Усилитель биопотенциалов на одно отведение

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра систем сбора и обработки данных

К У Р С О В О Й      П Р О Е К Т

Тема” Усилитель биопотенциалов на одно отведение”

Факультет: АВТ

Группа: АО-81

Студент: Домичковская О.Ю.

Преподаватель: Кунов  В.М.

Новосибирск

2000

Оглавление

Оглавление........................................................................................................................................... 2

Исходные данные для проектирования.......................................................................... 3

Введение.................................................................................................................................................. 4

Описание работы схемы............................................................................................................. 5

1.Устройство защиты от перенапрежения....................................................................................... 5

2.Дифференциальный усилитель....................................................................................................... 5

3.Широкополосный фильтр................................................................................................................. 5

Расчет элементов............................................................................................................................. 6

1. Цепь защиты от перегрузок.............................................................................................................. 6

2.Дифференциальный усилитель на трех ОУ................................................................................... 7

3.Фильтр.................................................................................................................................................... 8

Анализ погрешностей................................................................................................................. 10

Список  литературы:.................................................................................................................... 12

Приложение:....................................................................................................................................... 13

Список элементов............................................................................................................................... 13

Схема электрическая принципиальная........................................................................................ 14

Исходные данные для проектирования

Uвх = 5мВ

Диапазон частот 0,5Гц – 70Гц

Диапазон температур 20±10С

Погрешность коэффициента усиления <0,5%

Uпом = 300мВ

Mн < 1,05

Mв < 1,05

Введение

         Разрабатываемое устройство представляет собой усилитель биопотенциалов ( УБП ). Входной сигнал снимается с электродов, подключенных к рукам пациента .  За счет этого, помеха значительно превышает сигнал и от устройства требуется большой коэффициент подавления синфазного сигнала. Поэтому в данном устройстве используется дифференциальный усилитель на трех ОУ так как у него большой коэффициент подавления синфазного сигнала. Так же частота сигнала лежит в диапазоне от 5Гц до 70 Гц, поэтому на выходе устройства следует установить фильтры верхних и нижних частот, что бы убрать высокочастотную и низкочастотную помехи.  На случай неправильного подключения прибора  так же следует предусмотреть цепь зашиты от перегрузки.

        Исходя из этого схема УБП будет состоять из трех основных частей:

1.  Цепи защиты от перенапряжения.

2.  Дифференциального усилителя на трех ОУ.

3.  Широкополосного фильтра.

Описание работы схемы

         Устройство состоит из трех блоков работу которых можно рассмотреть по отдельности.

1.Устройство защиты от перенапрежения.

  Что бы защитить цепь от перегрузки в нее включают диоды напрежение на которых поддерживается таким образом что бы при допустимом входном напрежение они были заперты. Когда напрежение превышает входное диоды открываются и избыточный ток вытекает через них. Для поддержания диодов в запертом состоянии используются стабилитроны с нужными характеристиками, рабочий ток которых задается источниками питания и резисторами R2 и  R3. При положительной полуволне работает одна группа: стабилитрон, диоды, резистор и источник питания, а при отрицательной – другая группа. 

2.Дифференциальный усилитель.

  Схема представляет собой стандартную конфигурацию измерительного усилителя. Входной каскад является сочетанием двух ОУ, обеспечивающим большой дифференциальный коэффициент  и единичный коэффициент усиления синфазных сигналов. Его дифферециальный выход представляет собой сигнал существенно уменьшенной синфазной составляющей и используется для возбуждения схемы обычного дифференциального усилителя.  Последний часто бывает включен с единичным коэффициентом усиления, так как его задача – получение однополюсного выходного сигнала и подавление остаточного синфазного  сигнала.

В  данном усилителе происходит двухступенчатое подавление  синфазного сигнала. Первая ступень подавления К1 , вторая К2.  Выгодно с точки зрения увеличения подавления синфазного сигнала коэффициент усиления первой ступени делать как можно больше, поэтому у второй ступени делают коэффициент усиления 1, а необходимый коэффициент усиления всего усилителя получают за счет первой ступени.

3.Широкополосный фильтр.

    Чтобы ограничить  погрешность от постоянной составляющей и Есм, а так же от высокочастотных помех на выходе схемы ставяться фильтры верхних и нижних частот. Для ограничения нижних частот используется обыкновенная R-C цепочка , а для ограничения верхних частот - ФНЧ на основе ОУ. Это делается для того чтобы получить более крутую характеристику, так как рабочая частота и частота помехи близки.

Расчет элементов

1. Цепь защиты от перегрузок.

    

Защита должна ограничить напряжение на уровне не большим максимального дифференциального  входного напряжения операционного усилителя ( 10 В  ).

Принцип работы схемы:

Напряжение на стабилитронах D1 и D2 постоянно, на D1 — -U_ст, на D2—+U_ст , значит для открытия диодов D3 и D4 а также D5 и D6 необходимо напряжение 

-|U_ст + 0.7| и  +|U_ст + 0.7| соответственно. Стабилитроны V1 и V2 выбираются типа КС433А (U_ст=3,3 В):

I_{ст max} (Т=25 ⁰С)=229 мА

I_{ст min} (Т=25 ⁰С)=3 мА

Т.к. напряжение на стабилитроне 3,3 В, поэтому напряжение на резисторах R₁₄ и R₁₅ U_R14,R15=E-Uст=15-3,3=11,7 В. Для того чтобы стабилитроны  работали стабильно нужно обеспечить ток через них ( в холостом режиме ) не меньшим минимального тока стабилизации ( 3 мА ). Из этого условия и выберем номиналы резисторов.

                                 

Резистор R14 выбирается из ряда Е24 типа С2-29В-0,125 3,9 кОм±0,05%

Резистор R15 выбирается из ряда Е24 типа С2-29В-0,125 3,9 кОм±0,05%

 

Диоды V3,V4,V5 и V6 выбираются типа КД102А (I_обр=0,1 мкА, Uпр=0.7 В):

I_{пр max} (T=25 ⁰C)=100 мА

U_{обр max} (T=25 ⁰C)=250 В

Выбирается I_max так, чтобы он был меньше, чем минимальный из токов I_д.max и I_{ст max.}

   I_max=50 мА

2.Дифференциальный усилитель на трех ОУ.

Выражение (1+2R3/R4) должно быть равно коэффициенту усиления каскада, то есть 30. Или R3/R4=29/2. Чтобы уменьшить погрешность от входных токов не будем брать большие сопротивления R3,R4 и R5.

R3=R5=3кОм, R4=200Ом

Аналогично, чтобы уменьшить погрешность от входных токов сопротивления выбираются так, чтобы R9+R10=R6, причем резистор R10 – подстроечный.

3.Фильтр

Фильтр состоит из двух частей: фильтра верхних частот, представляющего собой R-C цепочку и ФНЧ на ОУ. Нижняя частота ограничивается 0.5Гц, а верхняя – 70Гц.

ФВЧ:

Анализ погрешностей

Погрешность коэффициента усиления складывается из погрешностей цепи защиты, усилителя и погрешности фильтра.

Погрешность от Есм и от его дрейфа:

Так как Есм от выходного каскада дифференциального усилителя подавляется с помощью фильтра, то Есм проявляется только у самого фильтра.

Список  литературы:

1. Курс лекций по схемотехнике

2.Якубовский С.В., “Справочник. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы” – Москва “ Радио и связь” 1989г.

3.Хоровиц П.Л.,” Искусство схемотехники” – Москва “ Мир”1998г.

4Дубровский В.В., Иванов Д.М., Пратусевич Н.Я., Резисторы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.

Приложение:

Список элементов

Наименование	Кол-во	Тип
Конденсаторы С1 С2	1 1	К53-1А 10М±20% К53-1А 2,2М±20%
Операционные усилители U1, U2,U3,U4	4	К140УД20
Резисторы R1,R2 R3, R4 R5 R6,R7,R8 R9 R10 R11 R12,R13 R14,R15	2 1 1 1 3 1 1 1 2 2	C2-29В-0,125 1кОм±0,05% C2-29В-0,125 3кОм±0,05% C2-29В-0,125 200Ом±0,05% C2-29В-0,125 3кОм±0,05% C2-29В-0,125 1кОм±0,05% C2-29В-0,125 950Ом±0,05% РП1-72А 1 - 100Ом±10% C2-29В-0,125 300кОм±0,05% C2-29В-0,125 1кОм±0,05% C2-29В-0,125 3,9кОм±0,05%
Диоды D1, D2,D3,D4	4	КД102А
Стабилитроны D5, D6	2	КС433А

Схема электрическая принципиальная