Страница: 7/27
Ограничения, налагаемые на частотный диапазон существующих допплеровских измерителей скорости кровотока, обусловлены, в основном, двумя причинами:
сложностью получения приемлемых параметров УЗ преобразователя, выполненного на основе пьезокерамики, для работы на частотах свыше 10 МГц. Толщина пьезокерамической пластины, используемой в качестве активного элемента, составляет половину длины волны, и на частотах свыше 10 МГц становится меньше 0.2 мм. Из-за существования пор в объеме керамики, напыляемые на противоположные поверхности пьезокерамической пластины электрические контакты образуют электрические соединения друг с другом через эти поры, и такой преобразователь становится непригодным для работы;
существующие в настоящее время схемы построения блоков обработки сигналов УЗ преобразователей (в диапазоне до 16 МГц) предполагают производить эту обработку непосредственно в ВЧ области, что приводит к усложнению схемы, ужесточению требований к параметрам ЭРЭ и, как следствие, к заметному удорожанию всего допплеровского комплекса.
Упрощенная блок схема непрерывно-волнового НЧ УЗ индикатора показана на рисунке 2.1.
рис 2.1 Блок схема непрерывно-волнового допплеровского индикатора скорости кровотока
где 1 - Малошумящий усилитель 2 - НЧ фильтр 3 - Фазовый детектор 4 - Генератор 2 МГц 5 - Усилитель 6 - АЦП
Рассмотрим работу данной схемы:
Вырабатываемый задающим генератором 4 сигнал подается на вход излучающего преобразователя и излучается в виде акустической волны, сфокусированной по направлению исследуемого сосуда. Отраженный сигнал, несущий информацию о движении форменных элементов крови в данном сосуде, преобразуется приемным элементом УЗ датчика, расположенным вокруг излучающего, усиливается усилителем с малым уровнем шумов 1 и детектируется фазовым детектором 3, управляемым задающим генератором 4. Отражение УЗ происходит на границе раздела сред с различными АИ, причем величина отражения УЗ прямо пропорциональна разности АИ сред. Генератор устройства собран на транзисторе VT1. Рабочая точка генератора определяется сопротивлением резисторов R8C4. Максимально достигаемая с помощью генератора мощность ограничена величиной тока высокой частоты (2 МГц), проходящей через кварц. Слишком большой ток высокой частоты нагревает кристалл, что отрицательно сказывается на стабилизации частоты. Поэтому генератор рассчитан на небольшую мощность (порядка 8мВт), но при высокой стабильности колебаний. Требуемую мощность получают в следующем каскаде, собранном на транзисторе VT2, по схеме с разделенной нагрузкой. Рабочая точка каскада определяется соотношением резисторов R10R11. В цепь эмиттера включен излучающий пьезоэлемент. В цепь коллектора параллельный колебательный контур, настроенный на частоту генератора (2 МГц) с которого опорный сигнал поступает на фазовый детектор.
Усиленный малошумящим усилителем 1 сигнал далее фильтруется полосовым фильтром 2 для устранения низкочастотных помех, возникающих вследствие отражения УЗ сигнала от медленно движущихся стенок сосуда (амплитуда сигнала от которых на несколько порядков выше амплитуды полезного допплеровского сигнала) и высокочастотного шума и подается затем на усилитель 5 и далее на АЦП.
Необходимость низкочастотной фильтрации вызвана наличием мощных низкочастотных составляющих в спектре принимаемого УЗ сигнала, обусловленным различными артефактами (колебаниями стенок сосудов, так называемым "пролезанием" сигнала с выхода передатчика на вход приемника, что особенно характерно дня прибора, работающего в непрерывном режиме).
Схема фазового детектора детектирует разность фаз двух сигналов, так что при наличии разности фаз могут быть приняты определенные меры по корректированию. Фазовый детектор часто называют также фазовым дискриминатором или частотным компаратором. Схема фазового детектора близка к схеме дискриминатора(демодулятора) ЧМ-сигналов, а их основные рабочие характеристики практически идентичны.
Подлежащий анализу сигнал прикладывается к входной обмотке L4 и трансформируется во вторичную обмотку L5. Вторичная обмотка шунтируется конденсатором переменной емкости С1, благодаря чему образуется параллельный резонансный контур, настроенный на частоту контрольного (опорного) сигнала, который прикладывается к первичной обмотке L2 трансформатора и наводится на L3.
Если оба сигнала имеют идентичные частоты, то при хорошей балансировке системы, прикладываемые к диодам сигналы одинаковы. Каждый диод проводит через полупериод, вследствие чего через диоды протекают пульсирующие токи. Однако пульсации напряжения на резисторах R13 и R14 сводятся к минимуму благодаря фильтрующему действию конденсаторов С7 и С2, так что через R13 и R14 протекают практически постоянные токи. Вследствие использования центрального отвода в обмотке L5 и равенства резисторов R13 и R14 падения напряжений на этих выходных резисторах равны и противоположны по знаку; поэтому при равенстве частот сигналов выходное напряжение равно нулю.
Индуктивность L3 не связана с L4, т.е. она является вторичной обмоткой трансформатора L3L2.
Поскольку катушка L3 связана с входом и выходом системы, каждый диод подвержен воздействию двух сигналов: опорного и входного. Однако общее напряжение на каждом диоде является не арифметической, а векторной суммой напряжений сигналов. Это объясняется тем, что падение напряжения EL5 на нижней половине вторичной обмотки, отсчитываемое от средней точки этой обмотки, опережает на 900 ток Iк , протекающий через эту часть обмотки, по этой же причине падение напряжения ЕL5 на верхней половине вторичной обмотки, также отсчитываемое от средней точки этой обмотки, должно отставать от вектора Ik на 900;
Если входной сигнал на L4 отличается от опорного сигнала на L2, то фазовые соотношения сигналов в рассматриваемом компараторе изменяются, в результате чего один из диодов проводит лучше другого. Поэтому падение напряжения на одном из выходных резисторов становится больше падения напряжения на другом резисторе и их суммарное падение напряжения перестает быть равным нулю, причем его величина и полярность зависят от разности этих падений напряжений.
При изменении частоты входного сигнала колебательный контур L5C1 выходит из резонанса и ток Ik во вторичной обмотке не изменяется в фазе с э.д.с. Eинд. Это объясняется тем, что колебательный контур на частоте выше или ниже резонанса имеет индуктивное или емкостное сопротивление. Но между Ik и ЕL5 сохраняется разность фаз, равная 900. В результате этого напряжение на диоде VD1 увеличивается а на диоде уменьшается. В этом случае диоды проводят неодинаково, и на выходе компаратора появляется напряжение.
Изменение частоты входного сигнала в другом направлении приводит к увеличению ЕVD2 и уменьшению ЕVD1. Появляется выходное напряжение, полярность которого противоположна полярности напряжения, образующегося в предыдущем случае.
Однако перед подачей принятого сигнала на детектор, его необходимо усилить т.к. сигнал очень слаб. Для этого используется малошумящий усилитель с малым дрейфом.
С выхода фазового детектора сигнал, через усилитель на микросхеме К224ПП1, поступает на АЦП. С АЦП оцифрованный сигнал с помощью интерфейса RS-232C поступает на блок ЦПОС.
При относительно медленной передаче сигналов (порядка сотен битов в секунду) наиболее подходящим является стандарт RS-232C. Этот стандарт определяет уровни сигналов обеих полярностей, а величины гистерезиса и времени запаздывания обычно задаются входными формирователями (для выходного формирователя нужны источники питания отрицательной и положительной полярностей, а для входного преобразователя это не обязательно). Типовая структура приведена на рисунке 2.1.2.
1488 RS-232C 8Т16
ТТЛ
ТТЛ
330 пФ
рис. 2.2.
Надо отметить, что при конденсаторе нагрузки емкостью 330 пФ обеспечиваются времена нарастания и спада на уровне менее 1 мкс. Стандарт RS-232C широко используется при передаче данных между терминальным оборудованием и ЭВМ со стандартизованными скоростями в диапазоне от 110 до 19200 бит/с. Полный стандарт определяет даже распайку контактных выводов сверхминиатюрного 25-контактного разъема типа D и обычно используется при передаче данных в стандарте IEEE422/
Применение ПК в медицинской диагностической аппаратуре не только имеет своей целью универсализацию используемого врачами оборудования, но и снижение его стоимости, что особенно актуально дан российской медицины. Главная проблема, которую решает применение ПК в разрабатываемом приборе - это возможность построения аппаратуры обработки данных с минимальными затратами. Возможности современных процессоров позволяют производить сложные вычисления в реальном масштабе времени, что раньше было под силу только специализированным цифровым процессорам обработки сигналов (ЦПОС).
Разработка принципиальной схемы измерителя
f0 1
Реферат опубликован: 8/04/2005 (77874 прочтено)