СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

3 СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Для того чтобы перейти к расчетам, нужно задаться входными величинами, а чтобы результаты были корректными - воспользуемся справочной литературой и справочными пособниками.

Исходя, из задания по комплексному курсовому проекту нужно рассчитать микрофонный усилитель фонокардиографа. Основные требования к микрофонному усилителю следующие:

- двухкаскадная схема усилителя;

- коррекция амплитудно-частотной характеристики;

- выходное напряжение порядка 1…5В;

- фильтр низких частот с f_г=1000 Гц.

На рис. 3.1 изображена схема электрическая принципиальная, U1 - входной сигнал, а U2- усиленный выходной сигнал. Так как сам усилитель является двухкаскадным, то нужно разбить коэффициенты усиления таким образом, чтобы и полезный сигнал усилить до максимальной величины, а помеху не пропустить. Двухкаскадная схема усиления для такого диапазона в измерительной технике предусматривает обязательное разделение каскадов с помощью разделительной емкости, чтобы не пропустить постоянную составляющую на второй каскад [7].

В соответствии с методиками измерения фонокардиограмм полезный сигнал не превышает частоты 1000 Гц и за этим пределом идет сигнал, который не несет полезной информации, а потому в микрофонном усилителе интегрирован фильтр нижних частот первого порядка с частотой среза f_г=1000 Гц.

Для фонокардиографических исследований используем электретный микрофон фирмы PANASONIC, технические параметры которого приведены в табл. 3.1, а амплитудно-частотная характеристика данного микрофона отображена на рис. 3.2. Из амплитудно-частотной характеристики видно, что низкочастотная зона чувствительности микрофона отличается от высокочастотной в 1000 раз. А это значит, что при измерении сигналов низкой частоты чувствительность будет низкой и потому в микрофонном усилителе нужно предусмотреть корректирующую цепочку.

Рисунок 3.1 - Схема электрическая принципиальная микрофонного усилителя с коррекцией АЧХ

Рисунок 3.2-Амплитудно-частотная характеристика микрофона WM-52BM

Таблица 3.1 - Технические параметры микрофона WM-52BM

Чувствительность мВ/Па	Диапазон частот, Гц	Uпит, В	Iпот мА	Кгарм, %
60	20/16000	1,5/10	0,8	9,7х4,5

В фонокардиологических исследованиях давление создаваемое на мембрану микрофона составляет порядка 5·10^-4 Па. Исходя из этого параметра рассчитаем значения напряжений при 10 дб и 30 дб.

Для расчета диапазона напряжения которое сможет выдавать микрофон при проведении фонокардиологических исследований воспользуемся данными табл. 3.1, а также давлением создаваемым в результате проведения измерения [8].

После проведения расчета, получим величину рабочего напряжения при 10дб - 3·10^-7В, а при 30дб - 3·10^-7 В. Отсюда следует, что диапазон измеряемых напряжений составляет 0,3мкВ – 300мВ.

Перейдем к расчету максимального и минимального коэффициентов усиления усилителя, взявши за выходную величину напряжение порядка 1В.

K_{u max}=U_вых/U_рmin (3.1)

следовательно:

K_{u max}=1/0,3·10^-6

K_{u max}=3333333,33

K_{u min} =U_вых/U_рmax (3.2)

В результате получим:

K_{u max}=1/300·10^-3

K_{u min}=33333,33

Теперь зная реальные коэффициенты усиления, можем перейти непосредственно к расчету усилителя.

Величину сопротивления R1 выбираем исходя мз нагрузочной способности микрофона R _min =10кОм, соответственно R1=10кОм. Исходя из этого величину емкости С1 выбираем такой чтобы она не “резала” низкочастотный сигнал, то есть её сопротивление было пренебрежительно малым, а время задержки τ=500ms. Имея эти данные можем рассчитать величину емкости С1.

τ= R·С (3.3)

отсюда

С1= τ/ R1 (3.4)

следовательно:

С1=500·10^-3/10³

получим:

С1=50·10^-6 Ф

Полученного номинала емкости С1 в стандартном ряду нет, то выбираем ближайшее значение.

С1=47·10^-6 Ф

На элементах R2 и С2 собран фильтр низких частот первого порядка с граничной частотой среза f_г=1000Гц, который защищает от высокочастотных помех [9]. Для удобства расчета выберем значение сопротивления равным R2=75 кОм. Из следующей формулы вычислим значение емкости С2.

f_г=1/2π RС (3.5)

отсюда:

С2=1/2π f_г R (3.6)

получим:

С2=1/2·3,14·1000·75·10³

С2=2,2·10^-9 Ф

Чтобы снизить вероятность прохождения помехи, а также появления шума, задаем коэффициент усиления первого каскада равным 100. А поскольку диапазон амплитудно-частотной характеристики микрофона изменяется в100 раз (20 дб), то соответственно и коэффициент усиления будет варьировать от 1 до 100. Подъем К_u на низких частотах в 100 раз по отношению к высоким частотам.

Для такой коррекции амплитудно-частотной характеристики рассчитываем звено, позволяющее без потери полезной информации обрабатывать сигнал в любом частотном диапазоне фонокардиологических исследований.

Рисунок 3.3- Схема электрическая принципиальная узла коррекции АЧХ

Для расчета узла коррекции АЧХ используем систему уравнений, формула (3.7), которая показывает изменение сопротивления на различных частотах.

(3.7)

Величину сопротивления R6 выбираем таким образом чтобы даже при самом малом значении коррекции поддерживалось соотношение 1:100.

Таким образом, сопротивления R6 является подстроечным и выставляется в среднее положение, сопротивление которого в таком положении будет равняться 50 Ом. Отсюда следует, что номинальное значение сопротивления R6=100Ом. А значение сопротивления R5=50 Ом, так как нужно выдержать данное соотношение. Исходя, таким рассуждениям следует, что общее сопротивление R5 и R6 будет равным R56=100 Ом.

Преобразовав систему и подставив численные значения, получим следующие соотношения:

(3.8)

Из данной системы уравнений получим R4 и подставим в уравнения:

R4=5000- X_CR1

X_CR1 =10000+100·(5000- X_CR1)

X_CR1 =10000+500000-100· X_CR1

После преобразования уравнений, получим:

R4=5,1кОм

Подставляем значение сопротивления R4 в уравнения получим:

X_CR1=520 кОм

X_CR2=5,2 кОм

Зная значения X_CR1 и X_CR2 можем рассчитать значения сопротивления R3 и емкости С4.

R= (3.9)

Для значения X_CR1 значение ω₁=2·π·10Гц и X_CR2 значение ω₂=2·π·1000Гц

Подставим значения и получим:

 

После преобразования уравнений получим:

Для упрощения решений произведем замену:

Произведем подстановку замен в уравнения:

Используя уравнение(3.10), определим величину сопротивления R3:

 (3.10)

Значения сопротивления R3=560 кОм.

Найдем значение емкости С4:

(3.11)

преобразуя, получим:

 (3.12)

Отсюда найдем С4:

(3.13)

Вследствие расчетов получим, что значение емкости С4=33 нФ.

В качестве усилителя первого каскада используем операционный усилитель К1408УД1, технические данные которого приведены в табл.3.2.

Таблица 3.2 - Технические параметры микросхемы К1408УД1

КU·103	±UП, В	IПОТ, мА	±UСМ, мВ	IВХ, мА	∆IВХ, мА	±UДФ, В	±UСФ, В	МСФ, дб	±UВЫХ, В	RН, кОм	RВХ, МОм
70	27	5	8	40	10	20	21	80	19	5	1

Между первым и вторым каскадом ставим разделительную емкость С3, роль которой задержать постоянную составляющую сигнала и не пропустить её на второй каскад усиления, так как это привило бы операционный усилитель в насыщение.

Значения сопротивления R8 и емкости С6 берем такое же как и в первом каскаде, так как они выполняют роль фильтра низких частот с частотой среза 1000 Гц.

В качестве усилительного элемента второго каскада используем микросхему К140УД17А, технические данные которой приведены в табл .

Вторым каскадом нужно усилить сигнал минимального значения в 33333,33 раз, данная микросхема прекрасно с этой задачей справится, единственное что нужно сделать это включить в схему сопротивление смещения, согласно справочным данным его номинальное значение составляет 100кОм. Отсюда R11=100 кОм.

Таблица 3.3 - Технические параметры микросхемы К140УД17А

КU·103	±UП, В	IПОТ, мА	±UСМ, мВ	IВХ, мА	∆IВХ, мА	±UДФ, В	±UСФ, В	МСФ, дб	±UВЫХ, В	RН, кОм	RВХ, МОм
200	15	4	0,025	4	3,8	15	13	100	12	2	30

С помощью резисторов R10 и R9 задаем нужный коэффициент усиления каскада, используя формулу (3.14) определим их номиналы:

 (3.14)

Известен требуемый коэффициент усиления, задаемся значением сопротивления R9=100 Ом.

Получим:

 (3.15)

R10=3,3 МОм.

Данные расчетов сведены в приложение Б, а номиналы радиоэлементов соответствуют стандартным рядам.

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Для моделирования спроектированного устройства используем электронный пакет “ Electronics Workbench”. Моделируемая схема представлена на рис.4.1, а результаты моделирования представлены на рис. 4.2. Результаты моделирования являются весьма корректными, рабочий диапазон модели с расчетными данными совпадает в пределах допустимых погрешностей номиналов радиоэлементов.

При подаче на вход минимального значения сигнала получаем расчетное значение коэффициента усиления.

 

Рисунок 4.1- Модель микрофонного усилителя

Рисунок 4.2- Результат моделирования микрофонного усилителя

Рисунок 4.3 - Коррекция АЧХ микрофонного усилителя

На рис. 4.3 видно как происходит коррекция АЧХ происходит на частоте уже единиц герц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения данной курсовой работы были проанализированы существующие аналогичные устройства, разработаны структурная и электрическая принципиальная схемы.

Разработанная схема состоит из двух каскадов усиления, введена система коррекции АЧХ. Также в состав усилителя включен фильтр нижних частот.

Для проверки правильности функционирования разработанного микрофонного усилителя была промоделирована его работа с помощью программы “ Electronics Workbench”.

Таким образом, разработанное устройство полностью соответствует требованиям технического задания.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1 Мустецов Н.П. Инструментальные методы медико-биологических исследований.- Харьков: ХТУРЭ, 1999.- 176 с.

2 Кельман И.М. Электроардиография и фонокардиография.-М.: Медицина, 1974.-134 с.

3 Катона Золтан Электроника в медицине. - М.: Советское радио, 1980.- 144 с.

4 Милославский Я.М., Ходжаева Д. К. Основные инструментальные методы исследования сердца.-Казань: Издательство КГУ, 1983.- 143 с.

5 Остроухов В.Д., Карпинский М.Ю. Медицинская аппаратура для функциональной диагностики и ортопедии: Учебное пособие по курсу «Теория, расчет, проектирование медицинской аппаратуры».-Харьков: Крокус, 2003.-204 с.

6 Сибиркин Н. И. В помощь изучающему фонокардиографию.- Ленинград: Ордена трудового красного знамени, 1969.- 32 с.

7 Масленников М.Ю, Соболев Е.А. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база- М.: ТОО «Прибор», 1993.-158 с.

8 Терещук Р.М., Седов С.А. Справочник радиолюбителя.- Киев: Наукова думка, 1989.-800 с.

9 Копылова К.Ф., Терпухов Н.В. Параметрические усилители низких частот- М.: Советское радио, 1973.-47 с.