ИТОГИ 3 классы - Управление образования АГО;doc

Министерство образования и науки Украины
Запорожская государственная инженерная академия
Факультет электронной техники
Кафедра физической и биомедицинской электроники
УДК 621.382
Швец Е.Я.
Сидоренко Н.Г.
ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
Методические указания
к выполнению курсового проекта и самостоятельной работы
для студентов ЗГИА специальности 6.050801
Запорожье
2002
Цифровая схемотехника. Методические указания к выполнению курсового для
студентов ЗГИА специальности 6.050801проекта и самостоятельной работы
/Составители: Е.Я.Швец, Н.Г.Сидоренко.- Запорожье: Изд-во ЗГИА, 2002.- 45 с.
Составители: Е.Я. Швец, к.т.н., профессор
Н.Г. Сидоренко, к.т.н., доцент
Ответственный за выпуск: зав. кафедрой физической и биомедицинской
электроники, профессор Швец Е.Я.
2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
4
ВВЕДЕНИЕ
1. Содержание курсового проекта
5
2. Оформление курсового проекта
6
3. Построение многоканального цифрового электрокардиометра
7
3.1.Краткие сведения о подключении многоканальных
электрокардиографов и анализа ЭКГ
7
3.2.Краткие сведения по виду нормальной кардиограммы и ее анализу 10
3.3.Описание цифрового кардиометра
13
3.4.Схема формирования синхроимпульсов
15
3.5.Схема выделения зубцов и интервалов
16
3.6.Распределитель сигналов номеров отведений
17
3.7.Схема измерения числа сердечных сокращений
18
3.8.Схема выбора цифровых кодов элементов ЭКГ
19
3.9.Схема анализа элемента ЭКГ
20
3.10.Запоминающее устройство
23
4. Логическое устройство
25
5. Варианты заданий
27
6. Выбор числа разрядов и типа АЦП
29
7. Синтез логического устройства
32
8. Пример расчета
35
8.1. Расчет АЦП
35
8.2. Разработка общих параметров многоканального
цифрового кардиографа
36
8.3. Расчет количества ИМС ОЗУ
38
8.4. Синтез логического устройства на ЭВМ
38
8.5. Анализ энергопотребления и предложения
по построению источника питания
43
Литература
44
Приложение 1
45
3
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современной биомедицинской электроники неразрывно связано
с внедрением новейших достижений науки, вычислительной техники и
интегральных технологий. При этом широко применяются приборы,
работающие в диапазонах КВЧ, СВЧ, рентгеновских, ИК излучений,
ультразвука и постоянного тока.
В кардиологических, неврологических, хирургических клиниках при
проведении диспансеризации населения применяются многофункциональные и
многоканальные электрофизиологические комплексы, позволяющие не только
повысить точность и скорость диагностики, но и улучшить совместимость
системы врач – ЭВМ – пациент. При этом осуществляется многоканальный
контроль
артериального
давления,
электрокардиограммы,
электроэнцефалограммы, зрительных и слуховых вызванных потенциалов,
реограммы, ударного и минутного объемов крови, температуры, частоты
дыханий и других физиологических показаний.
Такие комплексы выполняются на базе различных сенсоров,
микропроцессорных устройств и средств цифровой техники.
Целью рассматриваемого курса является изучение принципов действия,
построения и применения устройств и функциональных элементов цифровой
техники для их использования в биомедицинских приборах. При этом
существенное внимание уделяется применению стандартных интегральных
микросхем (ИМС) цифровой схемотехники.
Для углубления знаний, формирования умений и навыков предусмотрен
курсовой проект, а также применение персональных компьютеров для анализа
и моделирования узлов биомедицинских приборов.
4
2 СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Среди
состояния
многочисленных
пациентов
инструментальных
ведущее
место
методов
справедливо
исследования
принадлежит
электрокардиографии.
Современные приборы ЭКГ непрерывно совершенствуются, используя
успехи развития цифровой техники и разработки новых ИМС, запоминающихся
устройств (ЗУ) и микропроцессорных систем (МПС).
Темой курсового проектирования (КП) является разработка узлов
цифрового кардиометра, оснащенного ЗУ для ввода в ЭВМ с целью
автоматизации процессов расшифровки и документирования кардиограммы.
При этом кардиометр оснащается схемами автоматического контроля,
позволяющими судить о некоторых элементах ЭКГ непосредственно при ее
получении.
При выполнении КП необходимо:
– разработать структурную схему многоканального цифрового кардиометра
(ЦКМ);
– рассчитать число разрядов n цифрового кода и выбрать тип АЦП;
– разработать схему автоматического контроля одного из элементов ЭКГ;
– выполнить синтез и разработку принципиальной схемы логического узла
(ЛУ) обработки информации на современных ИМС.
Оформление курсового проекта выполняется в соответствии с разделом 2.
Необходимо разработать общую принципиальную схему с использованием
заданного узла и логического устройства, примерный вид которой приведен в
приложении 1. При разработке устройства существенное внимание необходимо
обратить на тип применяемой логики и их согласование по уровням
напряжений и числу разрядов, с учетом схемы блока питания.
5
2 ОФОРМЛЕНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Курсовой проект представляется в виде пояснительной записки и двух
чертежей. Пояснительная записка может быть написана от руки или напечатана
на принтере. Оформление записки выполняется в соответствии с
действующими требованиями.
С целью облегчения представления материалов предлагается следующее
содержание пояснительной записки:
Задание
Аннотация
Введение
1. Описание многоканального цифрового кардиометра (блок-схема).
2. Расчет параметров системы и выбор АЦП.
3. Описание ИМС АЦП и схемы включения.
4. Синтез логического устройства и его построение на ИМС.
5. Принципиальная схема разработанного узла.
6. Результаты моделирования на компьютере.
7. Приложения, описание ИМС.
Заключение.
Литература.
Текст пояснительной записки должен сопровождаться рисунками,
фрагментами электронных схем, распечатками результатов моделирования. Он
должен быть понятен даже без представленных чертежей. В графической части
должны быть представлены на двух листах А2 результирующие
принципиальные схемы всего устройства и разрабатываемого блока (см.
приложение 1).
6
3 ПОСТРОЕНИЕ МНОГОКАНАЛЬНОГО ЦИФРОВОГО
ЭЛЕКТРОКАРДИОМЕТРА
3.1. Подключение многоканальных электрокардиометра.
В клинической практике наиболее широко используют 12 отведений ЭКГ,
запись которых обязательна при ЭК обследовании больного. Это 3 стандартных
отведений, 3 усиленных однополюсных отведения от конечностей и 6 грудных
отведений. На рис. 3.1. показано формирование трех усиленных однополюсных
отведений, при этом в качестве отрицательного электрода применяют
объединенный электрод Гольдбергера, который образуется при соединении
двух конечностей через дополнительное сопротивление.
Рисунок 3.1. Формирование трех усилительных однополюсных
отведений от конечностей.
Внизу - треугольник Эйнтховена и расположение осей трех усиленных
однополюсных отведений от конечностей.
7
При грудных отведениях регистрируют разность потенциалов между
положительным электродом, установленным на поверхности грудной клетки и
отрицательным объединенным электродом Вильсона. Последний образуется
при соединении через дополнительные сопротивления трех конечностей
(правой руки, левой руки и левой ноги). Объединенный потенциал которых
близок к нулю (около 0,2 мВ), рис. 3.2.
Потенциалы грудных отведений обозначаются заглавными буквами
V 1 ,….V 6 . Для расширения диагностических возможностей ЭКГ применяют три
дополнительных грудных отведений V 7 , V 8 , V 9 с установкой электродов на
спинной левой поверхности грудной клетки. Анализ формы и амплитуды
зубцов кардиограммы в различных отведениях позволяет проводить
диагностику с учетом результирующего вектора желудочковой деполяризации
сердца, рис.3.3.
Такую процедуру, несомненно, легче производить по записанной на
бумажную ленту многоканальной ЭКГ. Однако в ряде случаев это требует
наличия необходимых условий и времени.
Разрабатываемый в КП кардиометр предусматривает контроль зубцов и
сегментов ЭКГ, производимый в полуавтоматическом режиме по различным
отведениям с сигнализацией при помощи логического узла о наличии
недопустимых отклонений.
В последнее время находит применение прекордиальная картография,
которая позволяет исследовать больную зону миокарда, уточнить локализации
очаговых изменений миокарда, уточнить локализацию очаговых изменений
миокарда, установить размеры периинфарктной зоны при остром инфаркте
миокарда. При этом используется 35 отведений от грудной клетки,
накладываемых с помощью специального пояса.
Запись кардиограммы на бумажную ленту при скорости ее движения 50
мм/с или 25 мм/с с предварительной калибровкой усиления каждого из каналов
таким образом, чтобы напряжение 1 мВ вызывало отклонение регистрирующей
системы на 10 мм. При малой амплитуде зубцов ЭКГ повышает
чувствительность каналов до 15 или 20 мм/мВ.
Входные дифференциальные усилительные устройства по каждому из
отведений должны подключаться тремя выводами, рис. 3.4.
8
Рисунок 3.2. Установка электрокардиографических электродов
на конечностях и грудной клетке.
Рисунок 3.3. Формирование ЭКГ в отведениях от конечностей (а) и в грудных
отведениях (б) под влиянием среднего моментного вектора желудочковой
деполяризации 0.04 с.
9
Рисунок 3.4. 12 стандартных типов отведений ЭКГ:
V1-четвертый межреберный промежуток, в крайнем правом конце;
V2 –четвертый межреберный промежуток, в крайнем левом конце; V3- в
середине между V2 и V4; V4 –пятый межреберный промежуток, по
среднеключичной линии; V5- на том же уровне,
что и V4 –на передней подмышечной линии;
V6- на том же уровне, что и V4, на среднемышечной линии.
3.2 Краткие сведения по виду нормальной кардиограммы и ее анализу.
Любая ЭКГ состоит из нескольких зубцов, сегментов и интервалов,
отражающих сложный процесс регистрации волны возбуждения по сердцу. На
рис. 3.5 показан вид ЭКГ для случая отсутствия нарушений частоты сердечных
сокращений (ЧСС) и проводимости.
10
Рисунок 3.5. Пример анализа сердечного ритма и проводимости: ритм
правильный, ЧЧС 59 в минуту; ритм синусовый. Длительность Р-0.08 с,
P-Q (R) – 0.16 с, QRS – 0.09 с. Заключение: нарушения ритма
и проводимости отсутствуют.
На кардиограмме выделяются зубцы P,Q,R,S и T, которые могут
изменяться в различных отведениях. Соотношение амплитуд зубцов позволяет
определить положение вектора электрической оси сердца и величину угла α.
Например, на рис.3.6 показан пример определения положения
электрической оси сердца по соотношению зубцов QRS на стандартных
отведениях в шестиосевой системе координат Бейли.
Рисунок 3.6. Пример визуального определения угла α по форме желудочкового
комплекса QRS в 6 отведениях от конечностей (угол α= +60°)
Для грубой предварительной оценки функции проводимости
возбуждения необходимо измерить длительность зубца Р, продолжительность
интервала P-Q(R) и общую длительность процесса проведения возбуждения по
желудочкам, или длительность желудочкового …. QRS. После этого измеряют
интервал внутреннего отклонения на отведениях V 1 –V 6 , рис. 3.7.
11
Рисунок 3.7. Измерение интервала внутреннего отклонения.
а и б – нормальная продолжительность интервала внутреннего
отклонения в отведении V1 (0.03 с) и V6 (0.05 с);
в и г – увеличение времени внутреннего отклонения.
В работе [1] рекомендуется 8-шаговый интерпретации ритмограмме:
1. Выполнить оценку ритмичности работы сердца, оценивая изменения
периодичности.
2. Определить ЧСС, которая в норме лежит в пределах 60 … 100 пульсаций
в минуту.
3. Оценить зубцы Р по наличию, полярности, плавности , постоянству и
длительности.
4. Оценить интервал P–R и его постоянство. Его величина лежит в
пределах 0,12– 0,2 сек.
5. Измерить длительность комплекса QRS, которая должна составлять 0,06
… 0,2 сек.
6. Оценить зубцы Т по полярности, длительности, постоянству и форме.
7. Определить длительность интервала QT, которая должна составлять
0,36 … 0,44 сек.
8. Оценить другие компоненты ЭКГ.
При анализе ЭКГ в отведениях V1 … V6 может наблюдаться увеличение
длительности интервала внутреннего отклонения от начала зубца R. В
патологии наблюдается увеличение этого интервала и расщепление зубца R,
рис.3.8.
Рисунок 3.8. Оценка функции проводимости по ЭКГ.
12
3.3. Описание цифрового кардиометра.
Многоканальный цифровой кардиометр (МЦК), рис. 3.9 предназначен
для снятия ЭКГ одновременно по нескольким отведениям, преобразования этих
сигналов
в цифровую форму и записи в ОЗУ для дальнейшего
документирования и анализа. Существенной особенностью МЦК является
автоматическое измерение основных параметров
ЭКГ и логической
обработкой результатов измерений
и сигнализацией. При этом такие
измерения могут выполняться как перед записью сигналов ЭКГ, так и во время
ее выполнения. Рассматриваемый МЦК может выполняться как отдельный
переносной прибор, так и в виде входного блока стационарного кардиографа.
Рисунок 3.9. Структурная схема кардиометра.
Здесь приняты следующие обозначения блоков и сигналов:
ВУ-входной усилитель; КНО-код номера отведения; Ф-фильтр нижних частот;
КИ- код информации; НО- номер отведения; АК- аналоговый коммутатор;
МУ- масштабный усилитель; АЦП- аналогово-цифровой преобразователь;
Г-генератор; С1- счетчик-делитель отведения; ДН- дешифратор номера
отведения; С2- счетчик временных интервалов; ДИ- дешифратор номеров
интервалов; СС- схема согласования; НК- накопитель ОЗУ;
МБА- многоканальный блок анализа; УК- узел калибровки; УС- узел
сигнализации; ЛУ- логический узел; УС- узел сигнализации; БП- блок питания.
13
Положительные электроды отведений подключаются на l входов Х 1l ,
сигналы которых усиливаются ВУ и через фильтр подаются на аналоговый
коммутатор АК. В качестве фильтра нижних частот можно применять фильтр
Баттерворта или другой тип такого звена. Коммутатор на АК подключает
каждое из отведений с частотой f k = 100Гц к АЦП, выходные коды которого
записываются в ОЗУ.
Синхронное управление МЦК выполняется схемой синхронизации
(СХС), состоящей из генератора Г задающей частоты f зд , счетчиков делителя
С1, С2 , дешифратора номеров ДН отведений и дешифратора ДН номеров
временных интервалов ЭКГ. Если выбрать соотношение
f зд = l f k = 100 l
(3.1)
то при коэффициенте счета k сч = l на выходах дешифратора ДН будут
появляться импульсы с частотой 100 Гц, которые будут переключать сигналы l
отведений. Эти же импульсы управляют адресами цифровых слов отведений
для записи в ОЗУ.
Счетчик С2 управляет адресом ячеек ОЗУ по временным интервалам. Он
изменяет адрес строки НК после записи строки цифровых слов и всех l
отведений.
Для выполнения текущего анализа ЭКГ по каждому из отведений
предусмотрен многоканальный блок анализа МБА. На него подаются цифровые
коды номера информации КН с выхода АЦП, и цифровые коды номера
отведений КНО и по выводу б аналоговый сигнал ЭКГ по первому отведению
вида V1.
Рисунок 3.10. Структура блока анализа.
Многоканальный блок анализатора содержит ряд схем,
нумерация которых и функциональное назначение приведены ниже:
А1- схема формирования синхроимпульсов; А2 –схема формирования
импульсов положения зубцов ЭКГ; А3- схема выделения зубца Р;
А4- распределитель сигналов номеров отведений (РСО); А5- схема измерения
периода сердечных сокращений (ИПС); А6- схема выбора цифровых кодов
элементов ЭКГ (ВЦК); А7- схема контроля амплитуды зубца (КАЗ);
А8- схема анализа зубцов Q и S; А9 – схема анализа зубца Т;
А10- схема измерения и анализа ЧСС.
14
Построение этих схем рассматривается дальше. Блок МБА формирует
сигналы a, b, c для управления логическим узлом ЛУ, который формирует
выходной информационный сигнал Y ускоренного анализа состояния пациента.
3.4 Схема формирования синхроимпульсов.
Для обеспечения работоспособности схемы МЦК необходимо иметь
импульсы синхронизации, обеспечивающие начальный момент отсчета для
цифровых измерителей. В качестве начальных моментов отсчета целесообразно
принять моменты начала формирования зубцов R. Схема формирования
импульсов синхронизации показана на рис. 3.11. Входной сигнал ЭКГ подается
на вход Х1.
Рисунок 3.11. Схема формирования синхроимпульсов.
Известно, что зубец R имеет небольшую амплитуду и крутой передний
фронт. Поэтому в схеме применена дифференцирующая RC-цепь и диод VD,
пропускающий положительный импульс на вход компаратора DA1.1. Поровый
уровень сравнения задается достаточно высоким и задается делителем на
другом входе компаратора. Для формирования выходных импульсов двух
полярностей применены инверторы на схемах DD1.1 и DD1.2. Выходные
синхроимпульсы снимаются с выхода Х2.
При существенных отклонениях ЭКГ от нормальной возникают
затруднения в формировании синхроимпульсов, рис. 3.12.
Рисунок 3.12. ЭКГ при трепетании (а) и мерцании (фибрилляции) желудочков
(б). Трепетание вызвано правильным круговым движением, мерцание –
неправильным вихревым движением волны возбуждения по желудочкам.
15
Однако такие ситуации однозначно выделяются схемами измерения ЧСС и
являются сигналами наличия патологических ситуаций.
3.5. Схема выделения зубцов и интервалов.
Для выполнения измерений параметров зубцов, интервалов и сегментов
ЭКГ необходимо выполнить их автоматизированное выделение. Эту задачу
можно решить, используя схемы сравнения напряжений в аналоговой форме,
рис. 3.13. Выбрав пороговые напряжения Uп1, Uп2, формируют прямоугольные
импульсы, длительности которых близки к длительности зубцов ЭКГ.
Рисунок 3.13. Формирование импульсов положения зубцов ЭКГ.
Принципиальная схема такого устройства показана на рис. 3.14. Здесь два
компаратора DA1.1 и DA1.2 сравнивают напряжение U с пороговым
напряжением, величина которых задается делителями R1, R2 и R3, R4.
Логические элементы DD1, DD2 применены для формирования импульсов
положения зубцов в прямой и инверсной формах.
Рисунок 3.14. Схема формирования импульсов положения зубцов ЭКГ.
16
Полученные сигналы с выходов двух каналов сравнения поступают на
элемент D3 логического суммирования, образуя последовательность импульсов
разной длительности в виде суммарного напряжения U 0 . Для разделения этих
импульсов во времени производится их подсчет относительно импульсов
синхронизации Uси с присвоением номера их положения на интервале
длительности периода сердечных сокращений. Для этого применен счетчик D4
и дешифратор D5. Счетчик D4 устанавливается в нулевое положение по входу
R каждым импульсом синхронизации Uси в начале действия зубца R.
При этом на выходе дешифратора D5 образуется последовательность
прямоугольных импульсов, длительности которых равны интервалам времени
между передними фронтами импульсов зубцов R S T P Q. Таким образом,
выделяются интервалы времени R-S, S-T, T-P, P-Q, Q-R.
Для выделения импульсов положения и измерения зубцов R S T P Q и
необходимых интервалов можно применять дополнительные логические схемы
совпадений. Например, на рис. 3.15 показана схема выделения измерительных
импульсов интервала зубца Р и интервала P-Q (R).
Рисунок 3.15. Схема выделения зубца Р и сегмента P-Q (R) из интервала P-Q.
Сформированные импульсы управляют работой схем устройства с
раздельным измерением параметров зубцов R S T P Q.
Здесь импульсы интервалов P-Q с выхода дешифратора совпадают с
импульсами суммарного напряжения U 0 только на интервалах действия зубца
Р. При этом на выходе схемы D1 выделяются из общего сигнала U 0 импульсы
измерения зубца Р, а на выходе схемы D3 импульсы интервала P-Q (R).
3.6. Распределитель сигналов номеров отведений.
Применяется для синхронного одновременного управления номерами
каналов аналогового коммутатора АК и значений адресов ОЗУ, рис. 3.9.
Распределитель содержит генератор Г, счетчик С1 и дешифратор кода номера
отведения ДН. Принципиальная схема распределителя показана на рис. 3.16.
17
Рисунок 3.16. Распределитель сигналов номеров отведений.
Генератор прямоугольных импульсов собран на элементах DD1.1 и DD1.2
и имеет выходной формирователь DD1.3. Частота повторения импульсов fзд
выбирается в соответствии с формулой (3.1) и зависит от числа отведений l.
Эти импульсы поступают на счетчик DD2, который сбрасывается в исходное
нулевое состояние по входу R, когда число импульсов на входе достигает
значения l-1. Формирование импульса сброса осуществляется элементом DD5.
Для формирования задержки по сбросу и исключения «гонок» применения
накопительная цепочка R2, C2.
Цифровой код номера отведения КНО подается на другие узлы устройства
и дешифратор на схеме DD6. На выходах дешифратора Q1…Ql поочередно
появляются импульсы для управления аналоговым компаратором АК и
адресами ОЗУ.
Возможно применение АК, управление которым выполняется кодами КНО
с выхода счетчика С1.
3.7. Схема измерения числа сердечных сокращений.
Анализ сердечного ритма начинается с определения регулярности и
числа сердечных сокращений (ЧСС). Регулярный или правильный ритм сердца
диагностируется в том случае, если продолжительность Т R интервалов между
зубцами R одинакова и разброс этих интервалов ∆ТR не превышает 10 % Т R. В
остальных случаях считают ритм неправильным, что может наблюдаться при
экстрасистолии, синусовой аритмии и в других случаях.
Величину ЧСС можно найти непосредственным подсчетом. Однако на
практике более удобно определяется ЧСС по специальной таблице после
измерения величины ТR . У здорового человека величина ЧСС находится в
пределах 60 … 90 в минуту.
9,7сек < ТR < 1сек
При наличии аритмии, бридикардии или тахокардии строгое
определение разброса величин ТR , ∆ТR приводит к усложнению аппаратуры и
объема памяти ОЗУ. Поэтому в МЦК применена схема измерения интервала
сердечных сокращений с точностью 0,1 сек и цифровой индикацией, рис. 3.17.
18
Рисунок 3.17. Схема измерителя периода сердечных сокращений.
На вход схемы поступает импульсы U f c частотой f = 100 Гц, которые
формируются в канале синхронизации. Входной канал на схеме D1 открывается
управляющим импульсом U у и импульсом U f поступают на вход десятинного
счетчика – делителя D2, который делит эту частоту на 10. Поэтому на вход
счетчика D3 подаются импульсы с частотой 10 Гц. Выходной код счетчика D3
записывается в регистр D4.
Импульсы синхронизации U R , связанные с зубцом R ЭКГ управляют
сбросом на нуль счетчиков D2 D3 и записью цифрового кода в регистр D4.
Выходной код регистра подается на дешифратор DC управляющий схемой
индикации HG, обозначенной
как D5. Таким образом, осуществляется
измерение, и цифровая индикация с точностью до 0,1 сек интервала T R ,
определяющего ЧСС.
С целью автоматического определения наличия аритмии и индикации
отклонений ЧСС от нормы применена схема D8. Сравнения цифровых кодов с
выхода регистра D4 и цифрового шифратора D7. Код шифратора может
устанавливаться в необходимых значениях при помощи переключателя S.
Выходные сигналы U 0 схемы сравнения D8 используются для
управления и индикации наличия аритмии. Например, при наличии аритмии
напряжение на всех выходах схемы D8 будут иметь вид импульсов.
3.8. Схема выбора цифровых кодов элементов ЭКГ.
В процессе получения ЭКГ при цифровом преобразовании сигналов от
нескольких отведений возникает необходимость выделить цифровые коды,
соответствующие любому отведению и необходимому элементу кардиосигнала.
Такую задачу решает схема, показанная на рис. 3.18.
19
Рисунок 3.18. Схема выбора цифровых кодов.
Схема позволяет переключателем S1 задать необходимый элемент ЭКГ
и переключателем S2 задать номер необходимого отведения. При этом на
выходах логических схем совпадений DD3 – DD4 будут появляться с частотой
100 Гц параллельные цифровые коды заданного элемента ЭКГ.
На схеме DD1 выполнен шифратор номера кода отведения, подаваемого
на схему сравнения кодов DD2. На другие входы этой схемы поступает
непрерывно изменяющийся код номера отведений КНО. При совпадении этих
кодов на выходе DD2 появляются импульсы, отпирающие клапаны DD3, на
которые подается параллельный входной код DI (date input) с выхода АЦП.
Для выбора необходимого элемента ЭКГ применена вторая группа логических
схем DD4.На нее подаются импульсы необходимого элемента через
переключатель S1.
Таким образом, на выходе схемы появляется параллельный цифровой
код D0 (date output) выбранного участка ЭКГ по заданному номеру отведения.
3.9. Схема анализа элемента ЭКГ.
Анализ параметров элементов ЭКГ является сложной и важной задачей.
Например, полярность зубца Р в отведениях I, II, III является важнейшим
электрокардиографическим признаком, указывающем на направление волны
возбуждения по предсердиям.
На рис. 3.19 показаны необходимые для измерения параметра зубца Р.
20
Рисунок 3.19. Измерение амплитуды и продолжительности зубца Р ЭКГ.
А р – амплитуда зубца Р, t р – длительность зубца Р.
При этом еще необходимо фиксировать полярность зубца Р.
Для анализа ишемических повреждений сердечной мышцы важным
показателем является вид сегмента RS-T, его полярность и продолжительность,
рис. 3.20.
Рисунок 3.20. Механизм смещения сегмента RS-T при ишемическом
повреждении сердечной мышцы (заштрихованный участок).
а- субэпикардиальное (или трансмуральное) повреждение;
б – субэндокардиальное повреждение. Вектор повреждения RS-T возникает на
границе зоны повреждения и участков интактильной здоровой мышцы
в течение всего периода регистрации сегмента RS-T.
Для выполнения автоматизированного анализа элементов ЭКГ
необходимо обеспечить измерение длительности и амплитуды выделенных
импульсов, представленных цифровыми кодами. Таким образом, схема анализа
элемента ЭКГ выполняется в виде двухканального устройства: один канал
измеряет длительность, другой – амплитуду и полярность импульсов.
Построение схемы измерения временных интервалов были рассмотрены выше.
Построение
цифровых
измерителей
амплитуды
усложнено
необходимостью выделения моментов времени, соответствующих наибольшим
значениям импульсов. С целью упрощения схемы предлагается применить
сравнение напряжений зубца ЭКГ с некоторым кривым напряжения V1,
которые можно изменять, рис.3.21.
21
Рисунок 3.21. Схема контроля амплитуды зубца ЭКГ.
Схема содержит входной регистр D1, записывающий цифровые коды
напряжений зубца, дешифратор этих кодов D2, управляющий схемой цифровой
индикации HG, обозначенной как D4. Кроме того, имеется схема D6 сравнения
цифровых кодов, на которую подаются коды с выхода шифратора D5.Входные
тактовые импульсы Ut поступают через схему совпадений D7 на управляющий
вход регистра D1 и разрешают запись очередного значения кода напряжения
зубца.
Переключатель S подает постоянное напряжение V1, логической единицы
на разные входы, дешифратора D5. При этом изменяются значения его
выходных кодов В1 … Вn. Переключатель S снабжен цифровым указателем
положений, позволяющим судить о величине напряжения V1 в цифровой
форме.
Если эквивалентное напряжение V1 мало, значения цифрового кода В
меньше текущих значений кода напряжения зубца кардиограммы, то на выходе
схемы сравнения D6 присутствует напряжение Ua1 логической единицы,
которое подано на схему совпадений D7 и разрешает прохождение импульсов
Ut.
При переключении S1 значения выходного кода В дешифратора D5
возрастают, достигается условие равенства наибольших значений кода
напряжения зубца коду шифратора D5. После этого напряжение Uа1 на выходе
схемы сравнения становится равным нулю, что приводит к запиранию элемента
D7.
22
Регистр D1 хранит значения записанного кода, которые перестают
изменяться, и отображаются на индикаторах HG.
Таким образом изменяя положение переключателя S1, можно по
цифровому индикатору судить о величине напряжения зубца ЭКГ.
Представляет интерес рассмотреть построение схемы с заменой
переключателя S электронным формирователем и с использованием схемы
ЦАП.
3.10. Запоминающее устройство.
Схема построения ОЗУ зависит от числа адресных входов А1 … A m , так и
количества цифровых слов, подаваемых на вход DI (date input).
Информационная емкость ФМЦК может быть достаточно велика. Например,
при разрядности кода АЦП n=8, наличия числа отведений l=8, частоте f=100Гц
преобразование точек ЭКГ и записи кардиограммы в течении Т ЗП = 5 … 6 сек
потребуется ОЗУ, содержащее n С = 8*8 столбцов и число строк z = 600.
Информационная емкость ОЗУ на одного пациента при этом составит
Ф = f П ТЗП * n l = 600 * 64 = 0,5K * 64
(3.2)
Увеличение информационной емкости возможно за счет повышения
разрядности слов, рис. 3.22.
Рисунок 3.22. Схема с суммированием разрядности.
Здесь объединены k корпусов, имеющих разрядность m по адресам. Адреса
чисел задаются (а + в) – разрядным кодом, причем одна часть адресует строки,
а другая – столбцы накопителя. Режим работы задается комбинацией сигналов
выбора микросхем С5, режима работы запись-считывание WR. Входная
информация DI (date input) и выходная информация DO (date output) подается
на каждый корпус раздельно.
23
Другим способом повышение емкости ОЗУ является поочередное или
выборочное включение микросхем памяти, рис. 3.23.
Рисунок 3.23. Устройство с обращением к одной из ИМС.
Здесь к общему числу m адресных шин добавляют i-адресов старшего
разряда, которые подаются на дешифратор D k+1 . Его выходные сигналы по
входам CS выбирают только одну из микросхем памяти.
На практике оказывается, что реализация ОЗУ требует комбинирования этих
схем, как для повышения разрядности, так и общего числа цифровых слов.
Желательно рассмотреть применение новых элементов памяти, например,
типа Flash. Можно применять широко известные ИМС типа К573 РУ 9А,
имеющие организацию 2К * 8, время обращения около 0,24 мкс при токе
потребления 1 мА.
24
4 ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
ЛУ
предназначено
для
формирования
сигналов
сигнализации
результатов анализа. У элементов ЭКГ пациента и управления режимами
работы каналов МЦК при автоматическом или полуавтоматическом режиме
работы. Измерение параметров элементов ЭКГ могут производиться как в
процессе записи ЭКГ в ОЗУ, так и при подготовке к ней.
Измерительные схемы содержат цифровые компараторы, которые
формируют напряжения Ua, Ub, Uc для управления по параметрам а, b, c и
сигнализации и выходе этих параметров за пределы доступа, рис. 4.1.
Рисунок 4.1. Выходное логическое устройство.
При этом значения логических величин а, b, c существенно зависят от
выбора допускаемых пределов изменения входных сигналов, а значит и на вид
выходной функции Y логического устройства.
Y = ϕ ( a ,b ,c )
(4.1)
Рассмотрим, например, формирование логических величин а, b, c по
напряжению U P , U Q , U T
для зубцов P, Q, T соответственно. При отсутствии
патологии принимаем а = 0, b =0, c = 0.
При митральных пороках сердца напряжение зубца Р снижается U P <2,5
mB и можно принять а = 1. Характерным признаком инфаркта миокарда
является патологический зубец Q длительность которого превышает 0,04 сек, а
цифровой компаратор сформирует сигнал U Q или b = 1. Кроме того, признаком
инфаркта является высокий и широкий зубец Т, что приводит к появлению
сигнала, с = 1.
При появлении этих сигналов или одного из них ЛУ должно
сформировать выходное напряжение Y = 1.
Составим таблицу 4.1 истинности функции у для сигналов а, b, c.
25
Таблица 4.1 Истинность функции Y.
a
0
0
0
0
1
1
1
1
b
0
0
1
1
0
0
1
1
c
0
1
0
1
0
1
0
1
Y
0
1
1
1
1
1
1
1
Запишем значение функции Y на выходе ЛУ:
Y = a b c + a b c + a bc + a bc + a b c + a b c + abc + abc
Нетрудно видеть, что случаю отсутствия патологии, соответствует
только первое слагаемое.
В реальных случаях наблюдаются одновременно признаки различных
отклонений элементов кардиограммы от нормы. Например, люди с пороком
сердца, длительно ведут нормальный образ жизни. Поэтому, врач сам выбирает
пороги срабатывания цифровых компараторов, оценивает совокупное влияние
параметров элементов ЭКГ, а следовательно, выбирают какие слагаемые
следует оставить в приведенном выражении при формировании функции Y.
Для реализации такого решения можно предусмотреть сменные блоки
или переключаемые каналы с использованием программируемой логической
матрицы ПЛМ. Если ввести в рассмотрение большее число одновременно
рассматриваемых параметров, то вид функции Y значительно усложняется.
Функция Y задается для синтеза и построения ЛУ на логических
элементах. При этом необходимо выполнить минимизацию логического
уравнения (4.1), а затем разработать схему ЛУ на современных ИМС.
26
5 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ
Расчет по курсовому проекту выполняется в соответствии с разделом 1.
Для выполнения расчетов заданы: относительная погрешность измерения γ %,
верхняя частота fв полосы пропускания ОУ, ожидаемое максимальное
напряжение U m на входе АЦП, среднее напряжение помех σ п и сигнала U 1 на
входе ОУ, количество отведений l, заданная функция Y логического
преобразования и серия ИМС. Кроме того, в таблице заданий указаны шифр
схемы подлежащей разработке. Обозначения или шифр этих схем
соответствуют рисунку 3.10.
В таблице 5.1 приводятся варианты задания этих величин.
Таблица 5.1 – Варианты заданий.
№ Вар.
γ%
f в,
Гц
U m,
В
Разр.
σп,
схема
1
0.5
100
2
2
1
200
3
1.5
4
μВ
Серия
ИМС
l
Логическая
функция Y
А1
200
КР1531
2
ϕ1 + ϕ2 + ϕ4
2.5
А2
150
КМ155
3
ϕ2 + ϕ3 + ϕ4
500
1.5
А3
50
К555
4
ϕ3 + ϕ4 + ϕ5
2
500
3
А4
35
1531
3
ϕ4 + ϕ5 + ϕ6
5
2.5
200
2.4
А5
20
КР1533
4
ϕ5 + ϕ6 + ϕ7
6
3
100
2.3
А6
100
К555
2
ϕ6 + ϕ7 + ϕ8
7
0.5
150
3
А7
200
КР1531
3
ϕ7 + ϕ2+ ϕ3
8
2.5
300
1.5
ОЗУ
35
КМ555
4
ϕ8 + ϕ3 + ϕ5
9
3
200
1.8
А1
30
133
3
ϕ1 + ϕ4 + ϕ5
10
2
300
2
А2
35
533
2
ϕ2 + ϕ5 + ϕ6
11
2.5
150
2.3
А3
50
К555
4
ϕ3 + ϕ6 + ϕ7
12
3.5
250
2.5
А4
150
КР531
3
ϕ4 + ϕ6 + ϕ8
13
0.5
150
3
А5
125
КМ555
4
ϕ5 + ϕ7 + ϕ2
14
3
100
2.5
А6
50
КР531
3
ϕ6 + ϕ1 + ϕ3
15
0.5
200
2
А7
35
КМ155
2
ϕ7 + ϕ4 + ϕ5
16
3.5
150
1.5
ОЗУ
25
533
4
ϕ8 + ϕ5 + ϕ6
17
2
100
2
А1
15
133
3
ϕ1 + ϕ4 + ϕ7
18
1.5
200
2.5
А2
50
1531
4
ϕ2 + ϕ5 + ϕ6
19
2.5
100
1.5
А3
15
КР1531
3
ϕ1 + ϕ3 + ϕ7
27
№ Вар. γ, %
f в,
Гц
U m,
В
Разр.
σп,
схема
μВ
Серия
ИМС
l
Логическая
функция Y
20
1
150
3
А4
20
КМ155
2
ϕ2 + ϕ7 + ϕ3
21
1.5
170
2.5
А5
200
1531
3
ϕ1 + ϕ3 + ϕ5
22
2.5
250
2.7
А6
35
К176
4
ϕ2 + ϕ4 + ϕ7
23
0.5
200
1.5
А7
130
К561
3
ϕ1 + ϕ4 + ϕ6
24
3.5
300
2.8
ОЗУ
15
КР1561
2
ϕ2 + ϕ5 + ϕ8
25
3
350
3
А1
45
К176
4
ϕ2 + ϕ6 + ϕ8
26
0.5
150
2.5
А2
125
КМ555
3
ϕ3 + ϕ2 + ϕ7
27
0.5
200
2
А3
20
К561
4
ϕ3 + ϕ4 + ϕ7
28
2.5
250
2.9
А4
15
КР531
3
ϕ4 + ϕ5 + ϕ6
29
1
400
1.8
А5
50
К176
2
ϕ6 + ϕ7 + ϕ8
30
3.5
500
2.2
А6
45
КМ555
3
ϕ1 + ϕ2 + ϕ3
Логические функции ϕ, входящие в функцию Y, имеют вид:
ϕ 1 = a⋅ b⋅ c
−
ϕ5 = a ⋅ b ⋅ c
Величина
−
−
ϕ2 = a ⋅ b ⋅ c
−
ϕ 3 = a ⋅ b⋅ c
−
− −
ϕ6 = a ⋅ b ⋅ c
входного
ϕ 7 = a ⋅ b⋅ c
напряжения
U1,
которое
− −
ϕ 4 = a ⋅ b⋅ c
− − −
ϕ 8 = a ⋅ b⋅ c
является
средним
напряжением зубца, выбирается самостоятельно в пределах 3 … 5 мВ.
Расчеты необходимо начать с выбора числа разрядов АЦП и его типа.
Допускается при наличии технических обоснований изменить величину
параметра из задания по согласованию с преподавателем.
28
6 ВЫБОР ЧИСЛА РАЗРЯДОВ И ТИПА АЦП
Число разрядов n цифрового кода определяет точность преобразования,
если оценивать ошибку δ величиной одного дискретного кванта входного
напряжения. Однако, значительное увеличение числа разрядов реально не
увеличивает точность работы за счет влияния шумов, помех и нелинейности
характеристик. Нетрудно представить многоразрядный индикатор, на котором
несколько цифр отображаются постоянно, а остальные непрерывно
изменяются.
На рис. 6.1 показаны изменения напряжений при изменении входной
величины h.
Рисунок 6.1 – Изменение напряжений на входе U1, выходе U2 операционного
усилителя и уровни квантования АЦП.
При увеличении сигнала U1 на входе ОУ и напряжение U 2 на его выходе.
Величина V m определяется амплитудной характеристикой ОУ и может быть
при необходимости увеличена повышением напряжения питания Е
операционного усилителя.
Если максимальное входное напряжение U m АЦП меньше V m , то
наибольшее значение входной величины h определяется точкой m.
Величина одного кванта напряжения δ, пересчитанная на вход ОУ с
коэффициентом усиления К u , составляет
δ=
Um
(
)
Ku 2 n − 1
≅
Um
Ku 2 n
(6.1)
Допустим, что случайное напряжение шумов и помех на входе
ОУ распределено по нормальному закону и имеет среднеквадратическое
значение σ. При этом можно выбрать
δ ≥ 2σ
Um
Ku 2 n
29
≈ 2σ
Поэтому число разрядов АЦП можно выбирать из условия
2n ≈
Um
2 Ku σ
n ≤ ln
,
Um
/ ln 2
2 Kuσ
Таким образом, для выбора числа разрядов n нужно
коэффициент усиления K u и определить σ.
Коэффициент усиления ОУ можно найти, используя заданные
напряжения
Кu ≅
Um
U1
(6.2)
выбрать
(6.3)
Теперь удобно рассмотреть расчет величины σ, которую находят по
формуле
2 + 2
σ = σ 2R + + σ ш
(6.4)
σп
Здесь σR, σш, σ п являются среднеквадратическими (СКЗ) значениями
шумов входных резисторов, шума и помехи на входе ОУ соответственно.
Величина σ R может быть найдена как функция среднего постоянного
рабочего напряжения U на резисторе в виде
σ R = pU
(6.5)
Здесь логично выбрать U ≅ 2...5 мB, а плотность ρ шумов для
металлопленочных резисторов группы А составляет ρ ≅ (4...5)⋅10-6 1/В.
Значение σШ можно найти, зная спектральную плотность собственных
шумов ОУ, приведенных к его входу. Для современных малошумящих ОУ
различных типов, например КР140УД25Б, КР1407УД3 и других, она составляет
ρ ≅ (3...5)⋅10-9 В/Гц.
Известно, что в области нулевых частот плотность шумов ОУ возрастает
примерно на порядок. Поэтому логично принять ρ ≅ (30...50)⋅10-9 В/Гц. И
рассчитать величину СКЗ напряжения по формуле
σш ≅ ρ⋅fв
(6.6)
Значение верхней частоты fв полосы пропускания усилителя задано.
Уровень помех σп на входе зависит от наличия внешних источников
помех, экранирования и способов подключения схемы. Для упрощения задачи
принято считать, что величина СКЗ помехи известна по заданию.
Выполненный анализ позволяет принять следующий порядок расчета.
Сначала по формулам (6.6), (6.5) находят значения σ R, σ ш. Потом находят σ по
30
формуле (6.4). Затем, определив К U по формуле (6.3), вычисляют число
разрядов по формуле (6.2). Это число, полученное с учетом шумов, логично
обозначить в виде nш .
Рассмотрим необходимое число разрядов кода n т из условий заданной
точности
100
nт ≥ ln
(6.7)
/ ln 2
γ%
Например, при точности γ = 1%, следует n т ≥ 6.6 и следует выбрать
n т = 7.
Для выбора числа разрядов n АЦП следует сопоставить полученные
значения nш и n т. Если n ш < nт , то выбор n из условий точности приведет к
тому, что несколько младших разрядов числа на дисплее будут изменяться
случайным образом, и точность измерения будет понижена.
В этом случае необходимо принять меры по интегрированию
управляющего сигнала, если случайная составляющая имеет математическое
ожидание, близкое к нулю. Кроме того, следует применить АЦП с двойным
интегрированием, подавляющим сетевые помехи. При этом в формулу (6.2)
можно предположительно ввести коэффициент подавления помех К п ≅ 5...10 и
выполнять расчеты по формуле
U ⋅К
nш ≤ ln m п / ln 2
2 КU ⋅ σ
(6.8)
Применение специальных мер по снижению влияния шумов и помех
позволяет достичь более высокой точности работы цифрового измерителя.
Быстродействие
АЦП влияет на
выбор параметров МЦК.
Промышленность выпускает ряд АЦП в виде ИМС, и необходимо выбрать
нужный тип для применения в устройстве [7].
31
7 СИНТЕЗ ЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА
И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ
Допустим, что заданная для реализации логическая функция Y имеет вид
в форме СДНФ
Y = (a ⋅ a ⋅ b ⋅ c )+ a ⋅ b⋅ c
− − −
+
−
−
a⋅ b ⋅ c
−
+
a ⋅b ⋅c
Преобразуем первое слагаемое к виду
a ⋅ a ⋅b ⋅c = a ⋅ b ⋅ c
т.к. a ⋅a = a
Поэтому функция работы логического узла составит
−
−
− − −
− −
−
Y = a ⋅ b⋅ c + a ⋅ b⋅ c + a ⋅ b⋅ c + a ⋅ b ⋅ c
Составим карту Карно для трех переменных – рис. 7.1.
c
a ⋅b
a ⋅b
a ⋅b
a ⋅b
1
c
a ⋅b
a ⋅b
a ⋅b
a ⋅b
1
1
1
c
c
1
1
(7.1)
1
1
а)
б)
Рисунок 7.1 – Исходная карта Карно (а) и карта
с объединительными контурами (б).
В исходной карте каждая клетка соответствует возможному логическому
слагаемому. Единицы проставляются в клетках, которые соответствуют
имеющимся слагаемым функции Y. В рассматриваемой функции Y - четыре
слагаемых, и им соответствуют четыре единицы в карте Карно. Например,
верхняя левая клетка соответствует второму слагаемому.
Далее объединяем соседние клетки с единицами в прямоугольные
области с числом клеток 2к, где К = 0, 1, 2, 3.... Области могут пересекаться, и
одни и те же клетки могут входить в разные области. Здесь выделены две
области по две клетки, рис. 7.1.
При выделении таких областей необходимо выбирать их так, чтобы они
содержали логические величины, дополняющие друг друга. Например, в
−
−
верхнем контуре это с и с , а в нижнем левом – это b и b . Учитывая тождество
−
х + х = 1, можно упростить исходную функцию. При этом число слагаемых
будет равно числу выделенных областей, а дополняющие друг друга элементы
исключаются. Таким образом
− −
−
(7.2)
Y = a ⋅ b+ a ⋅ c
Первое слагаемое соответствует верхней области с исключением
величины с, а второе – нижней области с исключением величины b. Реализация
32
такой минимальной дизъюнктивной нормальной (МДНФ) функции потребует
минимального количества логических элементов.
Можно минимизировать исходную функцию Y, применяя правила
алгебры логики, и получить результат (7.2). Однако применение карт Карно
позволяет существенно упростить эту процедуру.
Рассмотрим построение функции Y на ИМС. В частности, из выражения
(7.2) следует схема, показанная на рис. 7.2.
Рисунок 7.2 – Структурная схема логического узла.
Для воплощения этой схемы требуется три одновходовых инвертора, два
элемента 2И и элемент 2ИЛИ. При этом нужно применить три различных типа
ИМС.
С целью сокращения числа типов ИМС можно применить элементы
ИЛИ-НЕ, объединив их входы в один. При выборе ИМС желательно учитывать
их потребление тока, стоимость, доступность, напряжение питания и
быстродействие.
Допустим, задан тип ИМС серии ТТЛ типа КМ555. Выберем из [7] ИМС
типа КМ555ЛИ1, содержащую четыре элемента 2И, и КМ555ЛН2, содержащую
шесть элементов НЕ, и КМ555ЛЛ1, содержащую четыре элемента 2ИЛИ рис.
7.3.
Рисунок 7.3 – Схема подключения выбранных ИМС.
33
Теперь несложно получить принципиальную электрическую схему
логического узла, показанную на рис. 7.4.
Рисунок 7.4 – Принципиальная схема логического узла.
Здесь дополнительно сформирован сигнал Y на элементе DD1.4 и еще
осталось неиспользованными несколько элементов логических ИМС, которые
могут потребоваться при дальнейшем развитии полной схемы.
34
8 ПРИМЕР РАСЧЕТА
По направленности и порядку выполнения работы по КП можно разделить
на следующие разделы:
― выбор числа разрядов цифрового кода АЦП;
― анализ общих параметров системы и частоты выбора сигналов ЭКГ;
― расчет информационной емкости ОЗУ;
― синтез логического устройства;
― анализ энергопотребления и предложения по построению источника
питания.
По заданию известны следующие параметры: относительная погрешность
измерения γ=0.3%; верхняя частота полоса пропускания ОУ fв =100 Гц;
ожидаемое максимальное напряжение U m=1В; напряжение сигнала на входе
ОУ U 1 =2 мВ; среднее напряжение помех σп = 40 μВ.
8.1 Расчет АЦП.
8.1.1. Рассчитаем число разрядов АЦП. Сначала определим из условий
точности по формуле (6.7):
100
100
ln
ln
γ%
1 = 6.6
nт ≥
nт =
ln 2
ln 2
Выбираем первое большее число разрядов n т =7.
8.1.2. Для проверки выбора по помехам и шумам уровень собственных
шумов на входе ОУ определяем по формуле (6.6):
σ ш ≅ ρ⋅fв
Для расчета принимаем ρ=40⋅10-9 В/Гц. Следовательно, уровень
собственных шумов равен:
σ ш = 40⋅10-9 ⋅ 100 = 4⋅10-6 В.
Уровень шума резисторов на входе найдем по формуле (6.5):
σ R = pU
Плотность p шумов для металлопленочных резисторов группы А
-6
составляет p ≅ (4...5)⋅10-6 1/В. Выбрав р=5⋅10 , U=3 мВ рассчитываем уровень
шума:
σ R = 5⋅10-6 ⋅ 3⋅10-3 = 1.5⋅10-8 В.
Вычислим среднее значение помех на входе канала по формуле (6.4):
2 + 2
σ = σ 2R + + σ ш
σп
σ =
(1.5⋅10−8 )2 + (4⋅10−6 )2 + (40⋅10−6 )2 = 4 ⋅10−5 В.
35
8.1.3. Определим коэффициент усиления канала, используя формулу (6.3):
U
1
= 500
Кu ≅ m =
U1 2 ⋅ 10 −3
8.1.4. Определим число разрядов АЦП с учетом помех по формуле (6.8):
Um
1
ln
ln
−5
2 Кu σ
nш ≥ 2 ⋅ 500 ⋅ 4 ⋅ 10
= 4.6
nш ≥
ln 2
ln 2
Принимаем n ш равным 5.
Так как помехи и шумы велики, то необходимо принять специальные меры
по снижению их влияния. В частности выполнить экранирование, фильтрацию
входных сигналов по питанию, использовать дифференциальные схемы
включения. Кроме этого необходимо применять интегрирующие АЦП.
Поэтому произведем пересчет числа разрядов с учетом коэффициент
подавления помех К п ≅ 5...10 по формуле:
U ⋅K
ln m п
2 Кu σ
nш ≥
ln 2
ln
nш ≥
1⋅ 8
2 ⋅ 500 ⋅ 4 ⋅ 10 − 5 = 7.6
ln 2
Принимаем количество разрядов n ш = 8. Но т.к. по условию точности
нужно только 7 разрядов, то нет необходимости применять 8-разрядный АЦП.
По справочным данным выбираем ИМС АЦП типа:
К1107ПВ2 с 8-разрядным выходным кодом, тПР =100 нс, Рпот=2.5Вт,
используя в дальнейшем только семь его разрядов.
8.2. Разработка
кардиографа.
общих
параметров
многоканального
цифрового
8.2.1. Определим число дискретных выборок m за одну секунду при
цифровом преобразовании сигнала кардиограммы по одному отведению. На
основании теоремы Котельникова, для точного воспроизведения функции с
верхней частотой fВ необходимо иметь m = 2f. Для практической реализации
согласно формуле (8.2) принимаем:
m =1.6*f В= 160
Полученная формула практически определяет точную частоту
преобразования fП равную числу выборок за одну секунду на одном отведении.
Целесообразно выбрать fП так, чтобы было удобно отсчитывать текущее
время. Выберем fП кратную 50 Гц, т.е. 50, 150, 200.
fП = m = 200.
8.2.2. Определим число точек К Т цифрового преобразователя
приходящихся на один короткий зубец ЭКГ с длительностью τ З = 0.05 сек.
36
используя формулу (8.3)
К Т = fП ⋅ τЗ = 200⋅ 0.05 = 10
Таким образом, краткий зубец передается
достаточно для его анализа.
10 точками, что вполне
8.2.3. Определим цену или величину временного интервала Т П на ЭКГ
между выполняемыми преобразованиями на одном отведении согласно
формуле (8.5)
ТП =1/ fП = 1 / 200 = 5⋅10-3
8.2.4. Вычислим частоту fП задающего генератора при числе отведений
l=6, используя формулу (8.4)
FГ =l ⋅ fП = 6⋅ 200 = 1200 Гц
При этом период сигнала задающего генератора ТГ снижается с ростом
числа отведений l и составляет:
ТГ =1/ fГ = 1 / 1200 = 8.3⋅10-4
8.2.5. Оценим время τ ПР , необходимое для выполнения цифрового
преобразования в одной точке ЭКГ.
τпр = τ АЦП + τОЗУ + τЛС
время преобразования схемой АЦП,
где τАЦП = 100 нс
τОЗУ = 300 нс
время обращения к ОЗУ,
τЛС = 20 нс
время преобразования логическими схемами.
Например, для АЦП типа К572ПВ1А время преобразования составляет
τ АЦП = 170 мкс. Для ИМС памяти типа К537РУ9А с организацией 2Кх8 время
обращения составит τ ОЗУ = 0.3 мкс. Время преобразования логического
элемента составит:
τЛС= Nлс⋅ τ1Л ,
где Nлс, τ1Л число ИМС логики и время задержки сигнала на одной схеме.
При Nлс=20...30 и τ1Л = 20 нс = 20⋅10-9 сек. Получим:
τЛС=25 ⋅ 20⋅10-9 = 5⋅10-7 сек.
Таким образом, время преобразования в одной точке ЭКГ составляет:
τ пр = 100⋅10-6 + 0.3⋅10-6 + 5⋅10-7 =100.8⋅10-6 сек.
8.2.6. Максимальное число выборок N В цифрового преобразования за одну
секунду или максимальная частота f ПМ преобразования составляет:
N В= fПМ = 1/ τПР = 1/100.8⋅10-6 = 9921 Гц.
8.2.7. Максимальная частота преобразования по одному отведению при
l=6:
N В1 =fПМ1 = N В / l = 9921 / 6 = 1654 Гц.
37
Эта частота достаточно велика, превышает выбранную в пункте
требуемую частоту преобразования fП = 200 Гц.
Таким образом, быстродействие элементов не ограничивает построение
схемы.
8.3. Расчет количества ИМС ОЗУ.
Выше было найдено число разрядов кода n =7 и частота преобразования
fП = 200 Гц по одному отведению.
Определим время Т АН записи или анализа ЭКГ. Известно, что ЧСС
изменяется в пределах 40…150, что соответствует длительности интервала R-R
ЭКГ τRR = 0.4…1.5 сек.
При этом время анализа составит
Т АН =3⋅ τ RR = 3⋅1 =3 сек.
Определим количество N1 цифровых n- разрядных слов, которые нужно
записать в ОЗУ по одному отведению, или число строк.
N 1 = fП ⋅Т АН= 3⋅ τ RR ⋅ fП = 3⋅100 = 300 Гц.
Для записи ЭКГ нескольких пациентов К П это число согласно формуле
(8.10) составит:
N 1П=К П ⋅N 1 = (3…4)⋅N 1 = 4⋅300= 1200 Гц.
При этом по одному отведению потребуется организация памяти типа N 1П
х n с общим объемом Ф 1 .
Ф 1 = N 1П х n = 1200 ⋅ 7 = 8400 бит.
Выберем ИМС памяти типа К537РУ9А с организацией Ф 1 =2К х 8.
Определим общий объем памяти по всем l отведениям.
Ф=Ф 1 ⋅ l = 6⋅8400= 50400 бит (50.4 Кбит).
Определим число корпусов по формуле 8.12:
M≥
Ф
= 50400 / 2000⋅8 = 3.15
Ф1
принимает количество корпусов равное 4.
8.4 Синтез логического устройства на ЭВМ.
Пример расчета выполненный с использованием карт Карно приведен в
разделе 7, поэтому в данном разделе произведем синтез логического устройства
с использованием программы Electronics Workbench, что позволяет получить
схемы с использованием различного базиса.
Для синтеза удобно применить логический преобразователь, который
позволяет синтезировать электрическую схему логического устройства.
Поэтому управление этим прибором будет подробно рассмотрено ниже.
Логический преобразователь (Logic сonverter) представляет собой мощное
устройство, позволяющее преобразовывать (конвертировать) логические схемы
38
в различные формы:
• схемные диаграммы;
• таблицы истинности;
• логические выражения.
За одно-два действия прибор преобразовывает любую из этих форм в
другую, упрощает логическое выражение или создает электрическую схему, в
базисе И-НЕ. Внешний вид прибора приведен на рис. 9.1.
Рисунок 9.1 - Логический преобразователь.
Логический преобразователь, как прибор, содержит:
• входные и выходной терминалы;
• дисплей и текстовую строку для ввода информации;
• панель управления преобразованием.
Дисплей преобразователя состоит из трех зон. В левой вертикальной
формируются построчно, начиная со значения 000, десятичные эквиваленты
двоичных чисел, присутствующих на среднем поле. Правая колонка является
выходной и отображает результат взаимодействия логических сигналов.
Управление логическим преобразователем
Ввод данных в "таблицу истинности" может осуществляться в двух
областях. Первая из них заполняется с помощью входных терминалов,
расположенных над дисплеем и обозначенных символами от "а" до "h". После
щелчка на любом из терминалов (что равносильно подключению к прибору
соответствующего разряда входного двоичного числа) под ним по вертикали
появляются наборы двоичных чисел, состав и расположение которых зависит
от того, имеются ли в данный момент другие выделенные терминалы. При этом
в левой колонке отображаются десятичные эквиваленты двоичных комбинаций
по строкам. Активизация всех восьми терминалов позволяет представить в
39
двоичной форме числа от 0 до 255. По мере заполнения среднего поля дисплея
в правой выходной колонке против каждой строки вписывается значение 0,
которое на следующем этапе преобразования будет изменяться либо
автоматически, либо вручную, в зависимости от решаемой задачи.
Символ "х" в выходной колонке указывает, что приемлемо любое
значение.
Вторая область ввода данных располагается снизу под экраном и
представляет собой текстовую строку для ввода логических выражений,
подлежащих преобразованию.
Виды логических преобразований
Справа
от
дисплея
расположена
панель
"CONVERSIONS"
(преобразования), на которой мнемонически указаны возможные виды
преобразований:
• [схема устройства → таблица истинности]
;
• [таблица истинности → логическое выражение]
• [таблица истинности → упрощенное логическое выражение]
• [логическое выражение → таблица истинности]
• [логическое выражение → схема на разных ЛЭ]
• [логическое выражение → схема на ЛЭ "И-НЕ"]
;
;
;
;
.
В этой панели используются следующие мнемознаки:
•
- схема устройства;
• → - направление преобразования;
•
- таблица истинности;
•
- логическое выражение;
•
- упростить;
• NAND - логические элементы И-НЕ.
Рассмотрим предложенные принципы преобразования.
Схема устройства → таблица истинности
Это преобразование позволяет получить таблицу истинности логического
устройства по виду его электрической схемы, полученной с использованием
логических элементов из библиотеки.
Для преобразования необходимо:
• подключить терминалы изображения таблицы истинности (не раскрытой)
ко входам схемы, учитывая их обозначения "а" - "h" на лицевой панели
прибора;
• соединить выход проверяемой схемы с последним терминалом на
символе прибора "ОUT” (выход).
Для показа на экране дисплея таблицы истинности, соответствующей
исследуемой схеме, необходимо щелкнуть на мнемопанели:
.
40
Таблица истинности → логическое выражение
Полученная выше таблица истинности логического устройства является
промежуточным этапом в процессе разработки цифровой схемы. Анализ
логической схемы с использованием аппарата Булевой алгебры предполагает её
описание логическим выражением.
Для преобразования
таблицы истинности соответствующей схемы в
логическое выражение необходим щелкнуть на мнемопанели:
.
Результат преобразования в виде логического выражения появится в
текстовой строке под экраном дисплея. При этом в качестве логических
переменных будут использоваться буквенные обозначения выбранных входных
терминалов.
Таблица истинности → упрощенное логическое выражение
Это преобразование производит представление логического выражения,
полученного в предыдущем преобразовании, в сокращенной минимальной
форме. Для упрощения используется метод Квайна-Мак-Класки, который
сложен при ручном расчёте, но позволяет оперировать большим количеством
переменных.
Для преобразования таблицы истинности соответствующей схемы в
упрощенное логическое выражение необходимо щелкнуть на мнемопанели
фффффффффф .
Логическое выражение → таблица истинности
Это преобразование является обратным к одному из рассмотренных и
позволяет получить таблицу истинности по виду логического выражения,
введенного в нижнее текстовое поле.
Внимание!
Чтобы упростить логическое выражение, сначала необходимо
преобразовать его в таблицу истинности.
Для преобразования логического выражения, введенного в нижнее
текстовое поле, в таблицу истинности необходимо щелкнуть на
мнемопанели:
.
Логическое выражение → схема логического устройства
Это преобразование "конструирует" схему логического устройства из
элементов библиотеки, соответствующую виду логического выражения,
введенного в текстовую строку.
Для преобразования логического выражения, введенного в нижнее
текстовое поле, в схему логического устройства необходимо щелкнуть на
мнемопанели:
.
После щелчка на этой панели перемещением мыши (без нажатия клавиш)
на рабочее поле из-под прибора выводится схема устройства, "собранная" из
разнотипных логических элементов библиотеки. Новая схема находится в
выделенном состоянии, что позволяет выполнять с ней любые действия,
предлагаемые меню. Если в этом нет необходимости, схема может быть
41
перемещена в любое место рабочего поля и зафиксирована здесь левой
клавишей мыши.
Логическое выражение → схема логического устройства на элементах
И-НЕ
Щелчок на последней мнемопанели приводит к построению схемы,
выполняющей условия логического выражения в базисе И-НЕ. Для этого
необходимо щёлкнуть на мнемопанели:
.
Пример синтеза электронной схемы
Допустим,
необходимо
выполнить
−
−
синтез
−
−
электронной
схемы,
реализующей логическое уравнение Υ = А+ С⋅ В + А⋅ В .
После вызова логического преобразователя и ввода функции Υ его окно
будет иметь вид, показанный на рис.
Рисунок 9.2 – Вид окна логического преобразователя.
После того, как преобразователь составит таблицу истинности, нажимаем
кнопку
для нахождения упрощенной логической функции Υ.
После этого окно преобразователя имеет вид, показанный на рис. 9.3.
Рисунок 9.3 – Упрощенная логическая функция.
После нажатия кнопки
разнотипных элементах - рис. 9.4.
преобразователь строит схему на
42
Рисунок 9.4 – Схема, реализующая функцию Υ.
Щелчок на последней кнопке приводит к построению схемы,
выполняющей условия логического выражения в базисе И-НЕ. Для этого
необходимо щёлкнуть по кнопке
.
Рисунок 9.5 – Схема на элементах И-НЕ.
8.5 Анализ энергопотребления и предложения по построению источника
питания.
Результаты расчета потребляемой мощности приведены в табл. 9.1.
Таблица 9.1. Расчет потребляемой мощности.
Элемент
АЦП
ОЗУ
Логика
ИМС
К1107ПВ2
К537РУ9А
К1533
Итого
Рпот, Вт
2.5
0.02
0.001
Кол-во
1
4
25
2.605
30
На основании полученной мощности необходимо построить схему блока
питания с использованием ИМС выпрямительного моста и стабилизатора.
Кроме того, необходимо оценить длительность работы устройства при питании
от аккумуляторного источника в мобильном варианте исполнения.
43
ЛИТЕРАТУРА
1. Клиническая электрокардиография. 4-е международное издание –
Москва–Харьков–Минск–Санкт-Петербург, 2001.
2. Мурашко В.В., Скрутинский А.В. Электрокардиография – М.:
Медицина, 1987.
3. Цифровая и вычислительная техника. Учебник для Вузов – М.: Радио и
связь, 1991.
4. Алексенко А.Г.. Шагурин И.И. Микросхемотехника. Уч. пос. для
вузов., – М.: Радио и связь, 1990.
5. Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых
микросхем –М.: Радио и связь, 1985.
6. Огнев И.В., Шанаев Ю.Н. Проектирование запоминающих устройств. –
М.: Высшая школа , 1979.
7. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. М.:
Радио и связь. 1990.
8. Забродин Ю.С. Промышленная электроника – М.: Высшая школа ,
1982.
9. Швец Е.Я. и др. Функциональные узлы электроники. Методические
указания к выполнению лабораторных и самостоятельных работ по
«Аналоговой и цифровой схемотехнике» для студентов специальностей
«Автоматическое управление технологическими процессами» и «Физическая
и биомедицинская электроника». /Составители: Швец Е.Я., Сидоренко Н.Г.,
Шмалий С.Л. – Запорожье, ЗГИА, 2002г.- 116 с.
10. В.И. Зубчук и др. Справочник по цифровой схемотехнике. К.:
Техника, 1990.
11. Методические указания к выполнению курсовых проектов для
студентов заочного отделения по дисциплине «Электроника и
микросхемотехника» специальности «Автоматизация технологических
процессов» /Составители: Н.Г.Сидоренко, Е.Я.Швец.- Запорожье: Изд-во
ЗГИА, 2002.- 28 с.
44
Приложение 1
45