Ιατρικά Ηλεκτρονικά. Χρήσιμοι Σύνδεσμοι. ΙΑΤΡΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ - ΔΙΑΛΕΞΗ 4α. Σημειώσεις μαθήματος: E mail:

Transcript

1 Ιατρικά Ηλεκτρονικά Δρ. Π. Ασβεστάς Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Τ.Ε Χρήσιμοι Σύνδεσμοι Σημειώσεις μαθήματος: E mail: pasv@teiath.gr 2

2 Κυκλώματα Ενίσχυσης Διαφορών Ένα κύκλωμα ενίσχυσης διαφορών: είναι ένα κύκλωμα δύο εισόδων και μίας εξόδου ενισχύει τη διαφορά των δύο σημάτων εισόδου χρησιμοποιείται ευρέως σε ηλεκτροκαρδιογράφους, ηλεκτροεγκεφαλογράφους, συστήματα μέτρησης αιματικής πίεσης, απινιδωτές χρησιμοποιείται επίσης σε κυκλώματα μέτρησης πίεσης, θερμοκρασίας, παραμόρφωσης ή παρακολούθησης τάσης ή ρεύματος που ενεργοποιούν συστήματα συναγερμού όταν ξεπεραστεί κάποια προκαθορισμένη τιμή τάσεως ή ρεύματος. Τα δύο βασικά κυκλώματα είναι: οαφαιρέτης(subtractor) ο ενισχυτής οργανολογίας (instrumentation amplifier) 3 4 2

3 H τάση ονομάζεται κοινό σήμα. H τάση ονομάζεται διαφορικό σήμα. Είναι εύκολο να δειχτεί ότι: Το κοινό σήμα είναι ανεπιθύμητο και πρέπει να απορρίπτεται. Για παράδειγμα, σε έναν ηλεκτροκαρδιογράφο, τοποθετούνται ηλεκτρόδια στο δεξιό και στο αριστερό χέρι. Στην περίπτωση αυτή επιθυμείται να ενισχύεται μόνο η διαφορά των σημάτων από τα δύο ηλεκτρόδια και να απορρίπτεται όποιο κοινό σήμα υπάρχει σε αυτά, καθώς αυτό συνήθως οφείλεται σε εξωτερικό θόρυβο. 6 3

4 Οι αντιστάσεις και σχηματίζουν διαιρέτη τάσης. Επομένως η τάση ισούται με: Από τον πρώτο κανόνα για Τ.Ε. με αρνητική ανάδραση, η τάση στην αναστρέφουσα είσοδο του Τ.Ε. είναι επίσης. 7 Από τον δεύτερο κανόνα για Τ.Ε. με αρνητική ανάδραση, το ρεύμα στους ακροδέκτες του Τ.Ε. είναι αμελητέο, με αποτέλεσμα οι αντιστάσεις και να διαρρέονται απότοίδιορεύμα: Εφαρμόζοντας τον νόμο του Ohm στις δύο αντιστάσεις προκύπτει ότι: 8 4

5 Επιλύοντας ως προς έχουμε ότι: Αντικαθιστώντας την έκφραση για το προκύπτει: 9 Θέτοντας 2 2 προκύπτει η ακόλουθη έκφραση για την τάση εξόδου: όπου: 2 0 5

6 Ο όρος ονομάζεται διαφορικό κέρδος, ενώ ο όρος ονομάζεται κέρδος κοινού σήματος. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, επιθυμείται να ενισχύεται μόνο το διαφορικό σήμα και να απορρίπτεται το κοινό σήμα. Με άλλα λόγια είναι επιθυμητό να είναι 0 Αποδεικνύεται ότι αυτό συμβαίνει όταν. Η σχέση αυτή αποτελεί τη συνθήκη απόρριψης κοινού σήματος για τον αφαιρέτη. Στην περίπτωση αυτή, το κέρδος διαφορικού σήματος απλοποιείται στην ακόλουθη σχέση: 2 6

7 Συνήθως επιλέγεται και. Οπότε το κύκλωμα είναι στη μορφή που δείχνει η διπλανή εικόνα. Στην περίπτωση αυτή, η απόδοση του κυκλώματος ως προς την απόρριψη του κοινού σήματος εξαρτάται από το πόσο ταιριασμένες είναι οι αντιστάσεις μεταξύ τους και οι μεταξύ τους (δηλ. πόσο κοντά είναι οι τιμές των δύο και των δύο ). 3 Στην πράξη οι αντιστάσεις παρουσιάζουν ανοχή με αποτέλεσμα να μην είναι εντελώς ταιριασμένες.. Επομένως, το κέρδος κοινού σήματος δεν είναι ακριβώς μηδέν. Για να ποσοτικοποιηθεί η επίδραση του κέρδους κοινού σήματος, χρησιμοποιείται ο λόγος απόρριψης κοινού σήματος (Common Mode Rejection Ratio CMRR) που εξ ορισμού είναι ο λόγος του κέρδους διαφορικού σήματος, προςτοκέρδοςκοινούσήματος: ήεκφρασμένοσεdb: 20log Στην πράξη, σε κυκλώματα ενίσχυσης βιοσημάτων, ο λόγος απόρριψης κοινού σήματος πρέπει να είναι μεγαλύτερος από 00dB. 4 7

8 Πολλές φορές, ένας αισθητήρας (sensor) είναι μια μεταβλητή αντίσταση, της οποίας η τιμή μεταβάλλεται ανάλογα με την προς μέτρηση φυσική ιδιότητα (θερμοκρασία, βάρος, μηχανική παραμόρφωση κ.λπ). Η μέτρηση της φυσικής ποσότητας ανάγεται στη μέτρηση της αντίστοιχης τιμής της αντίστασης. Ένας τέτοιος αισθητήρας είναι η θερμοαντίσταση (thermistor). Ένα thermistor είναι μία αντίσταση, της οποίας η τιμή εξαρτάται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Υπάρχουν δύο είδη thermistor: αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας (NTC): η τιμή της αντίστασης μειώνεται καθώς αυξάνει η θερμοκρασία θετικού συντελεστή θερμοκρασίας (PTC): η τιμή της αντίστασης αυξάνεται καθώς αυξάνει η θερμοκρασία Ένα thermistor NTC χαρακτηρίζεται από την τιμή της αντίστασης,,στους25 (298,5K)*. Για παράδειγμα ένα thermistor 0kΩ παρουσιάζει αντίσταση 0kΩ όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι 25. H σχέση ανάμεσα στην αντίσταση και στη θερμοκρασία (σε βαθμούς Kelvin) μπορεί να προσεγγιστεί από την ακόλουθη εξίσωση: όπου 298,5K και είναι μία παράμετρος (σε βαθμούς Kelvin) που έχει να κάνει με το υλικό κατασκευής του thermistor και δίνεται από τον κατασκευαστή. 9 * Βαθμοί Kelvin = 273,5 + Βαθμοί Κελσίου 8

9 Για παράδειγμα, για μία θερμοαντίσταση με 0kΩ και 3977K, η αντίσταση στους 20 (293,5Κ) θα είναι: 0.,,, 2,6kΩ Από τη σχέση στη προηγούμενη διαφάνεια προκύπτει ότι όταν είναι γνωστή η αντίσταση ενός thermistor, η αντίστοιχη θερμοκρασία () σε βαθμούς Kelvin, δίνεται από τον ακόλουθο τύπο: 20 Ένας τρόπος μέτρησης της αντίστασης του thermistor και κατ επέκταση της θερμοκρασίας είναι με χρήση της γέφυρας Wheatstone και ενός ενισχυτή διαφορών. Η γέφυρα ισορροπεί, δηλ., όταν ισχύει. Στην περίπτωση αυτή, η έξοδος του ενισχυτή διαφορών θα είναι μηδέν. 23 9

10 Επιλέγοντας κατάλληλα τις αντιστάσεις, και, η γέφυρα μπορεί να ισορροπεί σε οποιαδήποτε επιθυμητή θερμοκρασία. Για παράδειγμα έστω ότι έχουμε ένα thermistor με 3977K και 0kΩ. 24 Έστω ότι θέλουμε να έχουμε μηδενική έξοδο στους 6 (289,5Κ). Η αντίσταση του thermistor στη θερμοκρασία αυτή θα είναι 5,kΩ. Εάν επιλεγεί 5kΩ, τότε πράγματι η έξοδος της γέφυρας ( )και κατ επέκταση του ενισχυτή διαφορών θα είναι μηδέν. 25 0

11 Έστω ότι η γέφυρα ισορροπεί. Εάν αυξηθεί η θερμοκρασία, η αντίσταση του thermistor θα μειωθεί με αποτέλεσμα να αυξηθεί η τάση και να γίνει μεγαλύτερη από τη. Η έξοδος του ενισχυτή διαφορών θα είναι θετική. 26 Αντίστοιχα, εάν η γέφυρα είναι σε ισορροπία και μειωθεί η θερμοκρασία, τότε η αντίσταση του thermistor θα αυξηθεί. Η τάση θα γίνει μικρότερη από τη και η έξοδος του ενισχυτή διαφορών θα είναι αρνητική. 27

12 Για τον ενισχυτή διαφορών ισχύει ότι: Επομένως, μετρώντας την τάση εξόδου μπορεί να υπολογιστεί η διαφορά. Η τάση είναι γνωστή και δίνεται από τη σχέση: Συνεπώς, είναι γνωστή η τάση και καθώς αυτή ισούται με μπορεί να υπολογιστεί η αντίσταση του thermistor και κατ επέκταση η θερμοκρασία. 28 Για παράδειγμα, έστω ότι έχουμε thermistor με 3977K και 0kΩ και 5kΩ. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η έξοδος θα είναι μηδενική στους 6. Έστω επίσης 50kΩ, 680kΩ, 5Vκαι 5V. Έστω ότι μετράμε τάση εξόδου V. 29 2

13 Θα είναι: 4,5 0,22V 2,5V 0,22V2,72V 2,6kΩ 30 H θερμοκρασία θα προκύψει από τη σχέση: 298,5K 2,6KΩ 3977K 0KΩ Από όπου προκύπτει ότι η θερμοκρασία είναι Κ ή 9,9. 3 3