Блок микрофонного усилителя фонокардиографа (стр. 4 из 5)
3 СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Для того чтобы перейти к расчетам, нужно задаться входными величинами, а чтобы результаты были корректными - воспользуемся справочной литературой и справочными пособниками.
Исходя, из задания по комплексному курсовому проекту нужно рассчитать микрофонный усилитель фонокардиографа. Основные требования к микрофонному усилителю следующие:
- двухкаскадная схема усилителя;
- коррекция амплитудно-частотной характеристики;
- выходное напряжение порядка 1…5В;
- фильтр низких частот с fг=1000 Гц.
На рис. 3.1 изображена схема электрическая принципиальная, U1 - входной сигнал, а U2- усиленный выходной сигнал. Так как сам усилитель является двухкаскадным, то нужно разбить коэффициенты усиления таким образом, чтобы и полезный сигнал усилить до максимальной величины, а помеху не пропустить. Двухкаскадная схема усиления для такого диапазона в измерительной технике предусматривает обязательное разделение каскадов с помощью разделительной емкости, чтобы не пропустить постоянную составляющую на второй каскад [7].
В соответствии с методиками измерения фонокардиограмм полезный сигнал не превышает частоты 1000 Гц и за этим пределом идет сигнал, который не несет полезной информации, а потому в микрофонном усилителе интегрирован фильтр нижних частот первого порядка с частотой среза fг=1000 Гц.
Для фонокардиографических исследований используем электретный микрофон фирмы PANASONIC, технические параметры которого приведены в табл. 3.1, а амплитудно-частотная характеристика данного микрофона отображена на рис. 3.2. Из амплитудно-частотной характеристики видно, что низкочастотная зона чувствительности микрофона отличается от высокочастотной в 1000 раз. А это значит, что при измерении сигналов низкой частоты чувствительность будет низкой и потому в микрофонном усилителе нужно предусмотреть корректирующую цепочку.
Рисунок 3.1 - Схема электрическая принципиальная микрофонного усилителя с коррекцией АЧХ
Рисунок 3.2-Амплитудно-частотная характеристика микрофона WM-52BM
Таблица 3.1 - Технические параметры микрофона WM-52BM
| Чувствительность мВ/Па | Диапазон частот, Гц | Uпит, В | Iпот мА | Кгарм, % |
| 60 | 20/16000 | 1,5/10 | 0,8 | 9,7х4,5 |
В фонокардиологических исследованиях давление создаваемое на мембрану микрофона составляет порядка 5·10-4 Па. Исходя из этого параметра рассчитаем значения напряжений при 10 дб и 30 дб.
Для расчета диапазона напряжения которое сможет выдавать микрофон при проведении фонокардиологических исследований воспользуемся данными табл. 3.1, а также давлением создаваемым в результате проведения измерения [8].
После проведения расчета, получим величину рабочего напряжения при 10дб - 3·10-7В, а при 30дб - 3·10-7 В. Отсюда следует, что диапазон измеряемых напряжений составляет 0,3мкВ – 300мВ.
Перейдем к расчету максимального и минимального коэффициентов усиления усилителя, взявши за выходную величину напряжение порядка 1В.
Ku max=Uвых/Uрmin (3.1)
следовательно:
Ku max=1/0,3·10-6
Ku max=3333333,33
Ku min =Uвых/Uрmax (3.2)
В результате получим:
Ku max=1/300·10-3
Ku min=33333,33
Теперь зная реальные коэффициенты усиления, можем перейти непосредственно к расчету усилителя.
Величину сопротивления R1 выбираем исходя мз нагрузочной способности микрофона R min =10кОм, соответственно R1=10кОм. Исходя из этого величину емкости С1 выбираем такой чтобы она не “резала” низкочастотный сигнал, то есть её сопротивление было пренебрежительно малым, а время задержки τ=500ms. Имея эти данные можем рассчитать величину емкости С1.
τ= R·С (3.3)
отсюда
С1= τ/ R1 (3.4)
следовательно:
С1=500·10-3/103
получим:
С1=50·10-6 Ф
Полученного номинала емкости С1 в стандартном ряду нет, то выбираем ближайшее значение.
С1=47·10-6 Ф
На элементах R2 и С2 собран фильтр низких частот первого порядка с граничной частотой среза fг=1000Гц, который защищает от высокочастотных помех [9]. Для удобства расчета выберем значение сопротивления равным R2=75 кОм. Из следующей формулы вычислим значение емкости С2.
fг=1/2π RС (3.5)
отсюда:
С2=1/2π fг R (3.6)
получим:
С2=1/2·3,14·1000·75·103
С2=2,2·10-9 Ф
Чтобы снизить вероятность прохождения помехи, а также появления шума, задаем коэффициент усиления первого каскада равным 100. А поскольку диапазон амплитудно-частотной характеристики микрофона изменяется в100 раз (20 дб), то соответственно и коэффициент усиления будет варьировать от 1 до 100. Подъем Кu на низких частотах в 100 раз по отношению к высоким частотам.
Для такой коррекции амплитудно-частотной характеристики рассчитываем звено, позволяющее без потери полезной информации обрабатывать сигнал в любом частотном диапазоне фонокардиологических исследований.
Рисунок 3.3- Схема электрическая принципиальная узла коррекции АЧХ
Для расчета узла коррекции АЧХ используем систему уравнений, формула (3.7), которая показывает изменение сопротивления на различных частотах.
(3.7)Величину сопротивления R6 выбираем таким образом чтобы даже при самом малом значении коррекции поддерживалось соотношение 1:100.
Таким образом, сопротивления R6 является подстроечным и выставляется в среднее положение, сопротивление которого в таком положении будет равняться 50 Ом. Отсюда следует, что номинальное значение сопротивления R6=100Ом. А значение сопротивления R5=50 Ом, так как нужно выдержать данное соотношение. Исходя, таким рассуждениям следует, что общее сопротивление R5 и R6 будет равным R56=100 Ом.
Преобразовав систему и подставив численные значения, получим следующие соотношения:
(3.8)Из данной системы уравнений получим R4 и подставим в уравнения:
R4=5000- XCR1
XCR1 =10000+100·(5000- XCR1)
XCR1 =10000+500000-100· XCR1
После преобразования уравнений, получим:
R4=5,1кОм
Подставляем значение сопротивления R4 в уравнения получим:
XCR1=520 кОм
XCR2=5,2 кОм
Зная значения XCR1 и XCR2 можем рассчитать значения сопротивления R3 и емкости С4.
R=
(3.9)Для значения XCR1 значение ω1=2·π·10Гц и XCR2 значение ω2=2·π·1000Гц
Подставим значения и получим:
После преобразования уравнений получим:
Для упрощения решений произведем замену:
Произведем подстановку замен в уравнения:
Используя уравнение(3.10), определим величину сопротивления R3:
(3.10)Значения сопротивления R3=560 кОм.
Найдем значение емкости С4:
(3.11)преобразуя, получим:
(3.12)Отсюда найдем С4:
(3.13)Вследствие расчетов получим, что значение емкости С4=33 нФ.
В качестве усилителя первого каскада используем операционный усилитель К1408УД1, технические данные которого приведены в табл.3.2.
Таблица 3.2 - Технические параметры микросхемы К1408УД1
| КU·103 | ±UП, В | IПОТ, мА | ±UСМ, мВ | IВХ, мА | ∆IВХ, мА | ±UДФ, В | ±UСФ, В | МСФ, дб | ±UВЫХ, В | RН, кОм | RВХ, МОм |
| 70 | 27 | 5 | 8 | 40 | 10 | 20 | 21 | 80 | 19 | 5 | 1 |
Между первым и вторым каскадом ставим разделительную емкость С3, роль которой задержать постоянную составляющую сигнала и не пропустить её на второй каскад усиления, так как это привило бы операционный усилитель в насыщение.
Значения сопротивления R8 и емкости С6 берем такое же как и в первом каскаде, так как они выполняют роль фильтра низких частот с частотой среза 1000 Гц.
В качестве усилительного элемента второго каскада используем микросхему К140УД17А, технические данные которой приведены в табл .
Вторым каскадом нужно усилить сигнал минимального значения в 33333,33 раз, данная микросхема прекрасно с этой задачей справится, единственное что нужно сделать это включить в схему сопротивление смещения, согласно справочным данным его номинальное значение составляет 100кОм. Отсюда R11=100 кОм.