Sau khi xây dựng xong “cây tín hiệu” bằng phương pháp CSTD ta sẽ có số lượng tín hiệu lớn hơn rất nhiều.
Cần chú ý rằng, về cơ bản phương pháp CSTD vẫn dựa trên việc lấy trung bình tuyến tính, nên việc gia tăng số lượng tín hiệu là rất quan trọng. Với phương pháp này ta có thể giảm thời gian thu nhận mà vẫn đạt được số lượng tín hiệu đủ lớn.
Hình 2.18: Ví dụ so sánh việc sử dụng 2 phương pháp lấy trung bình
(a) Mẫu tín hiệu điện thế gợi chuẩn từ Spehlmann; (b) lấy trung bình tuyến tính với 8192 AMLR frames; (c) 1 frame AMLR; (d) lấy trung bình tuyến tính với 256 frames; (e) sử dụng
thuật toán CSTD 2.5.2.3 Bộ lọc số:
Ta sử dụng các bộ lọc thông thấp và thông cao để chọn khoảng tần số thu nhận cho tín hiệu điện thế gợi. Điều này cũng đã được thực hiện bằng phần cứng của thiết bị. Ngoài
ra, bộ lọc notch filter cũng thường được sử dụng để loai nhiễu ở tần số 50-60Hz. Tuy nhiên, khi sử dụng bộ lọc này cần phải chú ý vì có thể sẽ làm méo dạng tín hiệu.
Bộ lọc số thường được sử dụng đồng thời ngay khi tín hiệu được số hóa để loại bỏ cách thành phần tần số cao còn sót lại. Nó có thể được sử dụng trước hoặc sau khi lấy trung bình.
2.5.2.4 Hiển thị dữ liệu
Trước đây, điện thế gợi cũng giống như EEG, đều được lưu lại trên giấy. Việc sao chép, xử lý các tín hiệu này là rất khó khăn. Với sự phát triển của khoa học công nghệ ngày nay thì tất cả các thiết bị thu nhận điện thế gợi đều cho hiển thị tín hiệu dưới dạng hình ảnh. Ngoài ra, ta có thể xử lý tín hiệu bằng các thuật toán khác nhau với phần mềm được tích hợp sẵn hoặc kết nối với PC.
2.5.2.5 Lưu trữ dữ liệu
Cũng như các loại tín hiệu khác, tín hiệu điện thế gợi có thể được lưu trữ bằng đĩa mềm, băng từ, CD hay đĩa quang học. Nếu dùng đĩa mềm hoặc băng từ thì cần phải có nơi bảo quản tốt. Còn CD và đĩa quang học không yêu cầu điều kiện bảo quản. Tuy nhiên đĩa quang học được đánh giá cao hơn vì có lớp vỏ bảo vệ bên ngoài.
2.5.2.6 Hậu xử lý
Kỹ thuật phân tích định lượng thường chỉ được sử dụng trong trường hợp theo dõi với thời gian dài, nhằm mục đích ghi nhận lại sự thay đổi chậm khác nhau của biên độ, thời gian tiềm. Ngoài ra, để có thể nhận ra những thay đổi về chức năng sinh lý bên trong người ta sử dụng kỹ thuật phân tích nguồn. Kỹ thuật này dùng để xác định các thành phần của não tạo ra điện thế gợi và nó thường được sử dụng nhiều trong việc nghiên cứu hơn là trong chẩn đoán chức năng.
CHƯƠNG 3. NỘI DUNG LUẬN VĂN 3.1 Sơ đồ khối thiết bị đo điện thế gợi thính
Các khối chính của thiết bị đo điện thế gợi thính dùng trong phạm vi đề tài này được trình bày như hình 3.1. Trong đó, nguồn kích có chức năng tạo ra âm thanh kích thích ở các tần số và âm lượng khác nhau, các thông số chi tiết sẽ được trình bày ở phần sau. Bộ MP30 có vai trò thu nhận điện thế gợi thính từ người được đo thông qua điện cực, đồng thời điều khiển để quá trình kích thích âm thanh và quá trình thu tín hiệu xảy ra đồng bộ với nhau, cụ thể được trình bày trong phần khối đồng bộ của nguồn kích. Sau đó, tín hiệu được thu nhận bằng MP30 sẽ được chuyển vào máy vi tính và được xử lý bằng phần mềm BSL Pro 7. Nguồn kích thích âm thanh ðiện cực Thiết bị thu nhận - MP30 Xử lý và lưu trữ Nguồn kích thích âm thanh ðiện cực Thiết bị thu nhận - MP30 Xử lý và lưu trữ Xử lý và lưu trữ
Hình 3.1: Sơ đồ khối thiết bị đo điện thế gợi thính dựa vào bộ MP30 3.1.1 Nguồn kích âm thanh
Mục tiêu của đề tài là chế tạo nguồn kích thích âm thanh dùng cho việc nghiên cứu điện thế gợi thính với các yêu cầu kỹ thuật sau:
• Điện áp cung cấp: 9 VDC – 18 VDC
• Dạng sóng kích thích: sóng sin phát theo xung (tone-burst), xung vuông có bề rộng xung ngắn (click)
• Tần số sóng sin: 10Hz – 10KHz • Biên độ ngõ ra của sóng sin: 9 Vp-p • Bề rộng xung vuông: 0.1ms – 100ms • Biên độ ngõ ra của xung vuông: 4V • Công suất tối đa trên tải: 800 mW
• Âm thanh phát ra có âm lượng: 0 dB – 90 dB • Hoạt động đồng bộ được với MP30
Nguồn kích bao gồm các khối sau:
Mạch tạo sĩng Thiết bị thu nhận - MP30 Xử lý và lưu trữ Xử lý và lưu trữ Khối đồng bộ
Nguồn kích thích âm thanh
Hình 3.2: Sơ đồ khối của nguồn kích 3.1.1.1 Khối tạo sóng
Theo lý thuyết, kích thích được sử dụng trong các thí nghiệm AEP thường là dạng xung vuông ngắn (click) với bề rộng xung khoảng 0.1ms. Phổ tần số của sóng vuông có các thành phần hài bậc lẻ kèm theo, do đó âm phát ra không phải là đơn tần số. Trong đề tài này, vì muốn khảo sát khả năng kích thích ở từng tần số riêng biệt nên sóng dạng sin (có tần số từ 10Hz đến 10KHz) kích thích theo dạng xung đã được chọn làm sóng âm kích thích. Ngoài ra, nguồn kích âm còn sử dụng kết hợp ngõ ra của MP30 để tạo tín hiệu âm kích dạng xung vuông ngắn có bề rộng xung là 0.1ms (click).
Các dạng sóng có thể được tạo ra ở dạng tự do (free-running form) hoặc ở dạng được kích khởi (triggered form). Mạch tạo sóng tự do cho ta các dạng sóng hoàn tất mỗi
một chu kỳ trong một khoảng thời gian T và tự động lặp quá trình tạo sóng (ad-infinitum), nghĩa là lặp lại các chu kỳ ở tần số 1/T Hz. Mạch tạo sóng được kích khởi, ngược lại chỉ cho ta một chu kỳ của dạng sóng mỗi khi có tín hiệu kích khởi đưa đến ngõ vào của mạch.
Sóng sin thuần túy là tín hiệu chỉ có một tần số cơ bản và không có các hài nào được tạo ra. Các sóng sin trên thực tế đều không thuần túy có dạng sin và như vậy chúng có các hài không mong muốn. Tính thuần sin được đánh giá bằng cách lấy tổng các biên độ của các hài không mong muốn rồi so sánh chúng với biên độ tín hiệu tần số cơ bản, từ đó ta có khái niệm độ sái dạng hài tổng THD (total harmonic distortion) [7].
Hình 3.3: Sóng sin và cấu trúc hài của sóng sin
Sóng sin có thể được tạo ra một cách trực tiếp từ các mạch dao động R-C hoặc L-C thích hợp, hoặc dùng opamp, hoặc có thể được tổng hợp nhờ các IC tạo sóng chuyên dụng. Do linh kiện ở Việt Nam có độ sai số cao nên việc dùng các mạch dao động R-C, L-C hoặc opamp sẽ khó tạo ra sóng sin với độ sái dạng hài tổng nhỏ. Vì vậy, việc sử dụng mạch tạo sóng sin với IC chuyên dụng XR-2206 với tần số từ 10Hz – 10KHz sẽ cho kết quả tốt và chính xác hơn.
Cơ bản về XR-2206 [7]
XR-2206 là một linh kiện chất lượng cao tạo ra các dạng sóng tam giác, vuông và sin rất tốt ở các tần số từ vài phần của Hz đến vài trăm KHz với một số tối thiểu các linh kiện bên ngoài IC. Tần số của IC này có thể được quét trên tầm 2000:1 nhờ điện áp hoặc điện trở bên ngoài. IC còn kết hợp các tiện ích để đảm nhận việc điều chế AM, FM, dịch pha và FSK để tạo ra nhiều dạng sóng khác nhau. Linh kiện này có độ ổn định tần số rất
tốt (điển hình là 20p.p.m/oC đối với sự thay đổi của nhiệt độ và 0.01%/V đối với sự thay đổi điện áp của nguồn cấp điện) và có thể được cấp điện hoặc từ một nguồn điện đơn trong tầm từ 10V đến 26V hoặc từ một nguồn cấp điện đôi trong tầm từ ±5V đến ±13V. Các sóng sin có THD điển hình là 2.5%, tuy nhiên ta có thể dễ dàng điều chỉnh xuống còn khoảng 0.5% nhờ vào 2 biến trở vi chỉnh. Sóng sin có biên độ cực đại bằng 2V rms và tổng trở ngõ ra bằng 600Ω.
Hình 3.4: Sơ đồ khối chức năng và các ký hiệu chân của XR-2206 Bảng 3.1: Giải thích các ký hiệu chân và các khối của IC XR-2206
AMSI (Amplitude Modulating Signal Input)
Ngõ vào tín hiệu để điều chế biên độ
STO (Sine or Triangle Wave Output) Ngõ ra sóng sin hoặc tam giác MO (Multiplier Output) Ngõ ra của mạch nhân tín hiệu
Timing Capacitor Các chân nối với tụ định thời
SYMA1-2 (Wave Symmetry Adjust) Các chân điều chỉnh sự đối xứng của dạng sóng ngõ ra
WAVEA1-2 (Waveform Adjust Input) Các chân điều chỉnh dạng sóng
SYNCO (Sync Output) Ngõ ra đồng bộ
BIAS (Internal Voltage Reference) Điện áp tham chiếu
FSKI (Frequency Shift Keying Input) Ngõ vào tín hiệu để điều chế FSK
+1 Mạch đệm
VCO Mạch dao động có tần số điều khiển bằng
điện áp
Current Switches Các chuyển mạch dòng điện
Multiplier and Sine Shaper Mạch nhân và sửa dạng sin
Hình 3.4 trình bày các chân ra, các ký hiệu chân và sơ đồ khối chức năng của XR- 2206. IC này chứa trong một vỏ DIL 16 chân. Mạch VCO và các chuyển mạch dòng điện là cấu trúc chính của IC. Để hoạt động, mạch VCO phải được nối với một tụ định thời C bên ngoài (nối giữa chân 5 và 6, có trị số trong tầm từ 1nF đến 100µF), một điện trở định thời R bên ngoài (nối giữa chân 7 hoặc 8 và điện áp cấp điện âm, có trị số trong tầm từ 1KΩ đến 2MΩ).
Các chuyển mạch dòng điện chọn chân định thời để nối với các điện trở định thời được dùng. Bình thường với chân 9 thả nổi, chân 7 định thời được dùng, nhưng nếu chân 9 được kéo lên gần bằng với điện áp cấp điện âm, chân định thời 8 được chọn. Vậy thì chân 9 cho phép thay đổi các điện trở định thời được chọn để hoặc có điều chế dịch khóa tần số FSK hoặc tạo điều kiện cho việc tạo ra các dạng sóng vuông không đối xứng và răng cưa.
Giả sử tụ định thời C được đặt giữa chân 5 và chân 6, điện trở định thời được đặt ở chân 7 và chân 9 được thả nổi. Trong trường hợp này hoạt động của mạch VCO như sau, tụ C trước tiên nạp tuyến tính ở tốc độ xác định bởi R cho đến khi đạt được trị số điện áp ngưỡng, lúc này mạch VCO chuyển trạng thái và C bắt đầu phóng điện tuyến tính ở tốc độ
cũng được xác định bởi R cho đến khi đạt được trị số điện áp ngưỡng thứ hai, lúc này quá trình bắt đầu được lặp lại. Kết quả là mạch VCO tạo ra dạng sóng răng cưa đối xứng và tuyến tính đưa đến chân 2 thông qua khối nhân và sửa dạng sin, đồng thời tạo ra một sóng vuông đối xứng đưa đến chân 11 thông qua transistor đệm tích phân. Tần số hoạt động của VCO cho bởi fo = 1/RC (Hz) và thay đổi theo C hoặc R.
Mạch VCO của IC thực ra là một mạch không trạng thái bền điều khiển bằng nguồn dòng trong đó dòng định thời được điều khiển bởi các điện trở nối với các chân 7 và 8 hoặc được điều khiển bởi các điện áp hay tín hiệu nối với các chân này thông qua các điện trở giới hạn dòng thích hợp. Yếu tố này làm cho IC có thể điều chế hoặc quét tần số (từ bên ngoài) các tín hiệu do VCO tạo ra.
Dạng sóng ngõ ra răng cưa của VCO được nối bên trong với một cặp ngõ vào trên một mạch nhân và sửa dạng sin, mạch này hoạt động như một mạch khuếch đại vi sai có độ lợi thay đổi được cho ngõ ra có tổng trở cao ở chân 3 và (thông qua một mạch đệm độ lợi bằng 1) một tổng trở ra 600Ω ở chân 2, mạch có độ lợi được điều khiển từ bên ngoài qua một điện áp phân cực ở chân 1. Khi chân 13 và 14 của mạch nhân hở, dạng sóng răng cưa đi qua mạch nhân và xuất hiện ở chân 2 và 3, nhưng khi có một điện trở vài trăm Ω nối giữa các chân 13 và 14 mạch nhân giới hạn theo hàm mũ các đỉnh của dạng sóng răng cưa và chuyển đổi dạng sóng này thành sóng sin xuất hiện ở chân 2 và chân 3. Với sự điều chỉnh thích hợp, độ sái dạng của sóng sin có thể giảm xuống đến khoảng 0.5%.
Độ lợi và pha của mạch nhân được điều khiển tuyến tính bởi sự thay đổi điện áp ở chân 1 xung quanh trị số 1/2 điện áp nguồn cấp điện. Độ lợi (và biên độ tín hiệu ngõ ra) bằng 0 khi chân 1 bằng 1/2 điện áp nguồn cấp điện nhưng lại tăng khi điện áp chân 2 tăng. Khi điện áp chân 1 giảm dưới 1/2 điện áp nguồn cấp điện, độ lợi (và biên độ tín hiệu ngõ ra) lại tăng theo nhưhg pha của tín hiệu đảo ngược lại. Các đặc tính này cho phép các dạng sóng sin / răng cưa được điều chế biên độ hoặc dịch khóa pha PSK bởi các tín hiệu đặt vào chân 1.
Lưu ý là ngõ ra tổng trở cao của mạch nhân xuất hiện ở chân 3 nhưng điểm này cũng được nối ở bên trong với ngõ vào của mạch đệm cho ngõ ra ở chân 2 có tổng trở thấp.
Kết quả là tín hiệu ngõ vào của mạch đệm có thể thay đổi bởi một mạch chia áp bằng cách nối một biến trở giũa các chân 3 và điểm đất giả. Tiện nghi này được dùng để cung cấp khả năng điều khiển biên độ của tín hiệu ngõ ra ở chân 2 hoặc tạo điều kiện đóng mở (cho phép hoặc không cho phép) tín hiệu ngõ ra theo kiểu xung.
Điểm lưu ý cuối cùng là mức DC ở ngõ ra chân 2 xấp xỉ bằng với (trong khoảng vài trăm mV) điện áp DC phân cực ở chân 3. Do vậy việc định mức DC có thể được đặt đến ngõ ra chân 2 bằng cách đặt điện áp phân cực thích hợp vào chân 3. Trong hầu hết các ứng dụng chân 3 được phân cực một điện áp bằng 1/2 điện áp của nguồn cấp điện. Trong các mạch điện áp chia đôi hoặc được cấp điện đối xứng, điều này có nghĩa là tín hiệu ngõ ra chân 2 dao động xung quanh mức điện áp 0V.
Mạch tạo sóng sin với XR-2206
Ta dễ dàng sử dụng XR-2206 trong các ứng dụng tạo ra các dạng sóng cơ bản. Sơ đồ mạch cho thấy cách mắc mạch để có một mạch tạo sóng sin có tầm tần số rộng với nguồn điện áp đối xứng ±9V. R3-RV1 tạo thành mạng điện trở định thời, được nối giữa các chân 7 và 12 (nguồn âm) và được chọn tự động do chân 9 (FSK Input) thả nổi. Tần số của sóng sin thay đổi trên tầm thập phân nhờ biến trở RV1 cùng với một trị số của C3 được chỉ rõ trên hình vẽ.
Mạch tạo ra sóng sin ở chân 2 do có biến trở RV5 đặt nối giữa các chân 13 và 14. Độ sái dạng hài tổng cộng được giảm xuống còn khoảng 0.5% nhờ cách thiết lập các biến trở RV4 và RV5. Biến trở RV3 điều khiển thiết lập trước biên độ được nối với điểm đất chung của 2 nguồn cấp điện, nên ngõ ra chân 2 được phân cực với điện áp đối xứng từ nguồn cấp. Biến trở RV3 cho phép ta thiết lập trước biên độ sóng sin chân 2 đến một trị số ở đó độ sái dạng (do bị xén) nhỏ nhất. Để thiết lập RV3, trước tiên ta hở RV5 (để nhận được sóng tam giác ở ngõ ra), sau đó điều chỉnh RV3 để sóng tam giác không bi xén, kế đến nối lại RV5 và kiểm tra xem sóng sin đã tốt chưa. Điều chỉnh RV4, RV5 để có độ sái dạng nhỏ nhất. Biên độ của sóng sin ở ngõ ra thay đổi nhờ biến trở RV2.
Tần số của sóng sin được quyết định bởi giá trị của tụ C3, gồm 3 dải tần số sau (đã được kiểm tra bằng dao động ký):
C3 = 1µF f = 10Hz – 100Hz C3 = 100nF f = 100Hz – 1KHz C3 = 10nF f = 1KHz – 10KHz Frequency 0 Symmetry THD RV4 27K R1 10K 9 16 RV2 100K 1 RV1 100K RV5 470 Ohm C3 1uF XR-2206 0 RV3 47K + C4 10uF + C2