Разработка структурной и принципиальной схемы автоматизированной системы для измерения электрокожного сопротивления

Детализацию блоков обобщенной структуры можно отобразить в виде блок-схемы, характерной для типичных случаев реализации ПРБ (рис. 2.8).

Рисунок 2.8 - Детализация обобщенной структуры

Входные устройства и устройства преобразования информации относятся к устройствам первичной обработки биопотенциалов. Од ной из самых важных операций, осуществляемых в устройствах первичной обработки ПРБ, является аналого-цифровое преобразование. Для получения высоких разрешающих способностей при широком входном диапазоне необходим АЦП с эффективной разрядностью при преобразовании не менее 12 бит и частотой преобразования . Для регистрации электрокардиосигнала (ЭКС) 120Гц - верхняя граница наиболее информативной части спектра ЭКС.

Необходимое число уровней квантования (N) при заданном входном диапазоне () и эффективной разрешающей способности () равно:

.

Шум квантования АЦП определяется ошибками округления исходного сигнала (ошибками квантования). Поскольку предсказуемой взаимосвязи между ошибками квантования не существует (статическая независимость), приближенно можно считать, что плотность спектра мощности шума квантования распределена от до . В рабочей полосе частот от -f_тах до f_max отношение сигнал/шум, SNR, при равномерном квантовании зависит от длины кодовых слов п (бит) и частоты дискретизации f_d следующим образом:

,

дБ

Видно, что с увеличением f_d (передискретизация), на одну и ту же полосу частот приходится все меньшая мощность шума, причем при каждом удвоении частоты f_d отношение сигнал/шум улучшается на 3 дБ. Постоянная учитывает форму сигнала (для гармонических сигналов С_s = 1,7 дБ, для обычных звуковых сигналов С_s =(-15…+2) дБ).

Далее приведем основные характеристики наиболее распространенных АЦП. На примере приведенных дифференциального термометра и регистратора ЭКС рассмотрим типичные вари анты применения АЦП интегрирующего типа.

В основу принципа работы параллельных АЦП положен метод непосредственного преобразования аналогового сигнала в цифровой код с помощью сравнения аналогового сигнала с уровнями квантования посредством компараторов, на входы которых подаются напряжение уровня квантования и преобразуемый сигнал. В результате на выходах компараторов отображается результат сравнения сигнала с уровнями квантования. Затем полученный результат кодируется с помощью приоритетного шифратора. Достоинства метода заключаются в высоком быстродействии, достигающем десятков наносекунд, обусловленным быстродействием компараторов, тактовой частотой триггеров, временем шифрации. В то же время метод имеет недостатки:

· для реализации n-разрядного АЦП необходимо 2n-1 компараторов, т. е. с ростом разрядности резко увеличиваются аппаратные затраты;

· при определенных задержках на триггерах проявляется нестабильность выходного кода АЦП и, как следствие, невысокая точность (8-10 двоичных разрядов);

· быстрые компараторы потребляют большой ток, что порождает большие входную ем кость и энергопотребление;

· так как входная емкость компаратора является функцией его логического состояния, то входная емкость всего АЦП зависит от напряжения на входе, что приводит к снижению точности преобразования с увеличением частоты входного сигнала;

· низкая помехозащищенность.

В зависимости от организации кодирующей логики различают: АЦП с прямой логической сверткой, АЦП с кодом Грея, с комбинированной сверткой.

Поскольку АЦП указанного типа, как правило, имеют быстродействие, большее чем микропроцессорная система (МПС), приходится вначале записывать данные с выхода АЦП в быстродействующее буферное ОЗУ. Учитывая не высокую точность и низкую помехозащищенность, применение данных АЦП в приборах регистрации биопотенциалов нецелесообразно.

Принцип АЦП последовательного типа заключается в следующем: цифровой счетчик по определенному алгоритму выдает код, преобразующийся в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) в цепи обратной связи. Далее производится сравнение преобразуемого сигнала с подбираемым. Сигнал с выхода компаратора анализируется АЦП, и в соответствии с алгоритмом выдается следующий код для сравнения. Таким образом, происходит подбор кода, значение которого пропорционально преобразуемому сигналу. Код пропорционален сигналу, поскольку ЦАП преобразует код с некоторой погрешностью.

Разновидностью АЦП последовательного типа является АЦП последовательного приближения. Это самый распространенный способ аналого-цифрового преобразования. Алгоритм следующий: при подаче команды преобразования преобразователь очищается, и выходное напряжение старшего разряда ЦАП подается на компаратор для сравнения. Выходное напряжение старшего разряда эквивалентно половине полного диапазона преобразователя. Если преобразуемый сигнал больше, чем подбираемый, то в искомом коде устанавливается единица, в противном случае сбрасывается в ноль. Эта операция продолжается до младшего разряда.

Данный способ построения АЦП имеет по сравнению с параллельными и рассмотренными ниже интегрирующими АЦП среднее быстро действие, типичное значение времени преобразования - 1...10 мкс, и среднюю точность - 10...14 двоичных разрядов. К недостаткам данного метода относится большая чувствительность к импульсным помехам, к достоинствам - хорошее согласование по времени измерения с применяемыми МПС, невысокая стоимость и сложность.

Аналого-цифровые преобразователи последовательного типа лучшим об разом используются, если несколько сигналов должны быть подвергнуты одинаковой цифровой обработке, например, при регистрации более одного электрокардиографического (ЭКГ) отведения. В типичном случае, относящемся к сбору информации, производятся выборка поступающих в устройство входных сигналов, их ком мутация и преобразование, прежде чем они будут обработаны вычислительным микропроцессорным устройством.

Аналого-цифровые преобразователи с пре образованием напряжения в частоту основаны на подсчитывании числа циклов интегрирования за фиксированное время. Входной аналоговый сигнал интегрируется и подается на компаратор. Когда последний меняет свое состояние, интегратор сбрасывается, и процесс повторяется. Число циклов интегрирования пропорционально значению аналогового сигнала. К достоинствам этого метода следует отнести превосходное по давление шума, так как цифровой сигнал отображает среднее значение входного сигнала. Но применение данного метода ограничивает слишком большое время преобразования, что характерно для систем с интеграторами.

В АЦП с генератором пилообразных напряжений преобразование осуществляется в результате непрерывного сравнения преобразуемо го сигнала с линейным опорным пилообразным сигналом с помощью компаратора. При изменении своего состояния компаратор запускает счет чик, который считает в течение времени, пока компаратор имеет высокий логический уровень; это время пропорционально значению входного сигнала. По сравнению с последним из вышеизложенных методов, данный метод более быстро действующий, но требует очень высокой линейности источника пилообразного напряжения.

Принцип преобразования АЦП следящего типа основан на непрерывном слежении с по мощью реверсивного счетчика. Код, вырабатываемый счетчиком, преобразуется в аналоговый сигнал и сравнивается с помощью компаратора. Результат сравнения управляет инкрементированием или декрементированием кода.

К последовательным АЦП относятся также АЦП интегрирующего типа. Преимущества данных АЦП следующие: нечувствительны к импульсным помехам, а также к периодическим помехам, если их период в целое число раз меньше периода интегрирования; являются наиболее точными (типичная точность - 4...6 десятичных знаков, что соответствует 14...20 двоичным разрядам).

При работе интегрирующих АЦП в составе МПС возможна программная реализация части измерительной процедуры, а именно второго этапа - измерения временных характеристик последовательности импульсов. Это измерение возможно как чисто программно при отсчете времени по счетчику команд, или циклов, так и с использованием таймеров. Однако преобразователи данного типа являются наименее быстродействующими из всех: типичное время преобразования - 1...1000 мс.

Принимая во внимание высокие показатели помехоустойчивости АЦП интегрирующего типа, а также их высокую точность, сделан вывод о целесообразности их применения в регистраторах температуры биологически активных точек.

Общая схема устройств первичной обработки информации с использованием АЦП интегрирующего типа может быть представлена как блок-схема, показанная на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 - Структура устройств первичной обработки информации с использованием АЦП интегрирующего типа

В разработанном регистраторе температуры биологически активных точек использовалась полупроводниковая БИС АЦП КР572ПВ5, специально ориентированная на применение жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ). КР572ПВ5 выполняет функцию АЦП двойного интегрирования с автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сиг нала. Диапазон допустимого опорного напряжения и_мр от 0,1 до 1,0 В.

Цифровой дифференциальный медицинский термометр предназначен для измерения разности температур между двумя точками на поверхности кожи человека с точностью ±0,1°С.

Основу термометрического усилителя составляет операционный усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией сигнала и стабилизацией нуля типа 140УД24. Поскольку выходное напряжение термопары очень мало, к параметрам усилителя и АЦП предъявляются достаточно высокие требования. В частности, необходимы очень низкие значения напряжения смещения и температурного коэффициента усилителя. Для микросхемы 140УД24 они составляют соответственно 5 и 0,05мкВ/°С. Использование в регистраторе АЦП интегрирующего типа наиболее приемлемо вследствие высокой точности преобразования и хорошей помехозащищенности. Низкое быстродействие АЦП в данном случае вполне приемлемо при эксплуатации прибора.

Двухтактный интегрирующий АЦП состоит из интегратора, компаратора, устройства управления, счетчика, источника опорного напряжения. В течение фиксированного интервала времени происходит интегрирование преобразуемо го сигнала. По истечении этого времени счетчик переполняется, и к интегратору подключается источник опорного напряжения. Так как опорное напряжение постоянно, то время интегрирования будет пропорционально входному сигналу. Результат преобразования АЦП двойного интегрирования представляется цифровым кодом , эквивалентным среднему значению напряжения на аналоговом входе, преобразуемому за фиксированный интервал времени в соответствии с выражением

,

откуда

где - фиксированный интервал интегрирования напряжения на аналоговом входе; Т_х - интервал интегрирования ; - среднее значение напряжения на аналоговом входе. Число тактовых импульсов постоянной частоты со ответствует коду как , .

Для КР572ПВ5 = 1000. Тогда . Цифровая информация на выходе микросхемы представляется в специальном коде, предназначенном для непосредственного управления 3,5-декадным цифровым табло с 7-сегментными полупроводниковыми индикаторами. Диапазон входного сигнала определяется значением внешнего опорного напряжения и соотношением . Текущие показания цифрового табло соответствуют 1000. Под погрешностью преобразования S понимается разность между номинальным значением выходного кода БИС и значением, установленным после преобразования постоянного напряжения от эталонного источника.

Таким образом, АЦП двойного интегрирования хорошо подходят для точной, но медленной обработки сигналов (например, термометры, регистраторы ЭКГ, не требующие работы в ре жиме реального времени).

Разновидностью АЦП интегрирующего типа являются дельта-сигма () и сигма-дельта () АЦП (ранее назывались АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов). Принцип дельта-сигма АЦП основан на нейтрализации среднего входного тока с помощью источника тока или заряда. Входное напряжение поступает на интегратор, выходной сигнал которого сравнивается с фиксированным напряжением. В зависимости от выходного сигнала компаратора импульсы тока фиксированной длительности (т.е. с фиксированным приростом заряда) подключаются либо к суммирующему входу, либо к земле, что позволяет поддерживать нулевой средний ток на суммирующем входе - принцип уравновешивания. Счетчик отслеживает число импульсов подключения в постоянный промежуток времени. Число подключений будет пропорционально среднему входному уровню.

В последние годы широко применяется сигма-дельта архитектура в АЦП высокого разрешения в виде СБИС.

Основным принципом сигма-дельта () АЦП является усреднение результатов измерения на большом интервале времени для уменьшения погрешности, вносимой шумами, и увеличения разрешающей способности. Сигма-дельта АЦП имеет преимущества перед другими интегрирующими АЦП (одноактного и многоактного интегрирования). Линейность характеристики ? - А АЦП выше, так как его интегратор работает в узком динамическом диапазоне, и нелинейность переходной характеристики усилителя (на котором построен интегратор) сказывается значительно меньше. Емкость конденсатора интегратора АЦП значительно меньше (десятки пикофарад), и конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле СБИС. Сигма-дельта АЦП практически не имеет внешних элементов, что существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате, и снижает уровень шумов. Большинство интегральных сигма-дельта АЦП имеют развитые аналоговую и цифровую части, встроенный контроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля и самокалибровки полной шкалы, хранить калибровочные коэффициенты и передавать их по запросу внешнего МПУ. Сигма-дельта АЦП широко применяют в измерительных устройствах, где требуется большой динамический диапазон при низкой скорости выдачи отсчетов.

В АЦП аналоговый сигнал квантуется с низким разрешением на частоте, превышающей максимальную частоту спектра сигнала. Используя методику передискретизации (процесса шумообразования в модуляторе) в сочетании с цифровой фильтрацией, можно значительно повысить разрядность. Для снижения эффективной скорости поступления отсчетов на выходе АЦП применяется децимация. Однобитовые АЦП обладают превосходной дифференциальной и интегральной линейностью благодаря линейности однобитового квантователя. Характерными представителями узкополосных 24-разрядных АЦП (для промышленного применения) являются AD7711/14 фирмы ANALOG DEVICES, имеющие последовательный интерфейс и программируемый коэффициент усиления от 1 до 128. Анализируя параметры указанных АЦП, следует отметить низкую потребляемую мощность (10 мВт) микросхемы AD7714 при возможности питания от источников напряжения как +5В, так и +3В.

Использование многоразрядных АЦП в приборах регистрации биопотенциалов позволяет "передвинуть" проблемы конструирования, связанные с буферными усилителями, фильтрами и другими вспомогательными устройства ми, в область высоких частот, вследствие высокой тактовой частоты (реальной частоты квантования) АЦП. Сигма-дельта архитектура допускает снижение требований к аналоговым фильтрам низкой частоты, подавляющим помехи вне рабочей полосы, ограничиваясь в большинстве случаев RC-звеном 1-го порядка. В силу принципиальных особенностей (фазовые сдвиги в цепи обратной связи) активные фильтры имеют большой уровень нелинейных искажений. Кроме то го, технологический разброс номиналов пассивных компонентов не позволяет применять в многоканальных системах активные фильтры высоких порядков.

В данном случае обобщенная структура устройств первичной обработки информации применительно к регистратору ЭКС будет иметь вид, представленный на рис. 2.10.

Рисунок 2.10 - Структура устройств первичной обработки информации

применительно к регистратору ЭКС

Разработанный автономный регистратор ЭКС, включает в себя МПУ (АТ89С55) энергонезависимое запоминающее устройство (DS-1646) и АЦП (А07714).

Динамические характеристики АЦП, в отличие от других типов преобразователей, не ухудшаются в рабочей полосе частот в случае приближении к частоте Найквиста. Напротив, по мере приближения к верхней частоте среза внутреннего цифрового фильтра можно наблюдать, например, улучшение коэффициента гармоник.

Программируемый коэффициент усиления без ощутимого ухудшения параметров расширяет диапазон исследуемых сигналов, что сильно влияет на точность исследования слабых сигналов. Допустим, коэффициент усиления равен 128, а напряжение максимальной шкалы составляет ±2,25 В. В этом случае входной сигнал с уровнем ± 17,6 мВ можно собирать практически с тем же разрешением, что и ±2,25 В, - как будто к эффективной разрядности добавились дополни тельные разряды (чуть меньше 8).

Преимущество дифференциальных входов на плате сбора ЭКГ-информации, по сравнению с недифференциальными, проявляется при подавлении наводимых на соединительные провода электродов синфазных помех, чей уровень может существенно превысить внутренние шумы АЦП.

Высокие показатели линейности, прекрасное подавление помех и продуктов переотражения с помощью встроенных фильтров, принцип дискретизации, не требующий применения выборок-хранения, выдвигают на передовые позиции разработки сигма-дельта преобразователей и аппаратно-программных комплексов на их основе.

Область применения таких преобразователей включает в себя телефонию, высококачественное цифровое воспроизведение звука, виброанализ, тензометрические и гидроакустические системы. В последнее время она стремительно охватывает как ультразвуковую, так и кардиодиагностику.

В процессе проектирования регистратора ЭКС решался вопрос совместимости платы ввода информации со средствами цифровой обработки. Возможны два способа его решения: размещение на плате сбора данных локального интерфейса для связи с устройствами обработки данных и непосредственное расположение всех устройств на общей плате. Конечно, наличие на плате ввода дополнительной памяти, микроЭВМ и источников опорного напряжения имеет выгодные экономические и эксплуатационные показатели, но известно, что импульсные источники питания, микросхемы статической или динамической памяти - мощные источники импульсных помех, легко распространяющихся по цепям питания. Вследствие этого по мехи, наводимые на часто применяемые элементы входных фильтров, операционных усилите лей, мультиплексоров, оказываются неприемлемо высокими.

Однако в малогабаритных переносных регистраторах ЭКС разнесение платы сбора и устройств обработки информации (разнесение аналоговой и цифровой частей схемы), даже на не значительное расстояние, приводит к резкому понижению надежности устройства. Поэтому для получения компактного высоконадежного устройства регистрации ЭКС все элементы ввода и обработки информации были размещены на одной печатной плате с использованием сигма-дельта АЦП. Это позволило отказаться от применения дополнительных входных устройств, относительно сложных инструментальных усилителей для подавления синфазной помехи, схем выборки-хранения и мультиплексора перед входом АЦП, крупногабаритных конденсаторов с малыми токами утечки и других аналоговых устройств. Замена перечисленных устройств одной СБИС АЦП позволила создать надежный помехоустойчивый прибор, осуществляющий наиболее полную цифровую обработку ЭКС [10].