Электроды для биомедицинских измерений (стр. 4 )

1,2 – точки, между которыми при исследовании АЧХ включается внешний генератор

2.4 Используемое лабораторное оборудование и принадлежности

В работе применяются следующие приборы и принадлежности:

преобразователь ПСА-02 в комплекте с принадлежностями;

запоминающий осциллограф;

генератор низкой частоты;

источник питания;

блок коммутации;

набор гирь или грузиков.

ПРИМЕЧАНИЕ. Допускается замена на другие приборы, обеспечи­вающие требуемую точность измерений.

2.5 Порядок выполнения работы

2.5.1. Определение значения коэффициентов преобразования преобразователя ПСА-02.

Значение коэффициента преобразования преобразователя ПСА-О2 определяют в следующем порядке:

- преобразователь ПСА-02 посредством вспомогательного блока коммутации подключают к источнику питания и запоминающему осцил­лографу и включают источник питания;

- нагружают пелот преобразователя массой 10±1 г;

- резко убирают груз с пелота, фиксируя сигнал осциллографом;

- измеряют перепад выходного напряжения преобразователя.

Значение коэффициента преобразования, К, мВ/Н определяют по формуле:

K=Uвых/mg (2.10)

где m - значение массы гири, кг;

g - значение ускорения свободного падения, м/с2 .

Отклонение коэффициента преобразования от номинального зна­чения, К, мВ/Н, определяют по формуле:

К=К-Кн (2.11)

где К и Кн - соответственно действительное и номинальное значения коэффициента преобразования.

2.5.2. Определение значения нижней граничной частоты преоб­разователя ПСА-02.

Значение нижней граничной частоты преобразователя ПСА-О2 определяют совместно о проверкой коэффициента преобразования в следующем порядке:

- определяют постоянную времени τ - интервал времени, в течение которого изменение выходного напряжения преобразователя ПСА-02 составляет 0,63 от полного перепада Uвых; значение нижней граничной частоты определяют по формуле:

fн=0,33/ τ (2.12)

где fн - расчетное значение нижней граничной частоты, Гц.

-сравнить измеренное значение нижней граничной частоты с паспортным значением.

2.5.3 Измерение амплитудной характеристики преобразователя ПСА-02. Амплитудную характеристику (зависимость уровня выходного сигнала от прилагаемой силы) снимают по точкам, нагружая пелот грузами различной массы и измеряя Uвых так же, как при измерении коэффициента преобразования.

2.5.4 Измерение АЧХ преобразователя. Для этого последовательно с пьезоэлементом включается генератор низкой частоты. Амплитуда сигнала с генератора устанавливается из условия получения нормального выходного сигнала на верхней частоте намерения, частотный диапазон - от 0,05 до 100 Гц. По полученной АЧХ определить нижнюю граничную частоту fн и сравнить ее со значением, полученным в пункте 2.5.2,

2.5.5 По результатам измерения АЧХ и амплитудной характеристики, учитывая параметры схемы и приведенные в работе формулы, рассчитать емкость С преобразователя и пьезоэлектрический модуль d материала пьезоэлемента.

2.5.6 Теоретически исследовать влияние значения емкости конденсатора С1 в схеме усилителя (в диапазоне от 0,10 до 10С) на амплитудно-частотную характеристику преобразователя (S()), τ, fн). Оценить оптимальность выбранного значения С1.

2.5.7 Практическое применение преобразователя для снятия сфигмоартериограммы.

Преобразователь закрепить над местом прохождения артерии. Зарисовать полученные сфигмоартериограммы, определить их параметры (амплитуду и частоту следования составляющих компонентов).

2.6 Содержание отчёта

1 Цель работы.

2 Краткие теоретические сведения.

3 Схемы измерений.

4 Результаты измерений и расчётов в виде числовых значений параметров, таблиц, графиков.

5 Выводы по результатам.

2.7 Контрольные вопросы

1 В чем заключается прямой пьезоэлектрический эффект?

2 Пьезоэлектрические материалы и их свойства.

3 Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя.

4 Схема включения пьезоэлектрического преобразователя и требования к ней.

5 Амплитудно-частотная характеристика пьезопреобразователя с усилителем и влияние параметров схемы на АЧХ.

6 Погрешности пьезоэлектрических преобразователей и способы их уменьшения.

7 Устройство, принцип работы и параметры преобразователя ПСА-02.

8 Способы измерения основных параметров преобразователя ПСА-02.

Литература

1 Жуковский электронные системы. - М.: "Медицина", 19с.

2 , Миррахимов аспекты биотелеметрии. - Фрунзе: Илим, 19с.

3 Измерение электрических и неэлектричеоких величин./ и др.- М.: Энергоатомиздат, 199о.

4 mеЗ.292.095. Преобразователи для кардиографии. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

5 mеЗ.293.095 ДЗ. Преобразователи для кардиографии, методы и средства поверки.

3 Усилители биоэлектрических сигналов

3.1. Цель работы:

1 Изучить особенности и принципы построения и применения усилителей биоэлектрических сигналов (УБС).

2 Получить практические навыки моделирования, расчета и исследования характеристик УБС.

3.2 Краткие теоретические сведения

Источником сигналов для УБС являются живые организмы (биологические объекты), Основными особенностями биоэлектрических источников сигнала, которые необходимо учитывать при проектировании УБС, являются:

1 нестабильность и обычно высокое значение внутреннего сопротивления биоэлектрических генераторов. В процессе длительного исследования внутреннее сопротивление эквивалентного генератора возбуждения может меняться в пределах 103-106 Ом, что определяет необходимость высокого входного сопротивления УБС;

2 на входах УБС не допускается наличие напряжения, которое бы через подводящие провода и электроды оказывало бы воздействие на биообъект в виде возбужденных макро - или микротоков;

3 необходимость подавления паразитного синфазного сигнала, который по величине может во много раз превысить полезный разностный (дифференциальный) сигнал. Основными причинами возникновения синфазных помех на входах УБС являются наводки промышленной частоты, наводки от источников возбуждающего напряжения, применяемых при измерении ряда физиологических параметров, физиологические помехи, представляющие собой сигналы от соседних органов тканей. Подавление синфазных сигналов осуществляется применением на входе УБС дифференциальных усилителей (каскадов).

Размах биоэлектрических сигналов, снимаемых при различных электрофизиологических исследованиях, лежит в диапазоне от 5 мкВ до 120 мВ, диапазон частот этих сигналов - от 10-4 до 104 и более.

К основным требованиям, предъявляемым к УБС, относятся:

1) высокое входное сопротивление, не менее чем на порядок, превышающее максимально возможное внутреннее сопротивление источника биосигнала;

2 способность эффективно подавлять синфазные помехи;•

3 низкий уровень собственных шумов (отношение сигнал/шум, приведенное ко входу УВС, как правило, должно быть не менее 2);

4 обеспечение заданной полосы пропускания, особенно со стороны низких частот;

5 малые габариты, экономичность.

В некоторых случаях УБС должны иметь калибровочное устройство, позволяющее с необходимой точностью определять значение исследуемого входного напряжения.

3.2.1. Основные показатели УБС

1 Коэффициент усиления по напряжении (реже по току):

К= Uвых/Uвх (3.1)

или в децибелах:

K=20lg(Uвых/Uвх),дБ (3.2)

Требуемый коэффициент усиления УБС зависит от усиливаемого потенциала и чувствительности регистрирующего прибора, стоящего после усилителя.

2 Полоса пропускания:

f=fв-fн (3.3)

где fв и fн - верхняя и нижняя граничные частоты. Полоса пропускания в известной мере является условной величиной, так как граничные частоты могут соответствовать различным коэффициентам частотных искажений. Обычно полосу пропускания определяют по граничным частотам, на которых частотные искажения составляют М=1,41.

3 Частотные искажения М определяются из условия:

М=К0/К (3.3)

К0 - коэффициент усиления на средней частоте; К - коэффициент усиления на текущей частоте.

4 Входное сопротивление - сопротивление УБС между его входными зажимами, вычисляемое на определенной частоте. В общем случае оно является комплексным:

Zвх=Uвх/Iвх (3.4)

Однако часто входное сопротивление УБС можно считать чисто активным.

В соответствии со специфическими условиями работы к входному сопротивлению УБС предъявляются очень высокие требования. Обычно входное сопротивление УБС должно составлять не менее десятков и сотен кОм, а при работе с сухими или микроэлектродами - десятки и сотни МОм.

5 Динамический диапазон:

D=20log(Uвыхmax-Uвыхmin) (3.5)

Uвыхmax обычно принимают равным уровню шумов. Динамический диапазон УБС определяется диапазоном изменения биопотенциалов и составляет 40-80 дБ.

6 Нелинейные искажения (коэффициент гармоник):

Кг=()1/2 =()1/2 (3.6)

где Рк, Iк - мощность и ток k-й гармоники на выходе УБС.

7 Собственные шумы. Основным источником собственных шумов УБС являются шумы активных и пассивных элементов. Электронные шумы активных элементов, возникающие в результате рекомбинации носителей в полупроводнике и поверхностных токов, приводятся к входу усилителя. Коэффициент шума транзисторного каскада зависит слабо от схемы и нагрузки, но существенно - от сопротивления источника. Пассивные элементы, в основном резисторы, в том числе внутреннее сопротивление источника сигнала, являются причиной тепловых шумов. Причем основной вклад в напряжение шумов дают входные цепи УБС. Суммарное напряжение тепловых шумов, приведенных к входной цепи усилителя, сильно зависит от полосы пропуска- f и внутреннего сопротивления источника сигнала Rи:

Uш=(U2ш. и+U2ш. ус)1/2=(4kTRиf)1/2 (3.7)

где Uш. и и Uш. ус - действующие значения напряжений тепловых шумов источника сигнала и усилителя, приведенные ко входу, в полосе пропускания; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура, К. При Т = 300 К величина kТ = 0,4*10-20 Вт/Гц. Фактор шума N - безразмерная величина, большая единицы, обычно выражается в децибелах по мощности (в уравнении N должно выражаться в относи тельных единицах). Он является основным параметром при сравнении шумовых характеристик усилителей вообще и, в частности, транзис­торов и операционных усилителей.

Уровень собственных шумов УБС обычно не должен превышать 10-20 мкВ, а для некоторых физиологических параметров - 2-Б мкВ.

3.2.2. Характеристики УБС по отношению к синфазным помехам

УБС обычно используются для усиления сигналов низкого уровня в условиях действия значительных синфазных помех, во много раз превышающих уровень полезного биопотенциала. Основным источником помех при съеме сигналов биоэлектрической активности являются магнитные и электрические наводки на биообъект и сигнальные кабели, соединяющие электроды с усилителем, а также физиологические помехи. Синфазная помеха - это напряжение, наводимое одновременно на две или более линии, передающие сигнал.

Для подавления синфазных помех при усилении малых биоэлектрических сигналов широко используют дифференциальные усилители. Функциональная схема дифференциального усилителя в условиях действия на вход дифференциального и синфазного сигналов показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Функциональная схема дифференциального усилителя