РОЗДІЛ 2
ЗАСТОСУВАННЯ ЦОС ДЛЯ ПОБУДОВИ РЕОГРАФІЧНИХ КАНАЛІВ ІЗ ПОКРАЩЕНИМИ
ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
2.1. Розвиток і вдосконалення структур
реографічних каналів
Цифрове оброблення сигналів (ЦОС) є головним фактором покращення технічних
характеристик сучасного медичного обладнання. Точність ЦОС у значній мірі
залежить від точності аналого-цифрового перетворення сигналу. Відома велика
кількість методів аналого-цифрового перетворення, що суттєво відрізняються один
від одного потенційною точністю, швидкістю перетворення і складністю
схемо-технічної реалізації [7, 53, 85, 102]. Тому актуальним є використання
можливостей сучасної елементної бази для розроблення нових типів реографів, у
яких вимоги щодо точності перетворення є особливо високі.
Типова структура реоканалу наведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Типова структура реоканалу
ГС – генератор струму; ІП – інструментальний підсилювач; ДТ – детектор; ФНЧ –
фільтр низьких частот; ФВЧ – фільтр високих частот; ПС – підсилювач; МК –
мікроконтролер.
Можна виділити наступні обмеження і недоліки класичної схеми:
необхідні прецизійні крупногабаритні конденсатори в аналоговому ФВЧ;
аналоговий сигнал може виходити за діапазон вимірювання АЦП на тривалий час при
зовнішній заваді (час встановлення ФВЧ з частотою зрізу 0.05 Гц становить
більше 3 с), що потребує використання схем швидкого заспокоєння (розряду
конденсаторів);
необхідний додатковий каскад підсилення після ФВЧ внаслідок малої розрядності
АЦП;
необхідний аналоговий ФНЧ високого порядку для обмеження частотного діапазону
сигналу;
нестабільність коефіцієнта передачі аналогового тракту вимагає відповідних кіл
калібрування.
При оцінці розрядності АЦП необхідної для даної схеми врахуємо, що характерними
значеннями базового грудного імпедансу є 30-150 Ом, при цьому амплітуда
реосигналу становить 0.05-0.2 Ом [49]. Визначимо розрядність АЦП враховуючи, що
для представлення змінної складової достатньо 6-7 розрядів, а в сигналі може
бути присутня дихальна хвиля , яка зміщує ізолінію на 1-2 Ом:
11-12 розрядів.
де – операція заокруглення до більшого цілого числа.
При достатній розрядності і швидкості перетворення АЦП можна відмовитись від
класичної схеми побудови аналого-цифрової частини і перейти до схеми на рис.
2.2 [91].
Рис. 2.2. Структура реоканалу з сигма-дельта АЦП
Чим вища швидкість перетворення АЦП, тим менші вимоги до порядку ФНЧ. Завдяки
високій розрядності і великому динамічному діапазону схеми, ФВЧ і додаткове
підсилення сигналу, що збільшує вхідні шуми, можна не використовувати,
дискретизація сигналу проводиться з постійною складовою, яка компенсується за
рахунок додаткових розрядів АЦП. ФВЧ реалізується програмно з необхідною
частотою зрізу і характеристиками. Для виконання умов теореми Котельникова
застосовується простий ФНЧ 1-го або 2-го порядку. В результаті скорочується
число компонентів потрібних для побудови схеми.
Оцінимо розрядність АЦП потрібну для даної схеми:
18-19 розрядів.
Задовільнити такі високі вимоги щодо розрядності стало можливим з появою
нещодавно комерційно доступних мікросхем АЦП, в яких реалізовано принцип
сигма-дельта перетворення. В сигма-дельта АЦП у порівнянні з АЦП інших типів,
забезпечується перетворення із значно більшою розрядністю, яке супроводжується
ефективною фільтрацією сигналу. При цьому досягається висока лінійність
перетворення і високе відношення сигнал/завада [1, 35]. Сигма-дельта АЦП
поєднують високу роздільну здатність (до 24 розрядів) і достатню швидкість
аналого-цифрового перетворення для реографічних сигналів для яких частота
дискретизації знаходиться в межах 0.2-1 кГц [1, 35, 54, 85].
Сигма-дельта АЦП виробляються багатьма фірмами, серед яких провідне місце
займає Analog Devices. Тому характеристики деяких типів промислових
сигма-дельта АЦП проаналізуємо на продуктах цієї фірми (табл. 2.1), яка
пропонує широкий спектр такої продукції [35].
Табл. 2.1
Характеристики сигма-дельта АЦП
Тип
Розрядність,
біт
Частота перетворення, кГц
Число
каналів
Споживана потужність,
мВт
Ціна
AD7708
16/24
32
10
$3.98
AD1555
24
97
$81.56
AD7713
24
0.2
5.5
$16.15
AD7714
24
$11.04
AD7719
24
32
10
$10.30
AD7710
24
45
$14.45
AD7731
24
6.4
67.5
$9.86
З табл. 2.1 видно, що практично всі мікросхеми за вийнятком AD1555
задовільняють вимогам за швидкістю перетворення та прийнятною ціною і
споживаною потужністю.
Найбільш оптимальною з точки зору мінімізації аналогових операцій і заміни їх
цифровими є схема на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Структура реоканалу з цифровим ФКР
Під дією зондуючого струму , сформованого цифровим способом за участю
перетворювача напруга-струм ПНС, цифро-аналогового перетворювача ЦАП,
запам’ятовуючого пристрою ЗП, адресного лічильника АЛ і генератора тактових
імпульсів ГТІ змінна складова біоімпедансу об’єкта перетворюється в пропорційну
напругу в перетворювачі імпеданс-напруга ПІН
де – змінна активна і реактивна складова біоімпедансу; – коефіцієнт передачі
вимірювального перетворювача “імпеданс-напруга”.
Миттєві значення напруги за участю швидкодіючого АЦП із тактовою частотою
перетворюються у m-розрядні коди . У блоці цифрового оброблення сигналів БЦОС
відліки перемножуються із опорним цифровим квадратурним сигналом . Одержані
добутки впродовж цілого періоду тестового сигналу усереднюються. Тому до
регістрів результату записується число , яке відповідає результатам вимірювання
активної складової імпедансу:
, (2.1)
де k – коефіцієнт передачі вимірювального каналу; – похибка цифрового алгоритму
ФКР для активної складової.
При цьому зникає необхідність у калібруванні,
- Київ+380960830922