Модуль артериального давления диагностической системы магнитотерапевтического комплекса

 

Рисунок 18 - «Идеальная» запись давления в манжете

При дальнейшем стравливании воздух из манжеты, амплитуда  колебаний давления заметно увеличивается, достигая максимального значения, после  чего  при дальнейшем снижении давления в манжете до нуля, амплитуда колебаний  их уменьшается. Точка 2 отмечает максимальную амплитуду осцилляций давления в  манжете и соответствует среднему артериальному давлению.[11]

Первая  цепь, состоящая из фильтра нижних частот, отфильтровывает (подавляет) пульсации  давления и пропускает постоянную составляющую давления. Вторая цепь, состоящая из фильтра верхних частот, отфильтровывает  постоянную составляющую давления и  пропускает пульсации давления.

Сигналы с обеих цепей приходят на АЦП  микроконтроллера, где преобразуются  в цифровую форму, удобную для  дальнейшей обработки сигнала. Так  как оба сигнала приходят на разные каналы одного и того же многоканального  АЦП, а частота следования сигналов разная, то нужно подобрать АЦП  с возможностью программной настройки  частоты дискретизации отдельно для каждого канала.

Обработка цифрового сигнала в микроконтроллере заключается в том, чтобы определить значения систолического и диастолического давлений, которые потом посылаются на ЭВМ через USB-интерфейс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Разработка, расчет и описание  принципиальной схемы модуля  артериального давления, выбор и  обоснование применяемой элементной  базы 

6.1 Расчет канала артериального  давления

6.1.1 Расчёт канала нормализации

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 19 - Канал нормализации

Основная  схема одного канала сбора данных состоит из предварительного усилителя, фильтра и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Качество сигнала в наиболее компактной форме можно выразить в виде отношения сигнал/шум) в тракте от аналогового входа до цифрового выхода АЦП; это отношение является универсальным показателем, позволяющим оценить характеристику системы в целом. Система сбора данных может обеспечить выполнение целого ряда операций нормализации сигналов, поступающих от различных входных датчиков. При этом основная цель состоит в том, чтобы добиться такого увеличения  С/Ш на пути прохождения сигнала от датчика до АЦП в каждом канале системы сбора данных, которое обеспечит требуемую разрядность цифрового слова на входе ЭВМ.

Для определения  качества аналогового входного сигнала  с наложенными на него шумами хорошим  критерием является вычисление отношения  сигнал/шум на входе системы сбора  данных. Это отношение получается делением возведенного в квадрат постоянного или эффективного значения входного сигнала на квадрат эффективного значения напряжения помех:

  (6.6)

Основное  улучшение отношения сигнал/шум  достигается благодаря коэффициенту ослабления синфазного сигнала предварительного усилителя.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала можно  выразить также через отношение  С/Ш на входе и выходе предварительного усилителя в виде уравнения:

  (6.7)

На участке  цепи от выхода предварительного усилителя до входа аналого-цифрового преобразователя (АЦП) все необходимое дополнительное улучшение качества сигнала должен обеспечивать предварительный фильтр.

Входной сигнал амплитудой 18 мВ поступает на схему нормализации по витой паре проводов, на которую наводится продольная (синфазная) помеха 0.1 В.

Вычислим  отношение сигнал/шум:

 3.2*10^-2

Выбираем  для предварительного усилителя  резисторы с допуском 1%, тогда 1, 0.02. Определим предварительного усилителя:

10⁴

Отношение сигнал/шум на выходе предварительного усилителя:

3.2*10⁶

В нашей  схеме два канала нормализации, и  для каждого нужно определить отношение сигнал/шум на выходе. Предварительный усилитель для обоих каналов общий, а фильтры рассчитаны так, что отношения сигнал/шум на их выходах равны между собой.

Для операционных усилителей серии 140УД6-140УД8 полоса пропускания  составляет 14 кГц.

 Зная частоту среза фильтра, определим отношение на его выходе:

 

Исходя  из значения , мы можем взять для решения нашей задачи 12-разрядный АЦП.

 

6.1.2 Расчёт тензометрического датчика

 

 

 

 

 

 

Рисунок 20 - Тензометрический датчик

При подаче на мост входного напряжения , на выходе моста образуется напряжение , которое рассчитывается по формуле:

                                                                     (6.1)

При условии  баланса моста () его выходное напряжение равно 0.

Если  сбалансировать мост таким образом, что при отсутствии растяжения тензодатчика и , получим:

  (6.2)

При U_вх = 3.3 В,  K = 2,   = 0,01 получаем:

0.018 В = 18 мВ

Таким образом, максимальное выходное напряжение тензодатчика примерно 18 мВ.

В соответствии с рядом E24 и условием баланса резисторного моста выбираем следующие типы элементов:

R3 марки Р1-8М-0.125-330 Ом ± 0.25%

R1 марки Р1-8М-0.125-160 Ом ± 0.25%

R2 марки Р1-8М-0.125-150 Ом ± 0.25% [12]

6.1.3 Расчёт предварительного усилителя

В качестве предварительного усилителя выбрана  схема двухкаскадного измерительного усилителя. Такая схема имеет более высокий входной импеданс и обеспечивает большее усиление и больший коэффициент ослабления синфазного сигнала () по сравнению со схемами на одном ОУ. Кроме того, величина менее чувствительна к точности подбора резисторов.

Рисунок 21 - Схема двухкаскадного измерительного усилителя на ОУ

Первый  каскад, состоящий из усилителей DA1 и DA2, усиливает дифференциальный сигнал в раз, и коэффициент передачи синфазного сигнала равен 1. Следовательно, дифференциальный сигнал усиливается на выходах DA1 и DA2 без усиления синфазного сигнала. Второй каскад, выполненный на ОУ DA3, усиливает дифференциальный сигнал в раз.

Выбираем  величины резисторов так, чтобы:

 

 

 

Коэффициент усиления предварительного усилителя  рассчитывается по формуле:

                                                                                  (6.3)

Коэффициент усиления предварительного усилителя:

;

Коэффициенты  усиления каскадов предварительного усилителя:

 

Тогда

 

Выбираем  = 5 кОм, тогда 10 кОм.

 

Выбираем  = 5 кОм, тогда 200 кОм.

= 10 кОм;

= 5 кОм;

= 200 кОм;

В соответствии с рядом E24 выбираем следующие типы элементов:

Резисторы:

R2 и R3 марки Р1-8М-0.125-10 кОм ± 0.05%

R1, R4 и R6 марки Р1-8М-0.125-5.1 кОм ± 0.05%

R5 и R7 марки Р1-8М-0.125-200 кОм ± 0.25%

 

 

 

 

 

6.1.4 Расчёт фильтра высоких частот

 

 

 

 

 

Рисунок 22 - Фильтр высоких частот

В качестве фильтра высоких частот будем  использовать активный фильтр 2-го порядка  по схеме Саллена-Кея с единичным коэффициентом усиления.

Частота среза такого фильтра находится  по формуле:

  (6.4)

Так как  фильтр предназначен для устранения постоянной составляющей, его частота  среза  5 Гц, тогда 31.4 рад/с.

 

Выбираем  0.1 мкФ, тогда

10¹¹;

Возьмём 320 кОм.

В соответствии с рядом E24 выбираем следующие типы элементов:

Резисторы:

R1 и R2 марки Р1-8М-0.125-330 кОм ± 0.25%

Конденсаторы:

C1 и C2 марки NPO-16В-0.1 мкФ ± 5%[13,14,15]

 

 

 

 

6.1.5 Расчёт фильтра низких частот

 

 

 

 

 

Рисунок 23 - Фильтр низких частот

В качестве фильтра низких частот будем использовать активный фильтр 2-го порядка по схеме  Саллена-Кея с единичным коэффициентом усиления.

Частота среза такого фильтра находится  по формуле:

  (6.5)

Частота пульсаций  давления в манжете  примерно 20-40 Гц, поэтому, чтобы отфильтровать  пульсации давления, оставив при  этом постоянную составляющую, можно  взять частоту среза фильтра  5 Гц, тогда рад/c

 

Выбираем  0.1 мкФ, тогда

10¹¹;

Возьмём 320 кОм.

В соответствии с рядом E24 выбираем следующие типы элементов:

Резисторы:

R1 и R2 марки Р1-8М-0.125-330 кОм ± 0.25%

Конденсаторы:

C1 и C2 марки NPO-16В-0.1 мкФ ± 5%

 

 

 

6.2 Выбор блока питания

Выбор сетевого адаптера

Чтобы преобразовать  сетевое напряжение 220 В в постоянное 15 В, нужен AC/DC преобразователь.

В качестве AC/DC преобразователя выбираем сетевой адаптер GS06E-4P1J. Параметры этого сетевого адаптера:

Параметры, ед. измерения	Величина
Выходное напряжение, В	+15
Потребляемая мощность, Вт	6
~Uвх, В	90-264
Выходной ток, А	0-0.4
Температурный диапазон, ºС	0 … +40
Габаритные размеры	32×66×42.5

 

Сетевые адаптеры серии GS06E имеют защиту от короткого замыкания, перегрузки, перенапряжения.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 24 – Внешний вид сетевого адаптера GS06E-4P1J.

Выбор микросхем питания

Используемые  в проекте операционные усилители  имеют напряжение питания +15 В и -15 В. Элементы отладочной платы STM32P103 имеют напряжение питания +3.3 В.

В проекте  используется сетевой адаптер GS06E-4P1J, который преобразует синусоидальное сетевое напряжение +220 В в постоянное напряжение +15 В. Далее нужно с помощью специальных схем управления питанием получить напряжения -15 В и +3.3 В.

Инвертор напряжения

В качестве инвертора напряжения используется микросхема MAX637. На входе микросхемы MAX637 напряжение +5 В, на выходе -15 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 25 - Типовая схема включения микросхемы MAX637

Микросхемы  MAX637 изготавливаются в корпусе DIP8.

 

 

 

 

Рисунок 26 - Корпус микросхемы MAX637

        Стабилизатор напряжения

На выходе сетевого адаптера напряжение +15 В, а на входе инвертора должно быть +5 В. +15 В преобразуется в +5 В с помощью специальной микросхемы стабилизатора напряжения.

Суть  стабилизатора напряжения в том, что при достаточно большом разбросе входного напряжения его выходное напряжение не меняется (остаётся стабильным).

В качестве стабилизатора напряжения выбрана  микросхема 78L05, дающая на выходе +5 В.  На вход 78L05 мы подаём +15 В.

 

 

 

 

Рисунок 27 - Внешний вид микросхемы 78L05

Технические характеристики 78L05:

Номинальный выходной ток, А	0,1
Максимальное входное напряжение, В	40
Выходное напряжение, В	5

 

Микросхема  78L05 изготавливается в корпусе TO 92.

 

 

 

 

Рисунок 28 - Чертёж корпуса TO 92.

Типовые размеры корпуса TO 92 представлены в табл. 6.1

Таблица 6.1

Размеры	мм
	min	max
E	4.6	5.1
b		0.5
D	4.6	5
d	1.25	1.65
A	3.5	3.8
e	1.2573	1.2827
L	12.5	14.5
L1		2
Q		0.5

 

Понижающий преобразователь напряжения