Анализ и проектирование фильтрующей цепочки с детектором

Pitanie.cdw

мегарео.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени академика С.П. КОРОЛЕВА (национальный исследовательский университет)»
КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКИ И МДС
РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО КУРСУ:
Разработка и проектирование диагностической техники.
проекта: Конюхов В. Н.
Задание на курсовой проект студенту Федорову Д.Е. гр. 554
Разработать блок регистрации и ввода реоплетизмографического сигнала в
ПЭВМ в стандарте RS232C. Частота измерительного тока – 30кГц сила тока –
мА сопротивление участка ткани- 1кОм измерение сопротивления
составляет 01 – 1% в зависимости от пациента. Обеспечить ввод только
переменной составляющей таким образом чтобы амплитуда сигнала на выходе
поддерживалась постоянной (считать период сигнала равным 1 секунде) при его
изменении на входе. Частотный диапазон сигнала: 001 – 20Гц. Питание от
сети 220В 50Гц. Разработать подпрограмму автоматической регулировки
Пояснительная записка: стр. рис прил. источников
ЭЛЕКТРОНЕЙРОСТИМУЛЯТОР ИМПУЛЬСЫ ЗАПОЛНЕНИЯ ВЫХОДНОЙ КАСКАД БЛОК ПИТАНИЯ
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
Разработан противоболевой электронейростимулятор с изменением частоты
амплитуды стимулирующих импульсов и питанием от сети переменного тока
напряжением 220 В и частотой 50 Гц.
Произведен расчет выходного каскада и его моделирование в программе
OrCad 10.5 выбрана элементная база данных узлов. Написана программа для
микроконтроллера рассчитаны потребляемая мощность выходным каскадом и его
Введение Ошибка! Закладка не определена.
Противоболевая электронейростимуляция Ошибка! Закладка не
1 Выбор параметров стимулирующего тока Ошибка! Закладка не определена.
2 Требования к электродам для ЧЭНС Ошибка! Закладка не определена.
3 Требования к конструкции стимулятора Ошибка! Закладка не определена.
Разработка противоболевого электронейростимулятора 10
1 Структурной схемы противоболевого электронейростимулятора Ошибка!
Закладка не определена.
2 Расчёт времязадающих цепей Ошибка! Закладка не определена.
3 Проектирование выходного каскада Ошибка! Закладка не определена.
3.1 Расчёт параметров выходного каскада Ошибка! Закладка не
3.2 Моделирование работы выходного каскада Ошибка! Закладка не
3.3 Определение КПД выходного каскада 18
4 Схема измерения тока ..19
Расчёт блока питания 23
Обоснование выбора элементной базы 25
Разработка программы для микроконтроллера PIC16F818 на PicBasicPro 26
Список использованных источников 30
Приложение А. Схема электрическая принципиальная электронейростимулятора
Приложение Б. Перечень элементов электростимулятора 32
Приложение В. Схема электрическая принципиальная блока питания 33
Приложение Г. Перечень элементов блока питания 34
Приложение Д. Общий вид 35
Приложение E. Текст программы на языке PicBasic .36
Приложение Ж. Выходной файл программы OrCad 10.5 . 38
Реография (другое наименование импедансная плетизмография - это
бескровный метод исследования общего и органного кровообращения основанный
на регистрации колебаний сопротивления живой ткани организма переменному
току высокой частоты создаваемому специальным генератором. Принципиальная
разработка реографической методики принадлежит Н. Манн (1937). В дальнейшем
методика получила развитие в работах А.А. Кедрова и Т.Ю. Либермана (1941—
49) и др. Детальная разработка и внедрение в клиническую практику метода
реографии связано с именами австрийских исследователей W. Holzer К. Polzer
и A. Marko. Им же принадлежит по существу первая монография
(Rheokardiographie Wien 1946) в которой авторы не только осветили
технические стороны метода (электрические схемы аппарата варианты
генератора переменного тока и др.) но и представили результаты
клинического использования реографии при различных заболеваниях сердечно
сосудистой системы. Существенный вклад в разработку метода реографии внес
Ю.Т. Пушкарь создавший отечественную конструкцию аппарата и изменивший
методику регистрации реограммы (прекардильная реокардиография). В настоящее
время доказано клиническое значение применения метода реографии [2]. В
зависимости от конкретной клинической задачи меняется зона исследования и
соответственно место наложения электродов. Поэтому различают реографию
легких (реопульманография) сосудов мозга (реоэнцефалография) сосудов
конечностей (реовазография) сосудов печени (реогепатография) исследование
кровенаполнения камер сердца (реокардиография прекордиальная реография) и
Основы метода реоплетизмографии
Принципиальной основой метода реографии является зависимость изменения
сопротивления от изменения кровенаполнения в изучаемом участке тела
человека. Другими словами изучаются пульсовые колебания электрического
сопротивления. Более полное представление о пульсовых колебаниях
электрического сопротивления получают при учете (соотношении) базового
сопротивления исследуемого участка (т. е. суммарного сопротивления тела
зондирующему току высокой частоты). Полный импеданс (сопротивление) состоит
из двух величин постоянный или базовый импеданс обусловленный общим
кровенаполнением тканей и их сопротивлением и переменный или пульсовой
импеданс вызванный колебаниями кровенаполнения во время сердечного
цикла [2]. Величина пульсового импеданса ничтожно мала и составляет 05-1 %
общего импеданса [1 стр.96]. Вместе с тем пульсовой импеданс составляет
объект изучения для реографии.
1 Формирование реограммы
Реограмма — это кривая отражающая пульсовые колебания электрического
сопротивления. При увеличении кровенаполнения имеет место возрастание
амплитуды кривой и наоборот другими словами регистрируется динамика
импеданса в обратной полярности. На реограмме (рис. 1) различают
систолическую и диастолическую части. (Систола - сокращение сердца
диастола - расслабление). Первая обусловлена притоком крови вторая связана
с венозным оттоком. Дифференциальная реограмма (ДРГ) или первая производная
от реографической волны (см. рис. 1) характеризует скорость изменения
кровенаполнения исследуемой области позволяя получить сведения о сердечном
тонусе и сократительности миокарда [1 стр. 101].
Рисунок 1.- Сверху вниз: сигнал электрокардиограммы фонокардиограммы
реопульманограммы и дифференциального реографического сигнала одновременно
зарегистрированные у здорового человека [2].
Основными факторами определяющими вид реограммы органа являются:
скорость кровотока в органе (при увеличении скорости течения крови ее
удельное сопротивление уменьшается) плотность и химический состав крови
толщина и упругость (эластичность) стенок кровеносных сосудов геометрия
органа. Качественная и количественная оценка реограмм сводится к измерению
и описанию амплитудных и временных отрезков кривой которые отражают
состояние тонуса сосудов их эластичность величину объема крови
выбрасываемого сердцем в сосуды в момент сокращения. Кроме того
вычисляются специальные реографические показатели.
2 Устройство реографа
Регистрация реограмм осуществляется с помощью реографов (рис. 2).
Последние состоят из следующих основных элементов: генератора тока высокой
частоты усилителя переменного напряжения детектора усилителя фильтра
калибровочного устройства дифференцирующей цепочки регистратора.
Биологические ткани в том числе ткани тела человека способны проводить
электрический ток. Основными носителями заряда в них являются ионы.
Наибольшей удельной электропроводимостью (G ) то есть наименьшим удельным
сопротивлением (R) обладают ярко выраженные электролиты - спинномозговая
жидкость(G~ 0018 см-1 Ом-1 ) и кровь (G ~ 0006 см-1 Ом-1 ). Жировая
костная ткани а также сухая кожа имеют очень малую электропроводность (G
~ 00007 см-1 Ом-1 10-9 см-1 Ом-1 и 10-7 см-1 Ом-1 соответственно).
Рисунок 2. – Современный реограф
Рассмотрим простейшую схему измерения сопротивления какого-либо органа
или участка тела (рис. 3 а). Если I - сила тока протекающая через участок
тела и измеряемая миллиамперметром mA U - напряжение между электродами
измеряемое вольтметром V то сопротивление R должно изменяться в такт с
сердечными сокращениями поскольку во время них происходят изменения
кровенаполнения этого участка.
Рисунок 3. - а) - Схема позволяющая измерять сопротивления участка тела
человека с помощью зондирования постоянным током; б) - зондирование
Однако практически эти изменения так малы (десятые доли Ом и меньше) что
не могут быть надежно зарегистрированы на фоне большого общего
сопротивления участка (обусловленного большим сопротивлением кожи
межтканевых границ раздела переходным сопротивлением кожа- электрод и
др.). Кроме того истинное сопротивление участка тела на постоянном токе
вообще трудно зарегистрировать из-за возникающей поляризации тканей и
появления дополнительных зарядов на электродах. По этим причинам в
медицинской реографии не используется постоянный ток а вместо него
применяется переменный ток большой частоты. При подаче на электроды
переменного напряжения (рис. 3б) в цепи исследуемого объекта протекает
переменный ток. В тканях тела человека структур обладающих индуктивными
свойствами не обнаружено. Однако клеточные мембраны а также границы
раздела между различными тканями в определенном смысле подобны
конденсаторам (при прохождении тока в них возникает двойной электрический
слой зарядов) поэтому любой участок тела обладает более или менее
значительной электрической емкостью C [3]. Известно что присутствующая в
электрической цепи емкость оказывает переменному электрическому току
сопротивление величина которого обратно пропорциональна частоте тока (т.е.
чем выше частота тем меньше сопротивление) [4 стр. 11]. В медицинской
реографии используются частоты переменного тока порядка 100 кГц. При столь
больших частотах общее сопротивление исследуемого органа или участка тела
уменьшается и в значительно большей степени зависит от кровенаполнения
органа. Поэтому относительные изменения сопротивления во время сердечных
сокращений становятся большими и их регистрация значительно облегчается.
Причем эти изменения практически определяются лишь изменением активной
составляющей R полного импеданса исследуемого органа так как емкостная
составляющая на используемых частотах при изменении
кровенаполненияизменяется совершенно незначительно. Другим важным
преимуществом переменного тока является то что на больших
частотах его раздражающее действие уменьшается. А именно: величина
плотности порогового тока в диапазоне частот 50 - 300 кГц увеличивается
прямо пропорционально частоте тока. Так на частоте реографии ~ 100 кГц -
величина порядка 1 mАсм2 тогда как во время реографического обследования
плотность тока обычно не превышает 02 мАсм2
(для этого электроды должны иметь площадь не менее 5 см2 каждый!) [3].
Такой ток как правило не ощущается пациентом а реографическое
обследование является абсолютно безвредным и может повторяться многократно.
Разработка блока регистрации и ввода реоплетизмографического сигнала
Рисунок 4. Структурная схема
Схема работает следующим образом. Генератор переменного тока
формирует синусоидальный сигнал с частотой 30 кГц и амплитудой тока 0.1mA.
В связи с изменением электрического сопротивления грудной клетки с течением
времени на вход усилителя переменного напряжения поступает
промодулированный реоплнтизмографический сигнал. Он усиливается
детектируется вычитается постоянная составляющая. С помощью фильтров
выделяется только спектр полезного сигнала (0.01 – 20 Гц) который
поступает на вход АЦП микроконтроллера. МК обрабатывает полученные данные и
посылает информацию о полученном реоплетизмографическом сигнале в ПЭВМ в
стандарте RS-232С с помощью согласователя на микросхеме MAX 232. Также МК
регулирует уровень сигнала в заданном диапазоне автоматической регулировкой
усиления с помощью цифрового резистора.
Проектирование генератора переменного тока.
Проведение реоплетизмографии осуществляется с помощью подачи на пациента
переменного тока синусоидальной формы с амплитудой 0.1 мА и частотой 30
кГц который в дальнейшем модулируется полезным сигналом.
Генератор переменного тока состоит из двух частей: генератора
синусоидального напряжения и выходного каскада обеспечивающего заданные
параматры выходного тока.
Генератор синусоидального напряжения построен на микросхеме ICl 8038
которую используем как генератор синусоидального сигнала.
Рисунок 5. Типовое включение микросхемы ICL 8038
Рассчитаем параметры частотозадающих элементов: Ra Rb C.
Частота генерируемых колебаний рассчитывается по формуле:
На 2 выводе микросхемы получаем синусоидальный сигнал с амплитудой 25 В.
С выхода микросхемы ICL8038 сигнал поступают на источника тока на
биполярных транзисторах работающий следующим образом:
В состоянии покоя [pic]
При положительном входном напряжении Ik2 получает приращение равное
Uвх2R5 тогда как ток Ik1 уменьшается на такую же величину. При этом Iвых=
-UвхR5. При отрицательном входном напряжении выходной ток будет
положительным. (Титце Шенк)
Резисторы R7 и R8 ограничивают максимальный ток базы VT1 и VT2.
Рисунок 6. Источник тока на биполярных транзисторах
Рисунок 7. Ток на выходе источника.
Номинал С1 выбирается из условия неискажённой передачи сигнала в
Выбор усилителя переменного напряжения
После регистрации сигнал необходимо усилить для последующей обработки.
В качестве усилителя переменного напряжения выбираем инструментальный
усилитель AD623 обладающим следующими техническими параметрами:
Таблица – Технические параметры микросхемы AD623
Набор устанавливаемых коэффициентов передачи 1 1000
Коэффициент подавления синфазной помехи 90 дБ (G=10)
Малое время установления (до 001%) 20 мкс (G=10)
Малое напряжение смещения 100 мкВ
Малый дрейф напряжения смещения 1 мкВ°С
Малый ток смещения 25 нА
Низкий уровень шумов (f=1кГц) 35 нВ√(Гц)
Низкое потребление при однополярном питании 575 мкА
Широкий диапазон питающих напряжений +27 В +12 В
Промышленный диапазон температур -40 +85oС
Корпус 8-контактный для всех модификаций DIP-8 SOIC-8 SOIC-8
Коэффициент усиления задается одним резистором величина которого
рассчитывается по формуле:
Выберем значение усиления равное 24 тогда RG= 4.3 кОм.
Рисунок – Сигнал на выходе предварительного усилителя
Выбор амплитудного детектора
Для выделения огибающей модулированного сигнала можно использовать
простейший амплитудный детектор:
Рисунок – Амплитудный детектор
Параметры R и C выбираются таким образом чтобы
Вычислим напряжение шума на выходе детектора:
Рисунок Напряжение на выходе амплитудного детектора
Расчет компенсатора постоянной составляющей
Для вывода только переменной составляющей нужно из выходного сигнала
удалить постоянную составляющую. На выходе амплитудного детектора она
Uconst = uconst вх* Кус – Uпад.д=01В*24-06В=18 В
Для этого построим схему вычитателя сигнала на ОУ LM358N:
Рисунок Схема компенсатора постоянной составляющей.
На схеме DA1 представляет собой инвентирующий усилитель DA2 – сумматор.
Выбираем значения R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=10кОм
На R2 падение напряжения составит 18 В. Таким образом Uвых = Uвх-18В
Следовательно на выходе получим только значение Uвх var
Рисунок – Сигнал на выходе компенсатора постоянной составляющей
Для выделения заданной полосы частот поступившего сигнала используется
полосовой фильтр второго порядка схема которого показана на рисунке .
Элементы фильтра подбираются исходя из следующих соотношений:
Резонансная частота фильтра: Fp=12RC (1)
Коэффициент усиления фильтра: K=a(3-a) (2)
Добротность фильтра: Q=Fp(Fmax-Fmin)=1(3-a) (3)
Рисунок - Схема полосового фильтра второго порядка
Активный полосовой фильтр второго порядка собранный на операционном
усилителе LM358N и обеспечивает указанную в задании полосу частот полезного
сигнала от 001 до 20 Гц. Расчет фильтра производится по формулам (1)-(3).
Тогда элементы фильтра будут иметь следующие значения:
1.6 Выходной усилитель
Выходной усилитель собран на ОУ AD823 по неинвертирующей схеме
включения. Одним из его достоинств является свойство Rail- to –Rail.
Коэффициент усиления от 200 до 2000 задается с помощью изменения цифрового
потенциометра DS1804-100 управляемого с МК. Это позволит усилить реосигнал
с 00024 В и 0024 В до постоянного значения амплитуды равного 48 В.
Рисунок – Выходной усилитель
Рисунок – Цифровой потенциометр DS1804-100 фирмы Maxim
Цифровой потенциометр обеспечивает последовательное изменение
сопротивления от 0 до 100кОм с шагом в 1кОм.
В данной курсовой работе используется микроконтроллер PIC16F818 фирмы
Microchip. Он имеет следующие отличительные особенности:
Серия микроконтроллеров КМОП основанных на флэш-памяти
Архитектура RISC с 35 командами
Все команды (кроме команд перехода) являются инструкциями одного
Захват сравнение модуль ШИМ
ICSP (Внутрисхемное последовательное программирование)
-канальный 810-битный АЦП
Технические параметры:
Количество входоввыходов 16
Напряжение питания макс. 5.5 V
Напряжение питания мин. 4 V
Рабочая температура мин. -40 °C
Рабочая температура -40 +85 °C
Рабочая температура макс. +85 °C
Флэш-память 1.75 kByte
Тактовая частота макс. 20 MHz
Разрешение ADC 810 Bit
Количество таймеров 3
Рисунок – Расположение выводов микроконтроллера PIC16F818
Организация передачи данных по протоколу RS232C
Последовательный интерфейс RS-232-С определяемый стандартом EIA RS-232-
C и рекомендациями V.24 CCITT широко используется для синхронной и
асинхронной передачи данных. Изначально он создавался для связи компьютера
с терминалом. В настоящее время используется в самых различных применениях.
Интерфейс RS-232-C соединяет два устройства. Линия передачи первого
устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс)
Для управления соединенными устройствами используется программное
подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих
управляющих символов).
1 Порядок обмена по интерфейсу RS-232C
Интерфейс RS-232C предназначен для подключения к компьютеру стандартных
внешних устройств (принтера сканера модема мыши и др.) а также для
связи компьютеров между собой. Данные в RS-232C передаются в
последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и
стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну так и в другую
сторону (дуплексный режим).
Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем для
подключения RS-232C. Для целей данной курсовой работы достаточно
использования возможностей 9-контактного разъема. Назначение контактов
разъема DB9P приведено в таблице 1 а его вид – на рисунке 10.
Рисунок - вид 9-контактного разъема для подключения RS-232C
Таблица 1 - назначение контактов разъема DB9P.
НаименованиНаправлениОписание Контак
DCD IN Carrie Detect (Определение несущей) 1
RXD IN Receive Data (Принимаемые данные) 2
TXD OUT Transmit Data (Передаваемые данные) 3
DTR OUT Data Terminal Ready (Готовность 4
GND - System Ground (Корпус системы) 5
DSR IN Data Set Ready (Готовность данных) 6
RTS OUT Request to Send (Запрос на отправку)7
CTS IN Clear to Send (Готовность приема) 8
RI IN Ring Indicator (Индикатор) 9
Назначение сигналов следующее:
GND – корпус системы.
TxD - данные передаваемые компьютером в последовательном коде (логика
RxD - данные принимаемые компьютером в последовательном коде (логика
RTS - сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.
CTS - сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время
передачи. Говорит о готовности приемника.
DSR - готовность данных. Используется для задания режима модема.
DCD - обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого
DTR - готовность выходных данных.
RI - индикатор вызова. Говорит о приеме модемом сигнала вызова по
В данной работе для двунаправленной передачи данных используется
четырехпроводная линии связи. Ее схема показана на рисунке 11.
Рисунок - Схема 4-проводной линии связи для RS-232C
Формат передаваемых данных показан на рисунке . Собственно данные (5
7 или 8 бит) сопровождаются стартовым битом битом четности и одним или
двумя стоповыми битами. При асинхронной передаче каждому байту предшествует
старт-бит сигнализирующий приемнику о начале посылки за которым следуют
биты данных и возможно бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-
бит гарантирующий паузу между посылками (рисунок 12). Старт-бит следующего
байта посылается в любой момент после стоп-бита то есть между передачами
возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит имеющий всегда строго
определенное значение (логический 0) обеспечивает простой механизм
синхронизации приемника по сигналу от передатчика.
Подразумевается что приемник и передатчик работают на одной скорости
обмена. Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчик-
делитель опорной частоты обнуляемый в момент приема начала старт-бита.
Этот счетчик генерирует внутренние стробы по которым приемник фиксирует
последующие принимаемые биты. В идеале стробы располагаются в середине
битовых интервалов что позволяет принимать данные и при незначительном
рассогласовании скоростей приемника и передатчика. Получив стартовый бит
приемник выбирает из линии биты данных через определенные интервалы
времени. Скорость передачи по RS-232C может выбираться из ряда: 110 150
0 600 1200 2400 4800 9600 19200 38400 57600 115200 битс.
Рисунок - Формат данных RS-232C
Все сигналы RS-232C передаются специально выбранными уровнями
обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи (рисунок 13). Данные
передаются в инверсном коде (логической единице соответствует низкий
уровень логическому нулю - высокий уровень).
Для сопряжения уровней передатчика и приемника сигналов используют
преобразователь уровней MAX232 (см. рисунок ).
Рисунок - Уровни сигналов RS-232C на передающем и принимающем концах линии
Рисунок - Схема сопряжения микроконтроллера с COM-портом.
Разработка программы для микроконтроллера PIC16F818 на языке
С появлением в электронике микроконтроллеров многие столкнулись с
проблемой как и чем их программировать. Известно что программы
написанные на языке Ассемблер дают лучшие результаты. Размер программы
минимален и выполняется она значительно быстрее чем написанная на любом
другом языке. Но и писать программы на Ассемблере значительно сложнее и
дольше. Команды Ассемблеров различных производителей микроконтроллеров
отличаются друг от друга. Поэтому переходя от одного типа
микроконтроллеров к другому типу приходится как бы вновь осваивать новый
язык. Поэтому в настоящее время когда технический прогресс требует
скорейшего внедрения новых разработок альтернативой Ассемблеру должны
стать языки высокого уровня. В связи с тем что сейчас многие производители
выпускают огромное количество различных типов микроконтроллеров мы во всех
тех случаях когда памяти микроконтроллера не хватает всегда можем выбрать
более емкий микроконтроллер. А если нас не устраивает скорость выполнения
то мы можем задать более высокую частоту задающего генератора.
Любая программа представляет собой набор из сотен тысяч или даже миллионов
инструкций процессора каждая из которых кодируется одним или несколькими
байтами (эти инструкции еще называются машинным кодом). Пытаться составлять
программу просто набирая коды инструкций — занятие бессмысленное. Уже
после десятка введенных таким способом команд человек теряет нить
рассуждений начинает путаться и допускает ошибки.
Кроме того программа — это не просто набор вычислительных инструкций. Для
общения с внешними устройствами например для считывания информации о
изменении состояния каких либо датчиков в наборе команд микроконтроллера
есть специальная инструкция — прерывание которая прерывает работу
процессора и передает управление некоторой подпрограмме. Чтобы грамотно
использовать прерывания желательно детально разбираться в устройстве
самого контроллера и понимать логику его работы.
В 50 годы прошлого века появился первый высокоуровневый язык
программирования. Высокоуровневые языки программирования предназначены для
написания программ с помощью привычных для человека терминов. Они
манипулируют не конкретными ячейками памяти и
элементарными инструкциями а командами естественного языка. Эти команды с
помощью специальных программ переводятся в машинный код. []
Алгоритм работы программы показан на рисунке .
Рисунок - Алгоритм работы программы
Текст программы написанной в MicroCode Studio Plus содержится в
Расчёт блока питания
Для питания всего устройства применим блок питания для получения
напряжений +12В – рисунок .
Рисунок - Источник напряжения +12В.
После понижения напряжения силовым трансформатором ТП114-7 16В
А оно выпрямляется диодными мостами VD1..VD4 и сглаживается
конденсатором С1. Максимальная мощность выдаваемая в нагрузку
источником напряжения: 27 Вт
Выбор емкости конденсатора осуществляется по формуле
Для стабилизации напряжения применяем интегральный стабилизатор DA1 78L12
на +12В. Выход стабилизатора зашунтируем емкостью C2 01 мкФ (из
рекомендуемой схемы включения стабилизатора).
Напряжение 12В используется для питания импульсного преобразователя
напряжения[9] собранного на ключах VT1VT2 и R1=27Ом R2=220Ом (рисунок
Рисунок 14 - Высокочастотный преобразователь питания.
Источники ±10В используются для питания источника тока на
транзисторах VT3..VT6 чтобы получить требуемые величины токов в нагрузке.
Поскольку высоких требований к качеству источников 150В не
предъявляется то выберем номинал сглаживающего конденсатора:
Применены транзисторы: VT1 VT2- КТ819
Элементом развязки является трансформатор: Ти -226-ГОСТ 18685-73.

реомега2.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени академика С.П. КОРОЛЕВА (национальный исследовательский университет)»
КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКИ И МДС
РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО КУРСУ:
Разработка и проектирование диагностической техники.
проекта: Конюхов В. Н.
Задание на курсовой проект студенту Федорову Д.Е. гр. 554
Разработать блок регистрации и ввода реоплетизмографического сигнала в
ПЭВМ в стандарте RS232C. Частота измерительного тока – 30кГц сила тока –
мА сопротивление участка ткани- 1кОм измерение сопротивления
составляет 01 – 1% в зависимости от пациента. Обеспечить ввод только
переменной составляющей таким образом чтобы амплитуда сигнала на выходе
поддерживалась постоянной (считать период сигнала равным 1 секунде) при его
изменении на входе. Частотный диапазон сигнала: 001 – 20Гц. Питание от
сети 220В 50Гц. Разработать подпрограмму автоматической регулировки
Пояснительная записка: 31 стр. 24 рис 1 прил. 7 источников
РЕОПЛЕТИЗМОГРАММА МИКРОКОНТРОЛЛЕР ГЕНЕРАТОР ТОКА БЛОК ПИТАНИЯ
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
Разработан блок регистрации и ввода реоплетизмографического сигнала в
ПЭВМ в стандарте RS232C. Произведен расчет выходного каскада и его
моделирование в программе OrCad 10.5 выбрана элементная база данных
узлов. Написана программа для микроконтроллера.
Основы метода реоплетизмографии 6
1. Формирование реограммы 6
2. Устройство реографа 8
Разработка блока регистрации и ввода реосигнала в ПВМ 11
1. Разработка структурной схемы 11
1.1. Проектирование генератора переменного тока 12
1.2. Выбор усилителя переменного напряжения 14
1.3. Выбор детектора сигнала 15
1.4 Фильтрация сигнала 17
1.5. Выходной усилитель 18
1.6. Выбор амплитудного детектора 19
1.7. Микроконтроллер 20
Организация передачи данных по протоколу RS232C 22
1. Порядок обмена данными по интерфейсу RS232C 22
Разработка программы для микроконтроллера 27
Список использованной литературы 31
Реография (другое наименование импедансная плетизмография - это
бескровный метод исследования общего и органного кровообращения основанный
на регистрации колебаний сопротивления живой ткани организма переменному
току высокой частоты создаваемому специальным генератором[1].
Принципиальная разработка реографической методики принадлежит Н. Манн
(1937). В дальнейшем методика получила развитие в работах А.А. Кедрова и
Т.Ю. Либермана (1941— 1949) и др. Детальная разработка и внедрение в
клиническую практику метода реографии связано с именами австрийских
исследователей W. Holzer К. Polzer и A. Marko. Им же принадлежит по
существу первая монография (Rheokardiographie Wien 1946) в которой
авторы не только осветили технические стороны метода (электрические схемы
аппарата варианты генератора переменного тока и др.) но и представили
результаты клинического использования реографии при различных заболеваниях
сердечно сосудистой системы. Существенный вклад в разработку метода
реографии внес Ю.Т. Пушкарь создавший отечественную конструкцию аппарата и
изменивший методику регистрации реограммы (прекардильная реокардиография).
В настоящее время доказано клиническое значение применения метода
реографии[2]. В зависимости от конкретной клинической задачи меняется зона
исследования и соответственно место наложения электродов. Поэтому
различают реографию легких (реопульманография) сосудов мозга
(реоэнцефалография) сосудов конечностей (реовазография) сосудов печени
(реогепатография) исследование кровенаполнения камер сердца
(реокардиография прекордиальная реография) и др.
Основы метода реоплетизмографии
Принципиальной основой метода реографии является зависимость изменения
сопротивления от изменения кровенаполнения в изучаемом участке тела
человека. Другими словами изучаются пульсовые колебания электрического
сопротивления. Более полное представление о пульсовых колебаниях
электрического сопротивления получают при учете (соотношении) базового
сопротивления исследуемого участка (т. е. суммарного сопротивления тела
зондирующему току высокой частоты). Полный импеданс (сопротивление) состоит
из двух величин постоянный или базовый импеданс обусловленный общим
кровенаполнением тканей и их сопротивлением и переменный или пульсовой
импеданс вызванный колебаниями кровенаполнения во время сердечного цикла
[2]. Величина пульсового импеданса ничтожно мала и составляет 05-1 %
общего импеданса. Вместе с тем пульсовой импеданс составляет объект
изучения для реографии.
1 Формирование реограммы.
Реограмма — это кривая отражающая пульсовые колебания электрического
сопротивления. При увеличении кровенаполнения имеет место возрастание
амплитуды кривой и наоборот другими словами регистрируется динамика
импеданса в обратной полярности. На реограмме (Рисунок 1) различают
систолическую и диастолическую части. (Систола - сокращение сердца
диастола - расслабление). Первая обусловлена притоком крови вторая связана
с венозным оттоком. Дифференциальная реограмма (ДРГ) или первая производная
от реографической волны (см. рис. 1) характеризует скорость изменения
кровенаполнения исследуемой области позволяя получить сведения о сердечном
тонусе и сократительности миокарда [1].
Рисунок 1.- Сверху вниз: сигнал электрокардиограммы фонокардиограммы
реопульманограммы и дифференциального реографического сигнала одновременно
зарегистрированные у здорового человека [2].
Основными факторами определяющими вид реограммы органа являются:
скорость кровотока в органе (при увеличении скорости течения крови ее
удельное сопротивление уменьшается) плотность и химический состав крови
толщина и упругость (эластичность) стенок кровеносных сосудов геометрия
органа. Качественная и количественная оценка реограмм сводится к измерению
и описанию амплитудных и временных отрезков кривой которые отражают
состояние тонуса сосудов их эластичность величину объема крови
выбрасываемого сердцем в сосуды в момент сокращения. Кроме того
вычисляются специальные реографические показатели.
2 Устройство реографа
Регистрация реограмм осуществляется с помощью реографов (Рисунок 2).
Последние состоят из следующих основных элементов: генератора тока высокой
частоты усилителя переменного напряжения детектора усилителя фильтра
калибровочного устройства дифференцирующей цепочки регистратора.
Биологические ткани в том числе ткани тела человека способны проводить
электрический ток. Основными носителями заряда в них являются ионы.
Наибольшей удельной электропроводимостью (G ) то есть наименьшим удельным
сопротивлением (R) обладают ярко выраженные электролиты - спинномозговая
жидкость(G~ 0018 см-1 Ом-1 ) и кровь (G ~ 0006 см-1 Ом-1 ). Жировая
костная ткани а также сухая кожа имеют очень малую электропроводность (G
~ 00007 см-1 Ом-1 10-9 см-1 Ом-1 и 10-7 см-1 Ом-1 соответственно).
Рисунок 2. – Современный реограф
Рассмотрим простейшую схему измерения сопротивления какого-либо органа
или участка тела (рис. 3 а). Если I - сила тока протекающая через участок
тела и измеряемая миллиамперметром mA U - напряжение между электродами
измеряемое вольтметром V то сопротивление R должно изменяться в такт с
сердечными сокращениями поскольку во время них происходят изменения
кровенаполнения этого участка.
Рисунок 3. - а) - Схема позволяющая измерять сопротивления участка тела
человека с помощью зондирования постоянным током; б) - зондирование
Однако практически эти изменения так малы (десятые доли Ом и меньше)
что не могут быть надежно зарегистрированы на фоне большого общего
сопротивления участка (обусловленного большим сопротивлением кожи
межтканевых границ раздела переходным сопротивлением кожа- электрод и
др.). Кроме того истинное сопротивление участка тела на постоянном токе
вообще трудно зарегистрировать из-за возникающей поляризации тканей и
появления дополнительных зарядов на электродах. По этим причинам в
медицинской реографии не используется постоянный ток а вместо него
применяется переменный ток большой частоты. При подаче на электроды
переменного напряжения (рис. 3б) в цепи исследуемого объекта протекает
переменный ток. В тканях тела человека структур обладающих индуктивными
свойствами не обнаружено. Однако клеточные мембраны а также границы
раздела между различными тканями в определенном смысле подобны
конденсаторам (при прохождении тока в них возникает двойной электрический
слой зарядов) поэтому любой участок тела обладает более или менее
значительной электрической емкостью C [3]. Известно что присутствующая в
электрической цепи емкость оказывает переменному электрическому току
сопротивление величина которого обратно пропорциональна частоте тока (т.е.
чем выше частота тем меньше сопротивление) [4]. В медицинской реографии
используются частоты переменного тока порядка 100 кГц. При столь больших
частотах общее сопротивление исследуемого органа или участка тела
уменьшается и в значительно большей степени зависит от кровенаполнения
органа. Поэтому относительные изменения сопротивления во время сердечных
сокращений становятся большими и их регистрация значительно облегчается.
Причем эти изменения практически определяются лишь изменением активной
составляющей R полного импеданса исследуемого органа так как емкостная
составляющая на используемых частотах при изменении
кровенаполненияизменяется совершенно незначительно. Другим важным
преимуществом переменного тока является то что на больших
частотах его раздражающее действие уменьшается. А именно: величина
плотности порогового тока в диапазоне частот 50 - 300 кГц увеличивается
прямо пропорционально частоте тока. Так на частоте реографии ~ 100 кГц -
величина порядка 1 mАсм2 тогда как во время реографического обследования
плотность тока обычно не превышает 02 мАсм2
(для этого электроды должны иметь площадь не менее 5 см2 каждый!) [3].
Такой ток как правило не ощущается пациентом а реографическое
обследование является абсолютно безвредным и может повторяться многократно.
Разработка блока регистрации и ввода
реоплетизмографическогосигнала в ПЭВМ
Рисунок 4. -Структурная схема
Схема работает следующим образом. Генератор переменного тока
формирует синусоидальный сигнал с частотой 30 кГц и амплитудой тока 0.1мA.
В связи с изменением электрического сопротивления грудной клетки с течением
времени на вход усилителя переменного напряжения поступает
промодулированный реоплнтизмографический сигнал. Он усиливается
детектируется вычитается постоянная составляющая. С помощью фильтров
выделяется только спектр полезного сигнала (0.01 – 20 Гц) который
поступает на вход АЦП микроконтроллера. МК обрабатывает полученные данные и
посылает информацию о полученном реоплетизмографическом сигнале в ПЭВМ в
стандарте RS-232С с помощью согласователя на микросхеме MAX 232. Также МК
регулирует уровень сигнала в заданном диапазоне автоматической регулировкой
усиления с помощью цифрового резистора.
Проектирование генератора переменного тока.
Проведение реоплетизмографии осуществляется с помощью подачи на пациента
переменного тока синусоидальной формы с амплитудой 0.1 мА и частотой 30
кГц который в дальнейшем модулируется полезным сигналом.
Генератор переменного тока состоит из двух частей: генератора
синусоидального напряжения и выходного каскада обеспечивающего заданные
параматры выходного тока.
Генератор синусоидального напряжения построен на микросхеме ICl 8038
которую используем как генератор синусоидального сигнала.
Рисунок 5.- Типовое включение микросхемы ICL 8038
Рассчитаем параметры частотозадающих элементов: Ra Rb C.
Частота генерируемых колебаний рассчитывается по формуле[6]:
На 2 выводе микросхемы получаем синусоидальный сигнал с амплитудой 25 В.
С выхода микросхемы ICL8038 сигнал поступают на источника тока на
биполярных транзисторах работающий следующим образом:
В состоянии покоя [pic]
При положительном входном напряжении Ik2 получает приращение равное
Uвх2R5 тогда как ток Ik1 уменьшается на такую же величину. При этом Iвых=
-UвхR5. При отрицательном входном напряжении выходной ток будет
Резисторы R7 и R8 ограничивают максимальный ток базы VT1 и VT2.
Рисунок 6.- Источник тока на биполярных транзисторах
Рисунок 7.- Ток на выходе источника.
Номинал С1 выбирается из условия неискажённой передачи сигнала в
Выбор усилителя переменного напряжения
После регистрации сигнал необходимо усилить для последующей обработки.
В качестве усилителя переменного напряжения выбираем инструментальный
усилитель AD623[6] обладающим следующими техническими параметрами:
Таблица 1 – Технические параметры микросхемы AD623
Набор устанавливаемых коэффициентов передачи 1 1000
Коэффициент подавления синфазной помехи 90 дБ (G=10)
Малое время установления (до 001%) 20 мкс (G=10)
Малое напряжение смещения 100 мкВ
Малый дрейф напряжения смещения 1 мкВ°С
Малый ток смещения 25 нА
Низкий уровень шумов (f=1кГц) 35 нВ√(Гц)
Низкое потребление при однополярном питании 575 мкА
Широкий диапазон питающих напряжений +27 В +12 В
Промышленный диапазон температур -40 +85oС
Корпус 8-контактный для всех модификаций DIP-8 SOIC-8 SOIC-8
Коэффициент усиления задается одним резистором величина которого
рассчитывается по формуле:
Выберем значение усиления равное 24 тогда RG= 4.3 кОм.
Рисунок 8– Сигнал на выходе предварительного усилителя
Для выделения огибающей модулированного сигнала можно использовать
простейший детектор:
Параметры R и C выбираются таким образом чтобы
Вычислим напряжение шума на выходе детектора:
Рисунок 10- Напряжение на выходе амплитудного детектора
Для выделения заданной полосы частот поступившего сигнала используется
полосовой фильтр второго порядка[4] схема которого показана на рисунке .
Элементы фильтра подбираются исходя из следующих соотношений:
Резонансная частота фильтра: Fp=12RC (1)
Коэффициент усиления фильтра: K=a(3-a) (2)
Добротность фильтра: Q=Fp(Fmax-Fmin)=1(3-a) (3)
Рисунок 13 - Схема полосового фильтра второго порядка
Активный полосовой фильтр второго порядка собранный на операционном
усилителе LM358N [4] и обеспечивает указанную в задании полосу частот
полезного сигнала от 001 до 20 Гц. Расчет фильтра производится по формулам
(1)-(3). Тогда элементы фильтра будут иметь следующие значения:
1.5 Выходной усилитель
Выходной усилитель собран на ОУ AD823 по неинвертирующей схеме
включения. Одним из его достоинств является свойство Rail- to –Rail [6].
Коэффициент усиления от 200 до 2000 задается с помощью изменения цифрового
потенциометра DS1804-100 управляемого с МК. Это позволит усилить реосигнал
с 00024 В и 0024 В до постоянного значения амплитуды равного 48 В.
Рисунок 14 – Выходной усилитель с АРУ
Рисунок 15 – Цифровой потенциометр DS1804-100 фирмы Maxim
Цифровой потенциометр обеспечивает последовательное изменение
сопротивления от 0 до 100кОм с шагом в 1кОм.
Рисунок 16. - Изменение уровня сигнала с помощью АРУ
Выбор амплитудного детектора
Для определения амплитуды сигнала можно использовать простейший
Рисунок 17 – Амплитудный детектор
Вычислим напряжение пульсаций на выходе детектора []:
Рисунок 18 – Напряжение сигнала на детекторе
В данной курсовой работе используется микроконтроллер PIC16F818 [6]
фирмы Microchip. Он имеет следующие отличительные особенности:
Серия микроконтроллеров КМОП основанных на флэш-памяти
Архитектура RISC с 35 командами
Все команды (кроме команд перехода) являются инструкциями одного
Захват сравнение модуль ШИМ
ICSP (Внутрисхемное последовательное программирование)
-канальный 810-битный АЦП
Технические параметры:
Таблица 2. – Технические параметры контроллера
Количество входоввыходов 16
Напряжение питания макс. 5.5 V
Напряжение питания мин. 4 V
Рабочая температура мин. -40 °C
Рабочая температура -40 +85 °C
Рабочая температура макс. +85 °C
Флэш-память 1.75 kByte
Тактовая частота макс. 20 MHz
Разрешение ADC 810 Bit
Количество таймеров 3
Рисунок 16 – Расположение выводов микроконтроллера PIC16F818
Организация передачи данных по протоколу RS232C
Последовательный интерфейс RS-232-С[7] определяемый стандартом EIA RS-
2-C и рекомендациями V.24 CCITT широко используется для синхронной и
асинхронной передачи данных. Изначально он создавался для связи компьютера
с терминалом. В настоящее время используется в самых различных применениях.
Интерфейс RS-232-C соединяет два устройства. Линия передачи первого
устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс)
Для управления соединенными устройствами используется программное
подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих
управляющих символов).
1 Порядок обмена по интерфейсу RS-232C
Интерфейс RS-232C предназначен для подключения к компьютеру стандартных
внешних устройств (принтера сканера модема мыши и др.) а также для
связи компьютеров между собой. Данные в RS-232C передаются в
последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и
стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну так и в другую
сторону (дуплексный режим).
Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем для
подключения RS-232C. Для целей данной курсовой работы достаточно
использования возможностей 9-контактного разъема. Назначение контактов
разъема DB9P приведено в таблице 1 а его вид – на рисунке .
Рисунок 19 - вид 9-контактного разъема для подключения RS-232C
Таблица 3 - назначение контактов разъема DB9P.
НаименованиНаправлениОписание Контак
DCD IN Carrie Detect (Определение несущей) 1
RXD IN Receive Data (Принимаемые данные) 2
TXD OUT Transmit Data (Передаваемые данные) 3
DTR OUT Data Terminal Ready (Готовность 4
GND - System Ground (Корпус системы) 5
DSR IN Data Set Ready (Готовность данных) 6
RTS OUT Request to Send (Запрос на отправку)7
CTS IN Clear to Send (Готовность приема) 8
RI IN Ring Indicator (Индикатор) 9
Назначение сигналов следующее:
GND – корпус системы.
TxD - данные передаваемые компьютером в последовательном коде (логика
RxD - данные принимаемые компьютером в последовательном коде (логика
RTS - сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.
CTS - сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время
передачи. Говорит о готовности приемника.
DSR - готовность данных. Используется для задания режима модема.
DCD - обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого
DTR - готовность выходных данных.
RI - индикатор вызова. Говорит о приеме модемом сигнала вызова по
В данной работе для двунаправленной передачи данных используется
четырехпроводная линии связи. Ее схема показана на рисунке 11.
Рисунок 20 - Схема 4-проводной линии связи для RS-232C
Формат передаваемых данных показан на рисунке . Собственно данные (5
7 или 8 бит) сопровождаются стартовым битом битом четности и одним или
двумя стоповыми битами. При асинхронной передаче каждому байту предшествует
старт-бит сигнализирующий приемнику о начале посылки за которым следуют
биты данных и возможно бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-
бит гарантирующий паузу между посылками (рисунок ). Старт-бит следующего
байта посылается в любой момент после стоп-бита то есть между передачами
возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит имеющий всегда строго
определенное значение (логический 0) обеспечивает простой механизм
синхронизации приемника по сигналу от передатчика.
Подразумевается что приемник и передатчик работают на одной скорости
обмена. Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчик-
делитель опорной частоты обнуляемый в момент приема начала старт-бита.
Этот счетчик генерирует внутренние стробы по которым приемник фиксирует
последующие принимаемые биты. В идеале стробы располагаются в середине
битовых интервалов что позволяет принимать данные и при незначительном
рассогласовании скоростей приемника и передатчика. Получив стартовый бит
приемник выбирает из линии биты данных через определенные интервалы
времени. Скорость передачи по RS-232C может выбираться из ряда: 110 150
0 600 1200 2400 4800 9600 19200 38400 57600 115200 битс.
Рисунок 21 - Формат данных RS-232C
Все сигналы RS-232C передаются специально выбранными уровнями
обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи (рисунок 13). Данные
передаются в инверсном коде (логической единице соответствует низкий
уровень логическому нулю - высокий уровень).
Для сопряжения уровней передатчика и приемника сигналов используют
преобразователь уровней MAX232[5] (см. рисунок ).
Рисунок 22 - Уровни сигналов RS-232C на передающем и принимающем концах
Рисунок 23 - Схема сопряжения микроконтроллера с COM-портом.
Разработка программы для микроконтроллера PIC16F818 на языке
С появлением в электронике микроконтроллеров многие столкнулись с
проблемой как и чем их программировать. Известно что программы
написанные на языке Ассемблер дают лучшие результаты. Размер программы
минимален и выполняется она значительно быстрее чем написанная на любом
другом языке. Но и писать программы на Ассемблере значительно сложнее и
дольше. Команды Ассемблеров различных производителей микроконтроллеров
отличаются друг от друга. Поэтому переходя от одного типа
микроконтроллеров к другому типу приходится как бы вновь осваивать новый
язык. Поэтому в настоящее время когда технический прогресс требует
скорейшего внедрения новых разработок альтернативой Ассемблеру должны
стать языки высокого уровня. В связи с тем что сейчас многие производители
выпускают огромное количество различных типов микроконтроллеров мы во всех
тех случаях когда памяти микроконтроллера не хватает всегда можем выбрать
более емкий микроконтроллер. А если нас не устраивает скорость выполнения
то мы можем задать более высокую частоту задающего генератора.
Любая программа представляет собой набор из сотен тысяч или даже миллионов
инструкций процессора каждая из которых кодируется одним или несколькими
байтами (эти инструкции еще называются машинным кодом). Пытаться составлять
программу просто набирая коды инструкций — занятие бессмысленное. Уже
после десятка введенных таким способом команд человек теряет нить
рассуждений начинает путаться и допускает ошибки.
Кроме того программа — это не просто набор вычислительных инструкций. Для
общения с внешними устройствами например для считывания информации о
изменении состояния каких либо датчиков в наборе команд микроконтроллера
есть специальная инструкция — прерывание которая прерывает работу
процессора и передает управление некоторой подпрограмме. Чтобы грамотно
использовать прерывания желательно детально разбираться в устройстве
самого контроллера и понимать логику его работы. В 50 годы прошлого века
появился первый высокоуровневый язык программирования. Высокоуровневые
языки программирования предназначены для написания программ с помощью
привычных для человека терминов. Они манипулируют не конкретными
ячейками памяти и элементарными инструкциями а командами
естественного языка. Эти команды с помощью специальных программ переводятся
в машинный код. [8] Алгоритм работы программы показан на рисунке.
Рисунок 24 - Алгоритм работы программы
Текст программы написанной в MicroCode Studio Plus содержится в
приложении А [89]. Алгоритм работы подпрограммы автоматического
регулирования усиления приведен на рисунке 25.
Рисунок 25 Алгоритм работы подпрограммы АРУ
Разработан блок регистрации реоплетизмографического сигнала. Основными
техническими характеристиками этого прибора являются:
Амплитуда тока воздействия 0.1 мА;
Частотный диапазон сигнала 001– 20 Гц
Частота измерительного тока 30кГц
Передача информации на ПК по интерфейсу RS232C
Написана программа для микроконтроллера. Проведено моделирование в
программе OrCAD и Proteus 7.7
Список использованных источников
А.П. Кулаичев Компьютерная электрофизиология в клинической и
исследовательской практике НПО “Информатика и компьютеры” Москва – 1999
У. Титце К. Шенк Полупроводниковая схемотехника Москва “МИР”
П.Хоровиц У. Хилл. Искусство схемотехники Москва “МИР” 1998г
Хилинский В.Н. Учимся программировать микроконтроллеры PIC на языке
PicBasicPro- Уфа. 2007.- 186 стр.
Чак Хелибайк Программирование PIC-микроконтроллеров на PicBasic –
М.: Додека. 2003.- 321 стр.

orcad.doc

АЧХ фильтрующей цепочки

Бп.cdw

приложение А.doc

'****************************************************************
'* Author : Fyodorov *
'* Notice : Copyright (c) 2011 [select VIEW EDITOR OPTIONS] *
'* : All Rights Reserved *
'* Date : 27.11.2011 *
include "modedefs.bas
define adc_bits 8 'устанавливаем разрядность АЦП
define adc_clock 3 'устанавливаем источник синхронизации АЦП
define adc_sampleus 50 'устанавливаем время преобразования
define char_pacing 1000 'задержка между посылками данных на МК
symbol inc = portb.6
symbol led = portb.0
'определим пределы попадания максимума
'настраиваем значение усилителя на минимальное необходимое усиление = 50
ud = 0 'настраиваем потенциометр на уменьшение R
'сопротивление потенциометра 0 Ом
ud = 1 'включаем потенциометр на увеличение сопротивление
'усиление установлено в значение 50
'если нет сигнала то предупреждаем врача зажигая светодиод
'если сигнал превышает допустимые пределы то устанавливаем усиление на
if in > verhpred then
'проверяем входит ли полученное значение в допустимые пределы
if in > nizpred then
'попало. Идем в основную программу
'не попало. Усиление слабое.
' для увеличения точности определения усиления
' умножаем переменную на 10
'находим амплитуду сигнала на входе усилителя
'вычислили необходимое значение импульсов для нужной амплитуды сигнала
'разность между текущим и необходимым количеством имп усиления
'подключаем потенциометр на увеличение R
'выставили необходимое усиление
'записываем новое значение имп усиления
serout portb.1T1200 [#vh1 10]
'передаем данные на ПК

стим.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени академика С.П. КОРОЛЕВА (национальный исследовательский университет)»
КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКИ И МДС
РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО КУРСУ:
Разработка и проектирование диагностической техники.
проекта: Конюхов В. Н.
Задание на курсовой проект студенту Федорову Д.Е. гр. 544
Разработать противоболевой электронейростимулятор. На выходе
формируются биполярные прямоугольные импульсы с частотой следования
регулируемой в пределах 20-150Гц. Импульсы имеют высокочастотное заполнение
со следующими параметрами: t1=10 мкс t2=4мксt3= 2 мс I=0-120 мА на
нагрузке изменяющейся от 0.2 до 1кОм. Питание стимулятора от сети
переменного тока 220В 50Гц. Предусмотреть цифровую индикацию амплитуды
Пояснительная записка: 38 стр. 13 рис 7 прил. 11 источников
ЭЛЕКТРОНЕЙРОСТИМУЛЯТОР ИМПУЛЬСЫ ЗАПОЛНЕНИЯ ВЫХОДНОЙ КАСКАД БЛОК ПИТАНИЯ
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
Разработан противоболевой электронейростимулятор с изменением частоты
амплитуды стимулирующих импульсов и питанием от сети переменного тока
напряжением 220 В и частотой 50 Гц.
Произведен расчет выходного каскада и его моделирование в программе
OrCad 10.5 выбрана элементная база данных узлов. Написана программа для
микроконтроллера рассчитаны потребляемая мощность выходным каскадом и его
Противоболевая электронейростимуляция 6
1 Выбор параметров стимулирующего тока 7
2 Требования к электродам для ЧЭНС 8
3 Требования к конструкции стимулятора 9
Разработка противоболевого электронейростимулятора 10
1 Структурной схемы противоболевого электронейростимулятора 10
2 Расчёт времязадающих цепей 12
3 Проектирование выходного каскада 13
3.1 Расчёт параметров выходного каскада 13
3.2 Моделирование работы выходного каскада 15
3.3 Определение КПД выходного каскада 18
4 Схема измерения тока ..19
Расчёт блока питания 23
Обоснование выбора элементной базы 25
Разработка программы для микроконтроллера PIC16F818 на PicBasicPro 26
Список использованных источников 30
Приложение А. Схема электрическая принципиальная электронейростимулятора
Приложение Б. Перечень элементов электростимулятора 32
Приложение В. Схема электрическая принципиальная блока питания 33
Приложение Г. Перечень элементов блока питания 34
Приложение Д. Общий вид 35
Приложение E. Текст программы на языке PicBasic .36
Приложение Ж. Выходной файл программы OrCad 10.5 . 38
Современная медицина тесно связана с созданием новых аппаратных и
технических средств для диагностики и лечения заболеваний. Одним из
важнейших направлений является разработка аппаратуры для эффективного
лечения болевых синдромов в различных областях медицины.
Очень часто боль является патогенным фактором который может усугубить
течение заболевания становясь препятствием на пути к выздоровлению. Она
представляет собой сложную реакцию организма. Особенно неблагоприятное
действие на состояние пациента способны вызывать послеоперационный болевой
синдром острые боли травматического происхождения а так же боль при
Медикаментозные способы обезболивания имеют ряд серьезных недостатков.
Наиболее важными из которых являются недостаточная анальгетическая
эффективность угнетение деятельности жизненно важных органов и систем.
Поэтому заметно возрос интерес к использованию способов обезболивания
связанных с воздействием слабых электрических токов на центральную и
периферическую нервную систему человека.
Достоинством методов обезболивания связанных с воздействием
электрического тока на организм человека является то что в них в качестве
действующего лечебного фактора используется электрический ток который
является адекватным раздражителем биологических тканей что дает высокую
потенциальную эффективность электроанальгезии отсутствие побочных явлений
и противопоказаний при применении в клинической практике. Можно выделить
несколько направлений в развитии методов электрообезболивания: общая
электороанастезия электропунктура периферическая электроанальгезия. [1]
Противоболевая электронейростимуляция
Рассмотрим подробно периферическую электроанальгезию. Шилли одним из
первых использовал электростимуляцию спинномозговых структур для подавления
болей не поддающихся другим методам лечения. Он же обратил внимание на то
что чрескожная стимуляция периферических нервов (ЧЭНС) дает хороших
результат. Исследования показали что она приводит к уменьшению скорости
проведения и снижения интенсивности пульсации в тонких волокнах нервов
ответственных за проведение болевых импульсов. В результате этого болевые
посылки не достигают областей мозга воспринимающих боль.
ЧЭНС применяется для лечения хронических болевых синдромов нейрогенного
происхождения в ортопедии травматологии и других областях медицины. ЧЭНС
привлекает внимание врачей прежде всего своей простотой доступностью
безопасностью широким спектром возможного применения.
При ЧЭНС электроды в виде двух проводящих эластичных пластин
накладывают на кожу пациента в проекции соматических нервных стволов
иннервирующую зону боли. После включения стимулирующего тока под
электродами возникают ощущения покалывания вызванные местным действием
тока. Длительность сеансов ЧЭНС определяется достижением необходимого
эффекта обезболивания. Выбор области расположения электродов на теле
пациента ведется по определенным медицинским показаниям.
1 Выбор параметров стимулирующего тока
Для выбора параметров тока стимуляции нет единого правила. Наиболее
часто при ЧЭНС регулируются длительность импульсов и частота их
следования. Диапазоны регулировки у различных стимуляторов лежат в области
десятков-сотен редко – тысяч микросекунд и десятков-сотен герц. Амплитуда
тока не превышает десятков миллиампер и зависит от площади электродов.
Между тем усиление эффективности ЧЭНС требует увеличения плотности
тока которая ограничивается накожными раздражающими эффектами – ожогами
болевыми ощущениями под электродами. Поэтому достижение обезболивания при
ограниченных амплитудах тока возможно путем увеличения порога болевого
раздражения которое зависит от формы стимулирующего тока. Исследования
возбудимости нервных волокон показали что различие между порогами болевого
и сенсорного раздражения возрастает при укорочении длительности импульса и
увеличении крутизны его фронта. Таким образом для противоболевой
стимуляции следует выбирать стимулы с коротким фронтом длительность
которого не превышает единиц процентов от длительности стимула. Однако
уменьшение длительности ограничивается величиной времени релаксации тока в
тканях окружающих возбудимую структуру. Уменьшение чрескожных эффектов
может быть также достигнуто за счет увеличения частоты следования стимулов.
Но необходимо учитывать что при низких частотах возрастают болезненные
ощущения под электродами а при слишком высоких – резко падает
эффективность стимуляции.
2 Требования к электродам для ЧЭНС
Электроды должны обеспечивать надежность и удобство их фиксации на коже
пациента в течение всего периода лечения. Материал электродов должен быть
биологически нейтральным обладать устойчивостью к одному из
распространенных методов стерилизации. Выбор материала и конструкции
электрода зависит от функционального назначения стимулятора. Для
индивидуальных аппаратов используются электроды прямоугольной формы из
эластичных токопроводящих материалов электроды большой длины необходимо
выполнять из металла в виде гибких лент тонкой фольги или сетки.
Электроды для послеоперационного обезболивания закрепляются на теле
пациента на весь период лечения поэтому к ним предъявляются дополнительные
требования по эластичности хорошему контакту с кожей отсутствию
Для электродов многоразового использования разработан специальный
материал обладающий малым удельным сопротивлением высокой пористостью
эластичностью и малой плотностью. Он представляет собой спрессованный
брикет из цилиндрических непрерывных спиралей биологически нейтральных
проволок диаметром 005..015 мм. Такие электроды достаточно легкие и
закрепляются на коже с помощью лейкопластыря. [2]
3 Требования к конструкции стимулятора
По своему конструктивному выполнению аппаратура для периферической
анальгезии должна соответствовать техническим требованиям предъявляемым к
электромедицинской аппаратуре. При разработке стимулятора необходимо
применять радиокомпоненты обеспечивающие высокую надежность малые
габариты вес и экономичность устройства. Части конструкции стимулятора
должны быть изготовлены из коррозийно-стойких материалов или защищены от
коррозии специальными покрытиями. Стимулятор должен быть устойчив к
дезинфекции одним из применяемых в лечебных учреждениях способов.
Конструкция его должна быть технологична при производстве обеспечивать
удобство в работе и ремонтопригодность а также обеспечивать полную
электробезопасность персонала и пациентов.[3]
Разработка противоболевого электронейростимулятора
1 Структурной схемы противоболевого электронейростимулятора
На рисунке 1 представлена структурная схема противоболевого
электронейростимулятора.
Рисунок 1 - Структурная схема противоболевого электронейростимулятора.
Схема работает следующим образом. Микроконтроллер формирует импульсы
длительностью t2 = 4 мкс и периодом следования t1 = 10 мкс (рисунок 2а).
Эти импульсы формируются в пачки импульcов длительностью t3 = 2 мс и
частотой следования изменяемой в пределах от 20 до 150 Гц (рисунок 2б) и
снимаются с выхода микроконтроллера. Выходные сигналы поступают на схему
усиления где усиливаются до значений необходимых для нормальной работы
выходного каскада. Выходной каскад формирует биполярные импульсы амплитудой
0 мА (рисунок 2г) после чего сигнал через электроды подаётся на тело
Рисунок 2 - Временные диаграммы:
а) импульсов в пачке; б) пачек импульсов;
в) заполнения пачек; г) вид выходных импульсов
В цепи пациента находится схема измерения тока которая через
микроконтроллер передаёт измеренные значения на цифровую индикацию
амплитуды тока в нагрузке. Блок питания преобразует сетевое напряжение 220
В 50 Гц в напряжение необходимое для стабильной работы каждого блока
2 Расчёт времязадающих цепей
Так как частота следования пачек импульсов меняется от 20 до 150 Гц за
счет изменения длительности паузы то tп = 48 мс 48 мс
где R0 = 24кОм – постоянный резистор;
ΔR = 10 кОм – переменный резистор обеспечивающий изменение частоты в
диапазоне от 20 до 150 Гц.
Изменение сопротивление переменного резистора обеспечивает изменение
напряжения на входе АЦП микроконтроллера. Длительность паузы 48 мс
соответствует входному напряжению 1В (5110) а 48 мс -5В (25510).
Рассчитаем зависимость изменения длительности паузы от цифрового значения
на выходе АЦП микроконтроллера.
3 Проектирование выходного каскада
3.1 Расчёт параметров выходного каскада
С выхода микроконтроллера импульсы поступают на эмиттерный повторитель
на VT1 и VT2 который обеспечит требуемый ток. Выходной каскад собран на
транзисторах VT3 – VT6. VT3 VT6 - управляемые ключи а VT4 VT5 –
источники тока. VT3 VT4 – 2N5401. VT5 VT6 – 2N5550. [4] Максимальный ток
коллектора VT3 72 мА при = 100 следовательно ток базы насыщения 072
мА. Трансформатор Т1 ММТИ166 с коэффициентом передачи 1. Напряжение
подаваемое во вторичной обмотке равно 5В.
R10 = 5В072мА 68 кОм.
Для VT6 Ik max = 48мА = 100 отсюда Iб нас = 048мА и
R11 = 5В048мА 10 кОм.
Для того чтобы открыть VT3 VT6 потребовалась мощность
Р2 = 5В*(072мА+048мА)=6мВт. Следовательно эмиттерный
повторитель на VT1 VT2 должен обеспечить мощность Р1 = 7мВт. При питании
VT1 2Т104Г Ik max = 10мА = 10.
Для обеспечения выходного тока 14 мА базовый ток на транзисторах
На выходе микроконтроллера 5В следовательно
R5 = 5В014мА = 36 кОм.
Ёмкость С5 предназначена для устранения постоянной составляющей
которая вводила бы сердечник трансформатора в насыщение.
Для обеспечения постоянного режима работы источников тока необходимо
чтобы IVT4 IVT5 были согласованы с длительностью стимулирующих импульсов:
tи = 4мкс tп = 6мкс.
Для того чтобы напряжение на разделительной ёмкости С5 после
переходного процесса было равным нулю должно выполняться условие
Т. к. амплитуда тока на выходе электростимулятора 120 мА то
IVT4 = 72 мА а IVT5 = 48 мА.
Uб VT4 = Uб VT5 = Uб
(Uб–06В)(R12+Rvt) = IVT4 = 72 мА
Возьмём R12 = 100 Ом Rvt= 10 Ом тогда для обеспечения тока IVT5 = 48
мА R13 = 15*R12 = 150 Ом. Uб = 85 В. Рассчитаем делитель для
обеспечения такого напряжения на базе.
При этом должно выполняться условие:
Рассчитаем напряжение питания в худшем случае при Rн=1 кОм
Uп = IVT4 (Rн+R12+R14)
Uп =72мА(1000Ом+100Ом+ 1000Ом) = 150 В.
R14 – измерительный резистор (выбор его значения будет описан ниже).
Выберем номиналы резисторов на основании уравнений (11) и (12):
R6 = 680 Ом R9 = 680 Ом R7 = 10 кОм R8 = 0 Ом (R8- перестраиваемый
резистор и при выходном токе 72 мА его сопротивление должно равняться 0).
Для обеспечения выходного тока IVT4 = 0 необходимо чтобы Uб = 06В. В
этом случае из уравнений (11) следует что R8=400 кОм.
Номинал С5 выбирается из условия неискажённой передачи импульсов в
С5=1мкФ (Rн=1000 Ом).
3.2 Моделирование работы выходного каскада
Проведём проверку работы выходного каскада при помощи пакета Orcad [5].
Соберём схему выходного каскада (рисунок 4). Вторичные обмотки
трансформатора заменим на источники импульсного напряжения генерирующие
импульсы заданной длительности и амплитудой 5В. Сопротивление регулирующего
резистора R8 = 0 (случай максимального тока в нагрузке). Моделирование
проведем для двух случаев: на активной нагрузке и на модели ткани.
Схема моделирования на активной нагрузке (Rн=1 кОм) представлена на
Рисунок 4 – Схема выходного каскада с активной нагрузкой.
Рисунок 5 – Импульсы тока на нагрузке.
Рассмотрим работу выходного каскада когда нагрузкой служит модель
ткани. Схема представлена на рисунке 6. Здесь Rэк сопротивление перехода
электрод-кожа Сэк емкость этого перехода Rвн и Свн соответствуют
сопротивлению и емкости глубоко лежащих тканей. Для электродов площадью
несколько см2 и постоянной составляющей тока в несколько десятков мА:
Rэк =1 2 кОм; Сэк =0.03 0.05 мкФ; Rвн =0.5 1 кОм; Свн =0.01 мкФ.
Рисунок 6 – Эквивалентная схема участка ткани
Рисунок 7 – Схема выходного каскада с нагрузкой в виде эквивалентного
Рисунок 8 – Импульсы тока на ткани.
3.3 Определение КПД выходного каскада
Для определения КПД схемы необходимо определить мощность потребляемую
схемой от источников питания и мощность выделяемую в нагрузке.
Рисунок 9- Графики потребляемой мощности и мощности на нагрузке
4 Схема измерения тока
Измерение тока протекающего в цепи пациента будем проводить при помощи
измерительного резистора R14 пикового детектора на высокочастотном диоде
VD1 C4 дифференциального усилителя собранного на ОУ DA1.
Рисунок 10 – Выходной каскад со схемой измерения
Ток протекающий через пациента будет создавать падение напряжения на
измерительном резисторе R14 = 1 кОм. Номинал резистора R14 выбираем исходя
из условия регистрации тока 1мА и выше. При амплитуде 1мА амплитуда
положительных импульсов составит 06 мА.
При R15 = 1 кОм падение напряжения составит 06В которое откроет VD1.
Рассмотрим случай когда через пациента течёт ток 120 мА. Измерение будем
производить по положительным импульсам. На измерительном резисторе U =
R15*I+ = 644 В. Учитывая падение напряжения 06В на VD1 получим на С7
Рассчитаем параметры пикового детектора. Допустим в некоторый момент
ток в цепи пациента 120 мА значит напряжение на С4 638В. Затем ток резко
уменьшается до 1мА следовательно на С4 06В. Так как диод VD1 открывается
когда напряжение на С4 меньше напряжения на входе на 06 В а емкость С4
разряжается через входное сопротивление усилителя то исходя из этих
условий мы можем определить значение ёмкости. Возьмём время задержки между
изменением тока и индикацией 4с. Необходимо выбрать такое чтобы по
истечении 4с напряжение на С4 было 06В. напряжение на ёмкости изменяется
Uc = 06В Uз = 638В t = 4с
Необходимо учесть погрешность измерения. Допустим стимулятор работает
на самой низкой частоте следования пачек импульсов 20Гц. Длительность пауз
между пачками составит 48мс. Рассмотрим худший случай когда на индикацию
выводится напряжение на ёмкости в конце паузы между импульсами. Тогда
напряжение на С4 составит exp(-t) = exp(-
480857) = 095 от действительного напряжения на R14.
Напряжение с ёмкости С7 поступает на делитель напряжения на R15 = 62кОм
и R16 =2кОм уменьшающий напряжения в 32 раза. С R16 снимаем напряжения в
диапазоне от 0019В до 2В. Для того чтобы собственные шумы не вносили
существенных погрешностей выберем прецизионный малошумящий ОУ MCP601 с Uсм
= 02мВ минимального сигнала на входе и Iвх макс=20пА [6]. Коэффициент
усиления ДУ выберем 118 максимальное напряжение на выходе 236В что на
4В меньше напряжения питания 5В что обеспечит неискажённую передачу
В соответствии с коэффициентом усиления выберем
R20 = R19 = 390кОм R17 = R18 = 330кОм. При сопротивлениях входных
резисторов R1718 ток утечки создаст падение напряжения 66 мкВ
минимального сигнала на входе (19мВ).
В соответствии с этими параметрами можем рассчитать С4.
Общее сопротивление равно R15+ R16= 64кОм
Рисунок 11- напряжение на выходе усилителя DA1 на частоте 20Гц
Рисунок 12- напряжение на выходе усилителя DA1 на частоте 150Гц
Для цифровой индикации тока в нагрузке используем АЦП микроконтроллера
Для индикации используем ЖКИ DG-12232S2FBLY
Расчёт блока питания
Для питания всего устройства применим блок питания для получения
напряжений +12В – рисунок 24.
Рисунок 13 - Источник напряжения +12В.
После понижения напряжения силовым трансформатором ТП114-7 16В
А оно выпрямляется диодными мостами VD1..VD4 и сглаживается
конденсатором С1. Максимальная мощность выдаваемая в нагрузку
источником напряжения: 27 Вт
Выбор емкости конденсатора осуществляется по формуле
Для стабилизации напряжения применяем интегральный стабилизатор DA1 КА7812
на +12В. Выход стабилизатора зашунтируем емкостью C2 01 мкФ (из
рекомендуемой схемы включения стабилизатора).
Напряжение 12В используется для питания импульсного преобразователя
напряжения[9] собранного на ключах VT1VT2 и R1=27Ом R2=220Ом (рисунок
Рисунок 14 - Высокочастотный преобразователь питания.
Источники 150 В используются для питания выходного каскада на
транзисторах VT3..VT6 чтобы получить требуемые величины токов в нагрузке.
Поскольку высоких требований к качеству источников 150В не
предъявляется то выберем номинал сглаживающего конденсатора:
Мощность потребляемая выходным каскадом и схемой измерения тока:
Применены транзисторы: VT1 VT2- КТ819
Элементом развязки является трансформатор: Ти -226-ГОСТ 18685-73.
Обоснование выбора элементной базы
Выбор микросхем используемых в электростимуляторе основывался на
том чтобы микросхемы по возможности использовали одинаковые питающие
напряжения: PIC16F818 от +5 а MCP601 питается от ±5В. Кварцевый резонатор
с частотой 20МГц позволяет получать на выходе микроконтроллера сигнал с
периодом до 3мкс. Усилитель МСР601 обладает малым током утечки и малым
напряжением смещения что не приводит к искажению значения тока
протекающего через измерительный резистор. Так же благодаря малому току
утечки возможно увеличение входного сопротивления дифференциального
усилителя за счёт использования высокоомных входных резисторов на входе ДУ.
Для индикации тока в нагрузке используется ЖКИ DG-12232S2FBLY
управляемым микроконтроллером.
Разработка программы для микроконтроллера PIC16F818 на языке
С появлением в электронике микроконтроллеров многие столкнулись с
проблемой как и чем их программировать. Известно что программы
написанные на языке Ассемблер дают лучшие результаты. Размер программы
минимален и выполняется она значительно быстрее чем написанная на любом
другом языке. Но и писать программы на Ассемблере значительно сложнее и
дольше. Команды Ассемблеров различных производителей микроконтроллеров
отличаются друг от друга. Поэтому переходя от одного типа
микроконтроллеров к другому типу приходится как бы вновь осваивать новый
язык. Поэтому в настоящее время когда технический прогресс требует
скорейшего внедрения новых разработок альтернативой Ассемблеру должны
стать языки высокого уровня. В связи с тем что сейчас многие производители
выпускают огромное количество различных типов микроконтроллеров мы во всех
тех случаях когда памяти микроконтроллера не хватает всегда можем выбрать
более емкий микроконтроллер. А если нас не устраивает скорость выполнения
то мы можем задать более высокую частоту задающего генератора.
Любая программа представляет собой набор из сотен тысяч или даже миллионов
инструкций процессора каждая из которых кодируется одним или несколькими
байтами (эти инструкции еще называются машинным кодом). Пытаться составлять
программу просто набирая коды инструкций — занятие бессмысленное. Уже
после десятка введенных таким способом команд человек теряет нить
рассуждений начинает путаться и допускает ошибки.
Кроме того программа — это не просто набор вычислительных инструкций. Для
общения с внешними устройствами например для считывания информации о
изменении состояния каких либо датчиков в наборе команд микроконтроллера
есть специальная инструкция — прерывание которая прерывает работу
процессора и передает управление некоторой подпрограмме. Чтобы грамотно
использовать прерывания желательно детально разбираться в устройстве
самого контроллера и понимать логику его работы.
В 50 годы прошлого века появился первый высокоуровневый язык
программирования. Высокоуровневые языки программирования предназначены для
написания программ с помощью привычных для человека терминов. Они
манипулируют не конкретными ячейками памяти и
элементарными инструкциями а командами естественного языка. Эти команды с
помощью специальных программ переводятся в машинный код. [10]
Алгоритм работы программы показан на рисунке 13.
Рисунок 15- Алгоритм работы программы
Текст программы написанной в MicroCode Studio Plus содержится в
Изменение частоты следования стимулирующих импульсов осуществляется с
помощью переменного резистора R2 по зависимости выведенной в пункте 2.2.
Разработанный противоболевой электронейростимулятор отвечает
требованиям технического задания. Основными техническими характеристиками
этого прибора являются:
Регулировка тока воздействия 0..120 мА;
Регулировка частоты воздействия 20 – 150 Гц
Сопротивление нагрузки 02..1 кОм;
Цифровая индикация тока в нагрузке;
Написана программа для микроконтроллера и рассчитан выходной каскад.
Проведено моделирование в программе OrCAD.
Список использованных источников
Ясногородский В.Г. Электротерапия. М.: Медицина 1993 240 с.
Лощилов В.И. Калакутский Л.И. Биотехнические системы
электронейростимуляции Мос. гос. техн. училище им. Н.Баумана. М.:1991
Калакутский Л.И. Аппаратура и методы периферической
электроанальгезии. Методические рекомендации. – Куйбышев 1987.-100с.
Полупроводниковые приборы: транзисторы диоды. Справочник. М.:
Энергия 1985. 774 с.
Разевиг В.Д. Применение программ P-cad и Pspice для
схемотехнического моделирования на ПЭВМ. Вып.1. – М.: Радио и связь 1992.-
Интегральные схемы: Операционные усилители. Справочник. М.:
Физматлит. 1993. 240 С.
П. Хоровиц У.Хилл. Искусство схемотехники. Том 1. - М.: Мир.1986.-
Шустов М.А. Практическая схемотехника: преобразователи напряжения –
М.: Альтекс-А. 2002.-184 стр.
Хилинский В.Н. Учимся программировать микроконтроллеры PIC на языке
PicBasicPro- Уфа. 2007.- 186 стр.
Чак Хелибайк Программирование PIC-микроконтроллеров на PicBasic –
М.: Додека. 2003.- 321 стр.
Приложение А. Схема электрическая принципиальная
электронейростимулятора
Приложение Б. Перечень элементов электростимулятора
Приложение В. Схема электрическая принципиальная блока питания
Приложение Г. Перечень элементов блока питания
Приложение Д. Общий вид.
Приложение Е. Текст программы на языке PicBasic
'****************************************************************
'* Name : antipain.BAS *
'* Author : [Fyodorov D] *
'* Notice : Copyright (c) 2011 [select VIEW EDITOR OPTIONS] *
'* : All Rights Reserved *
'* Date : 14.02.2011 *
define adc_bits 8 'Определяем разрядность АЦП
define adc_clock 3 'Устанавливаем источник синхронизации 3(RC)
define adc_sampleus 50 'Устанавливаем время преобразования
define osc 20 'Устанавливаем значение используемого
define lcd_dreg portb 'Определяем порт к которому подключены цепи
define lcd_dbit 4 'Определяем первый вывод шины данных
define lcd_rsreg portb 'Определяем порт цепи RS
define lcd_rsbit 3 'Определяем вывод цепи RS
define lcd_ereg portb 'Определяем порт цепи Е
define lcd_ebit 0 'Определяем вывод цепи Е
define lcd_bits 4 'Определяем режим 4х разрядной шины
define lcd_lines 2 'Определяем тип ЖКИ
define lcd_commandus 1000 'Время задержки между командами ЖКИ
define lcd_dataus 50 'Время задержки между посылками
trisa=%11111111 'Устанавливаем все выводы порта А на вход
trisb=%00000000 'Устанавливаем все выводы порта Б на выход
adcon0=%11000001 'Устанавливаем внутренний источник
adcon1 = 0 'A0-A4 - аналоговые входы
portb=0 'Обнуляем значения порта B
option_reg=0 'отключаем подтягивающие резисторы
lcdout FE 1 'Очищаем экран ЖКИ
adcin 0hz 'преобразуем уровень напряжения с нулевого
adcin 1volt 'преобразуем уровень напряжения с первого вывода
pauseus 100 'для вывода показаний на ЖКИ
zd=hz*212 'формируем интервал задержки соответствующий
lcdout FE2" I(mA) = " dec4 volt
Приложение Ж. Выходной файл программы OrCad
Симуляция на человеческой ткани
**** 041611 19:06:36 ******* PSpice 10.5.0 (Jan 2005) ******* ID#
** Profile: "SCHEMATIC1-111" [ C:OrCADOrCAD_10.5tools1111-
pspicefilesschematic1111.sim ]
**** CIRCUIT DESCRIPTION
****************************************************************************
** Creating circuit file "111.cir
** WARNING: THIS AUTOMATICALLY GENERATED FILE MAY BE OVERWRITTEN BY
SUBSEQUENT SIMULATIONS
* Profile Libraries :
* From [PSPICE NETLIST] section of
C:OrCADOrCAD_10.5toolsPSpicePSpice.ini file:
*Analysis directives:
.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*))
.INC "..SCHEMATIC1.net
**** INCLUDING SCHEMATIC1.net ****
C_C3 N77264 N77630 0.01u
R_R5 N10191 N72920 100
C_C2 N77412 N77264 0.04u
C_C1 N526321 N77412 1u
+PULSE 0 5 4u 1n 1n 6u 10u
R_R12 N77264 N77630 750
R_R6 N10207 N10203 150
R_R7 N10471 N34973 6.8k
R_R8 N10211 N31374 10k
Q_Q38 N37567 N10231 N10203 Q2N5550
R_R11 N77412 N77264 1.5k
R_R10 N526321 N37567 1k
Q_Q33 N72920 N10471 N10263 Q2N5401
+PULSE 0 5 0 1n 1n 4u 10u
Q_Q37 N10207 N10211 N10291 Q2N5550
Q_Q34 N37567 N29996 N10191 Q2N5401
R_R1 N29996 N10263 680
R_R2 N10231 N29996 10k
R_R4 N10291 N10231 680
**** RESUMING 111.cir ****
**** BJT MODEL PARAMETERS
IS 2.511000E-15 21.480000E-15
ISE 2.511000E-15 21.480000E-15
CJE 18.790000E-12 73.390000E-12
CJC 4.883000E-12 17.630000E-12
TF 560.100000E-12 641.900000E-12
TR 1.212000E-09 1.476000E-09
**** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C
NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE
(N10191) 69.8970 (N10203) -72.1190 (N10207) -72.1190 (N10211) -150.0000
(N10231) -132.0400 (N10263) 150.0000 (N10291) -150.0000 (N10471) 150.0000
(N29996) 132.0400 (N31374) -150.0000 (N34973) 150.0000 (N37567) -1.4810
(N72920) 69.8970 (N77264) 0.0000 (N77412) 0.0000 (N77630) 0.0000
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
**** JOB STATISTICS SUMMARY
Total job time (using Solver 1) = 13.06
Симуляция на нагрузке 1кОм
**** 041611 19:15:29 ******* PSpice 10.5.0 (Jan 2005) ******* ID#
C_C1 N526321 N79895 1u
(N10191) 69.8970 (N10203) -72.1200 (N10207) -72.1200 (N10211) -150.0000
(N29996) 132.0400 (N31374) -150.0000 (N34973) 150.0000 (N37567) -1.4813
(N72920) 69.8970 (N79895) 0.0000 (N526321) -1.4813
Total job time (using Solver 1) = 19.36

генсин.pdf

Precision Waveform GeneratorVoltage
Controlled Oscillator
The ICL8038 waveform generator is a monolithic integrated
circuit capable of producing high accuracy sine square
triangular sawtooth and pulse waveforms with a minimum of
external components. The frequency (or repetition rate) can
be selected externally from 0.001Hz to more than 300kHz
using either resistors or capacitors and frequency
modulation and sweeping can be accomplished with an
external voltage. The ICL8038 is fabricated with advanced
monolithic technology using Schottky barrier diodes and thin
film resistors and the output is stable over a wide range of
temperature and supply variations. These devices may be
interfaced with phase locked loop circuitry to reduce
temperature drift to less than 250ppmoC.
Low Distortion. . . . . . . . . . . . . . . . 1% (Sine Wave Output)
Low Frequency Drift with Temperature . . . . . . .250ppmoC
High Linearity . . . . . . . . . . . 0.1% (Triangle Wave Output)
Wide Frequency Range . . . . . . . . . . . 0.001Hz to 300kHz
Variable Duty Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2% to 98%
High Level Outputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TTL to 28V
Simultaneous Sine Square and Triangle Wave
Easy to Use - Just a Handful of External Components
Ordering Information
CAUTION: These dev follow proper IC Handling Procedures.
-888-INTERSIL or 321-724-7143 Copyright © Intersil Corporation 1999
Absolute Maximum Ratings
Supply Voltage (V- to V+). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36V
Input Voltage (Any Pin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V- to V+
Input Current (Pins 4 and 5). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25mA
Output Sink Current (Pins 3 and 9) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25mA
Thermal Resistance (Typical Note 1)
CERDIP Package. . . . . . . . . . . . . . . . .
PDIP Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maximum Junction Temperature (Ceramic Package) . . . . . . . .175oC
Maximum Junction Temperature (Plastic Package) . . . . . . . .150oC
Maximum Storage Temperature Range . . . . . . . . . . -65oC to 150oC
Maximum Lead Temperature (Soldering 10s) . . . . . . . . . . . . 300oC
Operating Conditions
ICL8038AC ICL8038BC ICL8038CC . . . . . . . . . . . . 0oC to 70oC
Back Side Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V-
CAUTION: Stresses above those listed in “Absolute Maximum Ratings” may cause permanent damage to the device. This is a stress only rating and operation of the
device at these or any other conditions above those indicated in the operational sections of this specification is not implied.
JA is measured with the component mounted on an evaluation PC board in free air.
VSUPPLY = ±10V or +20V TA = 25oC RL = 10k Test Circuit Unless Otherwise Specified
Electrical Specifications
Supply Voltage Operating Range
FREQUENCY CHARACTERISTICS (All Waveforms)
Max. Frequency of Oscillation
Sweep Frequency of FM Input
Frequency Drift with
Temperature (Note 5)
Frequency Drift with Supply Voltage
Typical Duty Cycle Adjust
OUTPUT CHARACTERISTICS
TriangleSawtoothRamp
VSUPPLY = ±10V or +20V TA = 25oC RL = 10k Test Circuit Unless Otherwise Specified (Continued)
RA and RB currents not included.
VSUPPLY = 20V; RA and RB = 10k f 10kHz nom can be extended 1000 to 1. See Figures 5A and 5B.
82k connected between pins 11 and 12 Triangle Duty Cycle set at 50%. (Use RA and RB.)
Figure 1 pins 7 and 8 connected VSUPPLY = ±10V. See Typical Curves for T.C. vs VSUPPLY.
Not tested typical value for design purposes only.
Sweep FM Range (Note 7)
Frequency Drift with Temperature
Frequency Drift with Supply Voltage (Note 8)
Pk-Pk Output at Pin 2
Pk-Pk Output at Pin 3
Leakage Current (Off) (Note 9)
Saturation Voltage (On) (Note 9)
Output (Low) at Pin 9
Rise and Fall Times (Note 11)
Triangle Waveform Linearity
Total Harmonic Distortion
Output Amplitude (Note 10)
Duty Cycle Adjust (Note 11)
The hi and lo frequencies can be obtained by connecting pin 8 to pin 7 (fHI) and then connecting pin 8 to pin 6 (fLO). Otherwise apply Sweep
Voltage at pin 8 (23 VSUPPLY +2V) ≤ VSWEEP ≤ VSUPPLY where VSUPPLY is the total supply voltage. In Figure 5B pin 8 should vary between
3V and 10V with respect to ground.
10V ≤ V+ ≤ 30V or ±5V ≤ VSUPPLY ≤ ±15V.
Oscillation can be halted by forcing pin 10 to +5V or -5V.
Output Amplitude is tested under static conditions by forcing pin 10 to 5V then to -5V.
Not for design purposes only.
FIGURE 1. TEST CIRCUIT
Application Information (See Functional Diagram)
An external capacitor C is charged and discharged by two
current sources. Current source #2 is switched on and off by a
flip-flop while current source #1 is on continuously. Assuming
that the flip-flop is in a state such that current source #2 is off
and the capacitor is charged with a current I the voltage
across the capacitor rises linearly with time. When this voltage
reaches the level of comparator #1 (set at 23 of the supply
voltage) the flip-flop is triggered changes states and
releases current source #2. This current source normally
carries a current 2I thus the capacitor is discharged with a
net-current I and the voltage across it drops linearly with time.
When it has reached the level of comparator #2 (set at 13 of
the supply voltage) the flip-flop is triggered into its original
state and the cycle starts again.
Four waveforms are readily obtainable from this basic
generator circuit. With the current sources set at I and 2I
respectively the charge and discharge times are equal. Thus
a triangle waveform is created across the capacitor and the
flip-flop produces a square wave. Both waveforms are fed to
buffer stages and are available at pins 3 and 9.
The levels of the current sources can however be selected
over a wide range with two external resistors. Therefore with
the two currents set at values different from I and 2I an
asymmetrical sawtooth appears at Terminal 3 and pulses
with a duty cycle from less than 1% to greater than 99% are
available at Terminal 9.
The sine wave is created by feeding the triangle wave into a
nonlinear network (sine converter). This network provides a
decreasing shunt impedance as the potential of the triangle
moves toward the two extremes.
The symmetry of all waveforms can be adjusted with the
external timing resistors. Two possible ways to accomplish
this are shown in Figure 3. Best results are obtained by
keeping the timing resistors RA and RB separate (A). RA
controls the rising portion of the triangle and sine wave and
the 1 state of the square wave.
The magnitude of the triangle waveform is set at 13
therefore the rising portion of the triangle is
FIGURE 2A. SQUARE WAVE DUTY CYCLE - 50%
C × 13 × V SUPPLY × R A
t 1 = -------------- = ------------------------------------------------------------------- = -----------------I
The falling portion of the triangle and sine wave and the 0
state of the square wave is:
= ------------- = ----------------------------------------------------------------------------------- = -------------------------------------V
( 0.22 ) ------------------------ – 0.22 -----------------------R
Thus a 50% duty cycle is achieved when RA = RB.
If the duty cycle is to be varied over a small range about 50%
only the connection shown in Figure 3B is slightly more
convenient. A 1k potentiometer may not allow the duty cycle
to be adjusted through 50% on all devices. If a 50% duty cycle
is required a 2k or 5k potentiometer should be used.
With two separate timing resistors the frequency is given by:
f = ---------------- = -----------------------------------------------------t1 + t2
------------ 1 + -------------------------
f = ----------- (for Figure 3A)
FIGURE 2B. SQUARE WAVE DUTY CYCLE - 80%
FIGURE 2. PHASE RELATIONSHIP OF WAVEFORMS
FIGURE 3. POSSIBLE CONNECTIONS FOR THE EXTERNAL TIMING RESISTORS
Neither time nor frequency are dependent on supply voltage
even though none of the voltages are regulated inside the
integrated circuit. This is due to the fact that both currents
and thresholds are direct linear functions of the supply
voltage and thus their effects cancel.
The capacitor value should be chosen at the upper end of its
Waveform Out Level Control and Power Supplies
To minimize sine wave distortion the 82k resistor between
pins 11 and 12 is best made variable. With this arrangement
distortion of less than 1% is achievable. To reduce this even
further two potentiometers can be connected as shown in
F this configuration allows a typical reduction of sine
wave distortion close to 0.5%.
The waveform generator can be operated either from a
single power supply (10V to 30V) or a dual power supply
(±5V to ±15V). With a single power supply the average levels
of the triangle and sine wave are at exactly one-half of the
supply voltage while the square wave alternates between
V+ and ground. A split power supply has the advantage that
all waveforms move symmetrically about ground.
R1 and R2 are shown in the Detailed Schematic.
A similar calculation holds for RB.
The square wave output is not committed. A load resistor
can be connected to a different power supply as long as the
applied voltage remains within the breakdown capability of
the waveform generator (30V). In this way the square wave
output can be made TTL compatible (load resistor
connected to +5V) while the waveform generator itself is
powered from a much higher voltage.
Frequency Modulation and Sweeping
FIGURE 4. CONNECTION TO ACHIEVE MINIMUM SINE WAVE
Selecting RA RB and C
For any given output frequency there is a wide range of RC
combinations that will work however certain constraints are
placed upon the magnitude of the charging current for
optimum performance. At the low end currents of less than
A are undesirable because circuit leakages will contribute
significant errors at high temperatures. At higher currents
(I > 5mA) transistor betas and saturation voltages will
contribute increasingly larger errors. Optimum performance
will therefore be obtained with charging currents of 10A to
mA. If pins 7 and 8 are shorted together the magnitude of
the charging current due to RA can be calculated from:
The frequency of the waveform generator is a direct function
of the DC voltage at Terminal 8 (measured from V+). By
altering this voltage frequency modulation is performed. For
small deviations (e.g. ±10%) the modulating signal can be
applied directly to pin 8 merely providing DC decoupling
with a capacitor as shown in Figure 5A. An external resistor
between pins 7 and 8 is not necessary but it can be used to
increase input impedance from about 8k (pins 7 and 8
connected together) to about (R + 8k).
For larger FM deviations or for frequency sweeping the
modulating signal is applied between the positive supply
voltage and pin 8 (Figure 5B). In this way the entire bias for
the current sources is created by the modulating signal and
a very large (e.g. 1000:1) sweep range is created (f = 0 at
VSWEEP = 0). Care must be taken however to regulate the
supp in this configuration the charge current is no
longer a function of the supply voltage (yet the trigger
thresholds still are) and thus the frequency becomes
dependent on the supply voltage. The potential on Pin 8 may
be swept down from V+ by (13 VSUPPLY - 2V).
I = ---------------------------------------- × -------- = -----------------------------------( R1 + R2 )
All Intersil semiconductor products are manufactured assembled and tested under ISO9000 quality systems certification.
Intersil semiconductor products are sold by description only. Intersil Corporation reserves the right to make changes in circuit design andor specifications at any time without notice. Accordingly the reader is cautioned to verify that data sheets are current before placing orders. Information furnished by Intersil is believed to be accurate and
rel nor for any infringements of patents or other rights of third parties which may result
from its use. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Intersil or its subsidiaries.
With a dual supply voltage the external capacitor on Pin 10 can
be shorted to ground to halt the ICL8038 oscillation. Figure 7
shows a FET switch diode ANDed with an input strobe signal
to allow the output to always start on the same slope.
FIGURE 5A. CONNECTIONS FOR FREQUENCY MODULATION
FIGURE 7. STROBE TONE BURST GENERATOR
FIGURE 5B. CONNECTIONS FOR FREQUENCY SWEEP
Typical Applications
To obtain a 1000:1 Sweep Range on the ICL8038 the
voltage across external resistors RA and RB must decrease
to nearly zero. This requires that the highest voltage on
control Pin 8 exceed the voltage at the top of RA and RB by a
few hundred mV. The Circuit of Figure 8 achieves this by
using a diode to lower the effective supply voltage on the
ICL8038. The large resistor on pin 5 helps reduce duty cycle
variations with sweep.
The linearity of input sweep voltage versus output frequency
can be significantly improved by using an op amp as shown
The sine wave output has a relatively high output impedance
(1k Typ). The circuit of Figure 6 provides buffering gain
and amplitude adjustment. A simple op amp follower could
FIGURE 6. SINE WAVE OUTPUT BUFFER AMPLIFIERS
FIGURE 8. VARIABLE AUDIO OSCILLATOR 20Hz TO 20kHzY
FIGURE 9. WAVEFORM GENERATOR USED AS STABLE VCO IN A PHASE-LOCKED LOOP
FIGURE 10. LINEAR VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR
Use in Phase Locked Loops
Its high frequency stability makes the ICL8038 an ideal
building block for a phase locked loop as shown in Figure 9.
In this application the remaining functional blocks the phase
detector and the amplifier can be formed by a number of
available ICs (e.g. MC4344 NE562).
In order to match these building blocks to each other two
steps must be taken. First two different supply voltages are
used and the square wave output is returned to the supply of
the phase detector. This assures that the VCO input voltage
will not exceed the capabilities of the phase detector. If a
smaller VCO signal is required a simple resistive voltage
divider is connected between pin 9 of the waveform
generator and the VCO input of the phase detector.
Second the DC output level of the amplifier must be made
compatible to the DC level required at the FM input of the
waveform generator (pin 8 0.8V+). The simplest solution here
is to provide a voltage divider to V+ (R1 R2 as shown) if the
amplifier has a lower output level or to ground if its level is
higher. The divider can be made part of the low-pass filter.
This application not only provides for a free-running
frequency with very low temperature drift but is also has the
unique feature of producing a large reconstituted sinewave
signal with a frequency identical to that at the input.
For further information see Intersil Application Note AN013
“Everything You Always Wanted to Know About the ICL8038”.
Supply Voltage (VSUPPLY). The total supply voltage from
Supply Current. The supply current required from the
power supply to operate the device excluding load currents
and the currents through RA and RB.
Frequency Range. The frequency range at the square wave
output through which circuit operation is guaranteed.
FM Linearity. The percentage deviation from the best fit
straight line on the control voltage versus output frequency
Output Amplitude. The peak-to-peak signal amplitude
appearing at the outputs.
Saturation Voltage. The output voltage at the collector of
Q23 when this transistor is turned on. It is measured for a
sink current of 2mA.
Rise and Fall Times. The time required for the square wave
output to change from 10% to 90% or 90% to 10% of its
Sweep FM Range. The ratio of maximum frequency to
minimum frequency which can be obtained by applying a
sweep voltage to pin 8. For correct operation the sweep
voltage should be within the range:
Triangle Waveform Linearity. The percentage deviation
from the best fit straight line on the rising and falling triangle
(23 VSUPPLY + 2V) VSWEEP VSUPPLY
Total Harmonic Distortion. The total harmonic distortion at
the sine wave output.
Typical Performance Curves
NORMALIZED FREQUENCY
FIGURE 11. SUPPLY CURRENT vs SUPPLY VOLTAGE
FIGURE 12. FREQUENCY vs SUPPLY VOLTAGE
FIGURE 13. FREQUENCY vs TEMPERATURE
FIGURE 14. SQUARE WAVE OUTPUT RISEFALL TIME vs
Typical Performance Curves (Continued)
NORMALIZED PEAK OUTPUT VOLTAGE
FIGURE 16. TRIANGLE WAVE OUTPUT VOLTAGE vs LOAD
FIGURE 17. TRIANGLE WAVE OUTPUT VOLTAGE vs
FIGURE 18. TRIANGLE WAVE LINEARITY vs FREQUENCY
NORMALIZED OUTPUT VOLTAGE
FIGURE 15. SQUARE WAVE SATURATION VOLTAGE vs LOAD
FIGURE 19. SINE WAVE OUTPUT VOLTAGE vs FREQUENCY
FIGURE 20. SINE WAVE DISTORTION vs FREQUENCY

принципиалка.cdw

перечень элементов.spw

С1-4 25кОм 5% ОЖО.467.081ТУ
С1-4 47кОм 5% ОЖО.467.081ТУ
С1-4 43кОм 5% ОЖО.467.081ТУ
С1-4 10кОм 5% ОЖО.467.081ТУ
С1-4 200кОм 5% ОЖО.467.081ТУ
С1-4 100кОм 5% ОЖО.467.081ТУ
С1-4 1МОм 5% ОЖО.467.081ТУ