рисунок 5

Обраховуємо номінал резистора R1 за формулою (1):

(1),

З ряду Е24 вибираємо номінал резистора R3=8,2 кОм.

Обраховуємо номінал резистора R3 за формулою (1):

З ряду Е24 вибираємо номінал резистора R3=360 Ом. коефіцієнт підсилення всього підсилювача буде:

K=134*7=1001 разів

За ТЗ мені було задано отримати коефіцієнт підсилення 30 dB

30 dB==1000 разів,отже я отримав потрібний мені коефіцієнт підсилення. Елементи С1 і R2 є частиною фільтра з частото зрізу 0,03 Гц. Обраховуємо номінал конденсатора С1 за формулою (2) , R2 приймаємо рівним 1 МОм;

підсилювач операційний резистор сигнал

(2),



З ряду Е24 вибираємо номінал конденсатора С1=4.7 мкФ.

Оскільки в нас чотири канали однакові всі елементи на підсилювачах будуть однакові:

R1=R16=R31=R46,

R2=R17=R32=R47,

R3=R18=R33=R48,

C1=C11=C21=C31.

Максимальний струм споживання одного AD620 рівний 110 мА то для живлення усього підсилювача потрібен двополярний блок живлення з напругою ±3 В та струмом 500 мА.

4.1 Розробка схеми фільтрів нижніх частот Баттерворта третього порядку

Фільтри будуть складатися з операційного підсилювача і обв'язки до нього яка складається з резисторів і конденсаторів. Для схеми був вибраний ОП загального призначення Lm 358.

Рисунок 6 - Фільтр нижніх частот Баттерворта третього порядку.



Рисунок 7 - АЧХ фільтра нижніх частот.

Розрахуємо ємності для фільтрів трьох верхніх частот fв = 30,140,500 Гц:

приймаємо R4 = R5 = R6=R рівними по 1 Ом;

R7 рівним 22 кОм;

Верхню робочу частоту першого фыльтра беремо беремо 500 Гц, fв = 500 Гц.

Розрахуємо ємності для першого фільтра за формулами (3),(4),(5),

; ; (3),(4),(5),

С2 == 0.00077 мкФ,

С3 = = 0,00067 мкФ,

С4 == 0,00006 мкФ.

З номінального ряду Е6 вибираємо ємність С1,С2,С3 ,

С2 = 0,68 нФ,

С3 = 0,68 нФ,

С4 = 0,1 нФ.

За тими самими формулами (3),(4),(5), розраховуємо ємності для другого фільтра НЧ, верхню робочу частоту другого фільтра беремо 140 Гц,fв=140 Гц.

С5 == 0.0027 нФ

С6 = = 0,0023 нФ,

С7 == 0,00021 мкФ

З номінального ряду Е6 вибираємо ємність С1,С2,С3 ,

С5 = 2,2 пФ,

С6 = 2,2 пФ,

С7 = 0,22 нФ.

За тими самими формулами (3),(4),(5), розраховуємо ємності для третього фільтра НЧ,верхню робочу частоту дтретього фільтра беремо 30 Гц,fв=30 Гц.

С8 == 0.012 нФ

С9 = = 0,011 нФ,

С10 == 0,001 нФ

З номінального ряду Е6 вибираємо ємність С1,С2,С3 ,

С8 = 0,01 нФ,

С9 = 0,01 нФ,

С10 = 1пФ.

На кожному з каналів підсилювача буде по три фільтра нижніх частот, користувач за допомогою органів керування у вигляді кнопок зможе виставити одну з трьох на вибір верхніх робочих частот.

Оскільки фільтри нижніх частот на кожному каналі підсилювача однакові то і елементи на них будуть однакові.

Для першого фільтра 500 Гц,

C2=C12=C22=C32,

С3=С13=С23=С33,

С4=С14=С24=С34.

Для другого фільтра 140 Гц,

С5=С15=С25=С35,

С6=С16=С26=С36,

С7=С17=С27=С37.

Для третього фільтра 30 Гц,

С8=С18=С28=С38,

С9=С19=С29=С39,

С10=С20=С30=С40.

4.2 Розробка електричної принципової схеми підсилювача

Розробка схеми живлення для автономної роботи підсилювача Щоб підсилювач працював йому потрібне живлення полярне В. Можна підключити підсилювач до схеми на двох послідовно включених акумуляторах по 7,2В і схеми стабілізації на стабілізаторі LM31 рисунок 8.(показано без акумуляторів їх ми підключаємо на вхід) Таким чином ми отримуємо на виході В. чого достатньо для нашого підсилювача



Висновки

В даній роботі розроблена електрична схема чотирьох канального електрокардіографічного підсилювача побудованого на інструментальних підсилювачах AD620.Фільтри нижніх частот було побудовано на основі операційного підсилювача загально призначення Lm358.Тако ж розроблена схема для автономного живлення.



Список літератури

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники / Т. 1. / пер с англ. -- М.: Мир, 1991. -- 600 с.

2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника (12-е изд.) / Т.1 / пер. с нем. -- М.: ДМК-Пресс, 2008. -- 832 с.

3. Абакумов В.Г. Гервнін В.О. Біомедичні сигнали та їх обробка/ К.: ВЕК, 1997 -- 352 с.

4. www.alldatasheet.com

Размещено на Allbest.ru

...