Импульсно-цифровой преобразователь с частотно-импульсным законом преобразования по классическому методу последовательного счета
Разработка импульсно-цифрового преобразователя с частотно-импульсным законом. Расчет и построение графиков зависимостей погрешности дискретизации, погрешности отбрасывания и методической погрешности преобразований от параметра (fи) входного сигнала.
Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
Вид | курсовая работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 08.12.2011 |
Размер файла | 924,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Национальный технический университет «ХПИ»
Кафедра «Промышленная и биомедицинская электроника»
Специальность 090804 - Физическая и биомедицинская электроника
Дисциплина «Информационные устройства медицинской аппаратуры»
Курс IV, группа ЭМС - 48 в, семестр 7
ЗАДАНИЕ
на расчетно-графическую работу
Эль Ханна Самиру
(Ф.И.О. студента)
Вариант задания - 18.
Тема работы «Импульсно-цифровой преобразователь с частотно-импульсным законом преобразования по классическому методу последовательного счета».
Срок сдачи работы на проверку 20.12 2010 г.
Исходные данные к работе:
4.1 Вид преобразователя -импульсно-цифровой;
4.2 Закон преобразования - частотно-импульсный;
4.3 Метод преобразования - классический метод последовательного счета;
4.4 Способ реализации преобразователя - аппаратный;
4.5 Разрядность преобразователя - 10;
4.6 Частота сигнала синхронизации - от 100 Гц до 1000 Гц.
Индивидуальное задание:
При анализе погрешности преобразований рассчитать и построить графики зависимостей погрешности дискретизации, погрешности отбрасывания и методической (общей) погрешности преобразований от параметра (fи) входного сигнала.
Состав пояснительной записки:
Титульный лист. Содержание. Введение. 1 Использование последовательности электрических импульсов тока в медицине. 2 Разработка импульсно-цифрового преобразователя с частотно-импульсным законом преобразования. 3 Исследования относительной дискретности формирования выходного сигнала ИЦП с ЧИП. Выводы. Перечень ссылок. Приложения.
Дата выдачи задания 18 октября 2010 г.
Руководитель работы А.В. Кипенский
Содержание
Введение
1. Использование импульсно-цифровых преобразователей в медицине
1.1 Импульсно-цифровой преобразователь с частотно-импульсным законом преобразования
1.2 Электронный пульсомер
2. Разработка импульсно-цифрового преобразователя с частотно-импульсным законом преобразования
2.1 Функциональная схема ИЦП с ЧИП
2.2 Основные расчетные соотношения параметров преобразования
3. Анализ, расчет и построение графиков зависимостей погрешности дискретизации, погрешности отбрасывания и методической (общей) погрешности преобразований от параметра (fи) входного сигнала
3.1 Методическая(общая) погрешность
3.2 Погрешность дискретизации
3.3 Погрешность отбрасывания (ИЦ-преобразований)
Выводы
Перечень ссылок
Введение
В настоящее время медицинская электроника находиться на этапе своего активного развития. В разработку новой медицинской аппаратуры внедряют все новейшие разработки инженеров-электронщиков, работающих в этом направлении. С помощью современных медицинских приборов значительно повысилось качество диагностики и лечения больных.
В электронике, информационно-измерительной технике, приборостроении и других областях техники широко используется обработка информации, представленной в аналоговой и цифровой формах. Это связано с тем, что исходная информация о физических величинах, как правило, носит аналоговый характер. Выходную информацию во многих случаях также необходимо представить в аналоговом виде. В то же время цифровая форма представления информации предоставляет несравненно больше возможностей для ее обработки. При обследовании пациента устанавливается связь между ним и электронной аппаратурой, в следствие чего прибор получает информацию в виде информационно-энергетических потоков, преобразуя которые можно получить нужные диагностические показания. Также, в медицине практикуется лечение больных с помощью воздействия на организм электрического потока, который подается с определенной частотой в виде импульсов. Для всего выше перечисленного используются импульсно- широтные и широтно-импульсные преобразователи.
В данном расчетно-графическом задании главной задачей является рассмотрение импульсно-цифрового преобразователя с частотно-импульсным законом преобразования, целесообразность применения управления и стимуляции с помощью импульсных последовательностей, их использование для передачи информации.
1.Использование импульсно-цифровых преобразователей в медицине
1.1 Импульсно-цифровой преобразователь с частотно-импульсным законом преобразования
Представление информации о состоянии объекта регулирования в частотно-импульсном виде особенно целесообразно в тех случаях, когда система управления реализована на базе микропроцессорной техники 1-3. Для преобразования частоты сигнала в цифровой код наиболее часто используют два классических метода 4-6. Классический метод интервального подсчета (КМИП) состоит в том, что входные импульсы подсчитывают в течение строго определенного временного интервала. Количество подсчитанных при этом импульсов пропорционально среднему значению частоты входного сигнала. Классический метод последовательного счета (КМПС) заключается в том, что в течение временного интервала, соответствующего периоду следования входных импульсов, осуществляют подсчет тактовых импульсов, следующих с постоянной строго определенной частотой. Количество подсчитанных в этом случае импульсов пропорционально текущему значению периода входного сигнала.
Формирование интервалов преобразований в ИЦП с КМПС (рис. 4) осуществляется по фронтам входных импульсов uВХ (рис. 2,а,б). В качестве ФИП в этом случае обычно используется Т-триггер, который делит частоту входного сигнала на два.
Длительность интервала преобразований оказывается при этом равной периоду входного сигнала ПР( = ТВХ (). В течение действия сигнала uФИП на Р-входе счетчика в нем осуществляется подсчет тактовых импульсов uТИ, следующих с некоторой частотой fТИ(I) и периодом ТТИ() = 1/fТИ (I) (рис. 2,б-г). Срезом сигнала uФИП запускается формирователь импульсов (ФИ), который на своем выходе в виде импульса uКП с некоторой длительностью КП формирует сигнал «КОНЕЦ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ» (рис. 2,б,д).
По фронту сигнала uКП осуществляется запись данных в регистр, а по срезу обнуляется счетчик. При этом ИЦ-преобразования будут выполняться с частотой вдвое меньшей частоты входного сигнала.
Очевидно, что в случае использования КМПС (рис. 2) число (), зафиксированное регистром в конце интервала ИЦ-преоразований, можно определить как
. (2)
Здесь коэффициентом пропорциональности между числом (I) и периодом входного сигнала ТВХ () будет величина fТИ (II).
Структурная схема классификации ИЦП показана на рис. 11. При составлении этой схемы были проанализированы не только импульсные системы управления, но и многочисленные измерительные и диагностические системы, у которых информация на входе была представлена в виде импульсных последовательностей. При этом было установлено, что с помощью некоторых из методов при соответствующей программной поддержке можно выполнять ИЦ-преобразования по различным законам.
Рисунок 11 - Классификация импульсно-цифровых преобразователей
Классический метод последовательного счета в общем случае состоит в том, что в течение некоторого временного интервала осуществляют подсчет тактовых импульсов uТИ, следующих с постоянным, строго определенным периодом ТТИ. Если ИЦ-преобразования выполняются по широтно-импульсному закону, то подсчет тактовых импульсов осуществляют в течение временного интервала, соответствующего длительности ?И входных импульсов uВХ (рис. 12). Количество подсчитанных при этом тактовых импульсов будет пропорционально длительности входного сигнала N = ?И /ТТИ = ?И fТИ.
Рисунок 12 - ИЦП с ШИП Рисунок 13 - ИЦП с ЧИП
по классическому методу последовательного счета
по классическому методу последовательного счета
1.2 Электронный пульсомер
Большинство людей вспоминает о своем пульсе, только почувствовав недомогание. Разумно ли это! Вот что говорит известный хирург. Н.М. Амосов: «Проверьте, и вы убедитесь в том, что большинство людей не знает частоты своего пульса в состоянии покоя. А между тем это важнейший показатель. Если у мужчины пульс 60 ударов в минуту -- это хорошо, 70 -- уже плоховато, 50 -- отлично. У женщин частота пульса чуть выше, чем у мужчин. По мере тренированности пульс будет урежаться. Если прежде он был высок, хорошо опустить его до 60, еще лучше до 50. А вот ниже не надо». Врач обращает внимание на важность контроля частоты пульса в процессе тренировки организма. Чем быстрее пульс возвращается к нормальному после снятия нагрузки, тем в лучшем состоянии сердце.
Казалось бы, измерить частоту пульса несложно. Нащупав выше запястья биение, определяют по часам с секундной стрелкой число ударов за минуту. Но современного человека уже не удовлетворяет такой «дедовский» метод. И вот на смену ему пришел электронный измеритель пульса.
Пульсомер прост в обращении: достаточно слегка нажать пальцем на небольшую подвижную площадку, расположенную сверху корпуса устройства, и через 10-15 секунд вы узнаете частоту своего пульса.
Рис. 1. Принципиальная схема измерителя частоты пульса.
Пульсомер состоит из датчика инфракрасного (ИК) излучения, усилителя и измерительного устройства (рис. 1). Источник и приемник ИК-излучения (В1 и В2 соответственно) установлены сверху прибора под пластмассовой крышкой. Если на нее нажать пальцем, то находящаяся под ней микрокнопка S1 включает питание и светодиод В1 направляет на палец ИК-излучение. Подкожные капилляры отражают это излучение на приемник -- фотодиод В2. Когда кровь наполняет капилляры, они расширяются, поглощая ИК-излучение. При сужении сосуда происходит отражение излучения.
Сигнал с фотодиода В2 поступает на двухкаскадный усилитель, выполненный на интегральных микросхемах А1 и A2. В первом каскаде В2 включен между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя А1. Поэтому постоянное напряжение на фотодиоде не превышает 3 мВ.
Амплитуда импульсного напряжения на выходе А1 зависит от многих факторов, но обычно она не превышает 10 мВ. Поэтому основное усиление обеспечивает ОУ А2, у которого в цепи обратной связи включено Т-образное соединение резисторов R9, R11 и R14, эквивалентное одному резистору обратной связи сопротивлением 52 МОм. Следовательно, коэффициент усиления второго каскада равен
Для подавления паразитной частоты 50 Гц, возникающей на выходе усилителя из-за проникновения света искусственных источников сквозь палец на фотодиод В2, применены два RC фильтра. Между ИМС А1 и А2 включен фильтр RSC2, а на выходе А2-- фильтр R1SC3.
Импульсы положительной полярности с выхода А2 через согласующий повторитель, выполненный на транзисторе V1, поступают на вход триггера Шмитта, собранного на двух логических ТТЛ-элементах D1.1 и D1.2. Для предотвращения ложных срабатываний триггер Шмитта -- стробированный. Строб с выхода ждущего одновибратора D1.3, D1.4 подается на вывод 2 двухвходового логического элемента 2И-НЕ D1.1. Выходные импульсы формирующего триггера, пройдя через дифференцирующую цепочку R16C4, запускают ждущий одновибратор, собранный на логических элементах D1.3 и D1.4, который вырабатывает калиброванные импульсы Длительностью 200 мс. К этому одновибратору подключены: инвертор на транзисторе V3 со светодиодом В3 в коллекторной цепи, отражающий биение сердца, и двухкаскадная схема измерителя частоты пульса (V4, V5). Чтобы уменьшить габариты пульсомера, в нем применен стрелочный прибор РА1 на 1 мА и двухтранзисторная схема измерения частоты методом заряда и разряда конденсатора С6. Частота пульса, а следовательно, и частота следования импульсов ждущего одновибратора определяет величину тока, протекающего через измерительный прибор РА1. С увеличением частоты импульсов конденсатор С6 будет заряжаться до большего напряжения, и прибор РА1 покажет большее значение. Зарядная цепь конденсатора С6 проходит через открытый транзистор V5 и резистор R29. Значение сопротивления разрядной цепи определяется в основном номиналом R30 и сопротивлением измерительного прибора. Ввиду низкой частоты пульса (1-2 Гц) и большой величины емкости С6, стрелка измерительного прибора достигает своего установившегося значения только после 10 импульсов, совершая небольшие колебания возле него.
2. Разработка импульсно-цифрового преобразователя с частотно-импульсным законом преобразования
Одним из методов ИЦ- преобразований по частотно-импульсному закону является классический метод последовательного счета. Классический метод последовательного счета в общем случае состоит в том, что в течение некоторого временного интервала осуществляют подсчет тактовых импульсов uТИ, следующих с постоянным, строго определенным периодом ТТИ.
2.1 Функциональная схема ИЦП с ЧИП
Для реализации ИЦП с ЧИП по классическому методу последовательного счета аппаратным способом необходимо наличие генератора тактовых импульсов, 1 триггера,6 счетчиков, 2 регистров, 1 формирователя импульсов .
Рис. 2.1-Функциональная схема ИЦП ЧИП по классическому методу последовательного счета.
2.2 Основные расчетные соотношения параметров преобразования
Для определения основных соотношений параметров преобразования рассмотрим временные диаграммы работы ИЦП с ЧИП по классическому методу последовательного счета , которые приведены на рис. 2.3.
В общем случае диапазон изменения частоты входного сигнала может быть записан в виде
, (2.1)
а диапазон изменения периода при этом будет определяться как
. (2.2)
, (2.3)
где N max - максимальное число, которое может быть получено на выходе счетчика. Для двоичного n-разрядного счетчика
.
Значение числа Nmin при этом определяется шириной диапазона изменения частоты или периода входного сигнала
. (2.4)
Обеспечить условие (2.3), выполняя ИЦ-преобразования КМПС, можно путем определения тактовой частоты из выражения
. (2.5)
Если при использовании КМПС - определения значения частоты, то для решения таких задач необходимо выполнение дополнительной операции деления
, (2.6)
где L - некоторая постоянная величина;
М - число, соответствующее частоте (для КМПС).
Для обеспечения изменения числа М в диапазоне
, (2.7)
где максимальному значению числа Mmax соответствует максимальное значение периода ТВХ max (I) или частоты fВХ max (II), а минимальное значение числа M min определяется шириной диапазона изменения информационного параметра входного сигнала
; (2.8)
, (2.9)
необходимо значение числа L выбирать из условий:
. (2.10)
Значение L для КМПС получим подстановкой (2.4) и (2.8) в (2.10).
.
Параметры условий преобразовния:
n=10;
fc=100 Гц ч 1000 Гц.
Проведение расчетов:
fти= Nmax* fвх min=1023*100=10230 Гц;
fвх min? fвх ? fвх max;
Nти max?Nти ? Nти min;
Nти max=210-1=1023;
Mmin?M?Mmax;
M=L/N;
L= Mmin* Nти max=102.3*1023=104652.9;
у={( | fвх- fвх выч |)/fвх}*100%;
fвыч=kf*M;
kf= fвх/ N=1000/1023=0.977;
M=[L/ Nти]=( L/ Nти)-1;
M=L/ (fти/ fвх)±1=(L* fвх/ fти± fвх)-1;
fвх выч={| kf*[(L* fвх/ fти± fвх)-1]|/ fвх};
у=( | fвх-{| kf*[(L* fвх/ fти± fвх)-1]|/ fвх}*100%;
f,Гц |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
|
у,% |
0,87 |
0,48 |
0,42 |
0,43 |
0,48 |
0,54 |
0,62 |
0,7 |
0,78 |
0,77 |
Таблица 2.1- результаты расчетов.
Рисунок 2.3- График зависимости у=F(f).
3. Анализ, рассчет и построение графиков зависимостей погрешности дискретизации, погрешности отбрасывания и методической(общей) погрешности преобразований от параметра (fи) входного сигнала
3.1 Методическая(общая) погрешность
fти= Nmax* fвх min=1023*100=10230 Гц;
fвх min? fвх ? fвх max;
Nти max?Nти ? Nти min;
Nти max=210-1=1023;
Mmin?M?Mmax;
M=L/N;
L= Mmin* Nти max=102.3*1023=104652.9;
у={( | fвх- fвх выч |)/fвх}*100%;
fвыч=kf*M;
kf= fвх/ N=1000/1023=0.977;
M=[L/ Nти]=( L/ Nти)-1;
M=L/ (fти/ fвх)±1=(L* fвх/ fти± fвх)-1;
fвх выч={| kf*[(L* fвх/ fти± fвх)-1]|/ fвх};
у=( | fвх-{| kf*[(L* fвх/ fти± fвх)-1]|/ fвх}*100%;
f,Гц |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
|
у,% |
0,87 |
0,48 |
0,42 |
0,43 |
0,48 |
0,54 |
0,62 |
0,7 |
0,78 |
0,77 |
Таблица 3.1- результаты расчетов.
Рисунок 3.1- График зависимости у=F(f).
3.2 Погрешность дискретизации
Рассчитывается по формуле:
д (T)=(-уф1+ уф2)/Tвх;
уф2=Tти;
уф1=0;
д (T)=fвх/fти;
fти=102300 Гц;
f,Гц |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
|
у,% |
9.77 |
19.5 |
29.3 |
39.1 |
48.8 |
58.6 |
68.4 |
78.2 |
87.9 |
97.9 |
Таблица 3.2- результаты расчетов.
преобразователь импульсный дискретизация погрешность
Рисунок 3.2- График зависимости у=F(f).
3.3 Погрешность отбрасывания(ИЦ-преобразований)
д (fвх)= {| fвх-kf*( фпр* (fвх±1))|/ fвх}*100%;
фпр= Tвх min* Nmax=0.001*1023=1.023 c;
f,Гц |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
|
у,% |
0.95 |
0.45 |
0.258 |
0.2 |
0.15 |
0.11 |
0.087 |
0.07 |
0.058 |
0.047 |
Таблица 3.3- результаты расчетов.
Таблица 3.3- результаты расчетов.
Вывод
В данной расчетно - графической работе рассмотрено применение в медицинской электронике импульсно-цифровых преобразователей с частотно- импульсным законом преобразования на основе сведений об электронном пульсометре, который используется для измерения частоты пульса.
Построена схема импульсно-цифрового преобразователя с частотно- импульсным законом преобразования по классическому методу последовательного счета.
Проведены анализ, расчет и построение графиков зависимостей погрешности дискретизации, погрешности отбрасывания и методической(общей) погрешности преобразований от параметра (fи) входного сигнала.
Таким образом, импульсно-цифровой преобразователь с частотно-импульсным законом преобразования можно применять в медицинской аппаратуре, такой как электронный пульсометр.
Перечень ссылок
1. Кипенский А.В. импульсно-цифровые и цифро-импульсные преобразователи: Учеб. Пособие.-Харьков, НТУ «ХПИ»,2000.-132с.
2. Кипенский А.В. Методические указания к выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Информационные устройства медицинской аппаратуры». - Харьков, НТУ «ХПИ», 2001.-29с.
3. Вестник Национального технического университета «ХПИ»1`2002.- Харьков, НТУ «ХПИ»,2002.-140с.
4. © "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Построение графиков амплитудного и фазового спектров периодического сигнала. Расчет рекурсивного цифрового фильтра, цифрового спектра сигнала с помощью дискретного преобразования Фурье. Оценка спектральной плотности мощности входного и выходного сигнала.
контрольная работа [434,7 K], добавлен 10.05.2013Кодовые шкалы для различных способов кодирования. Описание кодирования по методу Баркера, логическая схема для считывания. Блок-схема преобразователя угла поворота вала в двоичное число. Расчет среднеквадратичной погрешности работы преобразователя.
лабораторная работа [2,1 M], добавлен 01.12.2011Понятие аналого-цифрового преобразователя, процедура преобразования непрерывного сигнала. Определение процедур дискретизации и квантования. Место АЦП при выполнении операции дискретизации. Классификация существующих АЦП, их виды и основные параметры.
курсовая работа [490,2 K], добавлен 27.10.2010Цифровые приборы частотно-временной группы. Основа построения цифровых частотометров. Структурная схема ЦЧ, измерение частоты. Погрешности измерения частоты и периода. Повышение эффективности обработки сигналов при оценке частотно-временных параметров.
контрольная работа [843,7 K], добавлен 12.02.2010Расчет тактовой частоты, параметров электронной цепи. Определение ошибки преобразования. Выбор резисторов, триггера, счетчика, генераторов, формирователя импульсов, компаратора. Разработка полной принципиальной схемы аналого-цифрового преобразователя.
контрольная работа [405,1 K], добавлен 23.12.2014Нахождение и построение спектра мощности входного сигнала и помехи на входе средства измерения. Выбор параметров фильтра, исходя из допустимого уровня помехи. Оценивание аддитивной и суммарной мультипликативной погрешности, класса точности прибора.
курсовая работа [622,8 K], добавлен 22.02.2012Структурная схема цифрового вольтметра, расчет основных параметров. Хараткеристика входного устройства для усиления напряжения, электронного переключателя, компаратора и интегратора. Схема индикации и временного селектора. Расчет погрешности вольтметра.
курсовая работа [511,5 K], добавлен 06.05.2011Выбор и обоснование принципа работы узла аналого-цифрового преобразования. Создание измерительного преобразователя для датчика термопары. Определение максимальной погрешности нелинейности характеристики в заданном диапазоне температуры; линеаризация.
курсовая работа [585,9 K], добавлен 05.11.2011Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой. Шаг дискретизации, его взаимосвязь с формой восстановленного сигнала. Сущность теоремы Котельникова. Процесс компандирования, его стандарты. Системы передачи информации с импульсно-кодовой модуляцией.
презентация [190,4 K], добавлен 28.01.2015Изучение принципов преобразования сигналов в системе связи с импульсно-кодовой модуляцией. Осциллограммы процесса преобразования в различных режимах ИКМ. Построение графиков, отражающих зависимость напряжения на входе декодера от шага внутри сегмента.
лабораторная работа [1014,0 K], добавлен 04.10.2013