CHƯƠNG 3 : THIÊT KÊ PHAĂN CỨNG
3.2. THIÊT KÊ CHI TIÊT
3.2.1. Chĩn đin cực
Do hán chê veă maịt thời gian neđn đeă tài này chư dừng lái ở vic nghieđn cứu chuyeơn đáo chuaơn goăm chuyeơn đáo I, chuyeơn đáo II và chuyeơn đáo III. Do đĩ ta sẽ chĩn đin cực lối cĩ 3 keđnh đeơ thu tín hiu cụa 3 đáo trình chuaơn cụa máy táo sĩng đin tim (tim giạ).
Hình 3.1. Đin cực thu lối 3 keđnh
3.2.2. B khuêch đái – lĩc nhiu
3.2.2.1.Khuêch đái
Tín hiu đin tađm đoă mà ta thu được là mt tín hiu đin được phát ra bởi sự co bĩp cụa tim. Do đĩ, tín hiu đin tim rât nhỏ cĩ dại taăn sơ trong khoạng 0.05 – 100Hz và bieđn
Đin cực B khuêch đái-lĩc nhiu B chuyeơn đoơi ADC Vi xử lý giao tiêp máy tính
Lun vn tơt nghip Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
đ vào khoạng 0.5 – 3mV. Mt tín hiu đin tim cơ bạn được bieơu din baỉng phức đoă như Hình 3.1.
Hình 3.2. Phức b đin tađm đoă cơ bạn
Vì tín hiu rât nhỏ neđn d bị nhiu bởi các thiêt bị đin gaăn đĩ như máy X-quang, máy sieđu ađm… gađy ra. Tín hiu cũng d bị sai lch bởi nhiu do đin nguoăn, nhiu do các đin cực tiêp xúc và nhiu do sự chuyeơn đng hay nhiu cơ từ cơ theơ cụa bnh nhađn. Ở phám vi đeă tài này, đơi tượng được nghieđn cứu là tim giạ neđn mt sơ nhiu như nhiu cơ từ cơ theơ bnh nhađn, nhiu do sự chuyeơn đng cĩ theơ khođng gađy ạnh hưởng nhieău đên kêt quạ nghieđn cứu. Hình 3.3 a) biu din tín hiu đin tim cĩ sự xuât hin cụa nhiu đin nguoăn taăn sơ 50Hz. Hình 3.3 b) biu din sự nhiu cơ trong tín hiu đin tim.
Hình 3.3. a) Nhiu đin nguoăn 60Hz, b) Nhiu cơ từ cơ theơ beơnh nhađn.
Đeơ lối trừ bớt các lối nhiu tređn, ta cĩ theơ sử dúng mt b khuêch đái vi sai ba op- amp hay cịn gĩi là khuêch đái thut tốn như Hình 3.4. Đin áp ngõ ra cụa mách khuêch đái này là :
Vout – Vref = – (V1 – V2).(1 + 2.R2 / R1).(R4 / R3)
Nêu như đin áp ngõ vào giơng nhau ( common mode) V1 = V2 thì ngõ ra Vout = 0, maịt khác nêu V1 ≠ V2 thì áp vi sai (V1 – V2) sẽ cho ta mt đ lợi vi sai. Vì haău hêt các lối nhiu đeău cĩ áp giơng nhau (common mode) neđn khi qua b khuêch đái vi sai chúng sẽ tự trit tieđu lăn nhau, do đĩ ta cĩ theơ lối trừ bớt nhiu khi cho tín hiu đi qua b khuêch đái vi sai.
B khuêch đái ba op-amp này thường được gĩi là khuêch đái thut tốn. Nĩ cĩ trở kháng vào cao, CMRR cao và cĩ đ lợi khuêch đái cĩ theơ đieău chưnh được bởi đin trở R1. Mách khuêch đái này thường được ứng dúng rng rãi trong vic đo lường đin thê sinh hĩc bởi vì nĩ lối bỏ được nhiu cĩ đin áp giơng nhau toăn tái trong cơ theơ người bnh.
Hình 3.4. Khuêch đái vi sai ba op-amp 3.2.2.2. Lĩc nhieêu
Trong nhieău thiêt bị đin tađm đoă hin đái người ta thường sử dúng h thơng driven– right–leg. Đĩ là bnh nhađn khođng caăn nơi đât tồn b, thay vào đĩ là mt đin cực được gaĩn ở chađn phại cụa bnh nhađn và được kêt nơi với ngõ ra cụa mt op-amp boơ phú. Đin
Lun vn tơt nghieơp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
áp cĩ mode chung tređn cơ theơ bnh nhađn sẽ bị phát hin bởi hai đin trở thường, bị đạo, khuêch đái và hoăi tiêp veă chađn phại. Phaăn hoăi tiêp ađm cụa mách đưa đin áp cĩ mode chung veă mức thâp. Mách này cũng đạm bạo cho bnh nhađn mt sơ an tồn veă đin vì op-amp boơ phú sẽ bão hịa khi mt đin áp cao xuât hin giữa bnh nhađn và đât. [3].
Hình 3.5. Mách “driven-right-leg” giạm nhiu mode chung đên mức thâp nhât.
Tín hiu đin tim sau khi qua b khuêch đái thut tốn văn cịn bị ạnh hưởng bởi nhiu. Do đĩ ta caăn phại thiêt kê mt mách lĩc thođng thâp (low-pass filter) đeơ lối trừ các thành phaăn nhiu ở taăn sơ cao, mt mách lĩc thođng cao (high-pass filter) đeơ lối bỏ các thành phaăn nhiu DC (dịng trực tiêp). Cuơi cùng là mt mách lĩc Notch (notch filter) được sử dúng đeơ lối bỏ các thành phaăn ạnh hưởng cụa đin nguoăn.
Hình 3.6. tređn biu din bng thođng cụa b lĩc Notch, tái taăn sơ 60Hz bng thođng sẽ bị caĩt veă 0, tât cạ những tín hiu nhiu cĩ taăn sơ 50/60Hz sẽ bị lối bỏ.
Hình 3.7. B lĩc thođng thâp (low-pass)
B lĩc low-pass này được thiêt kê chư cho những tín hiu cĩ taăn sơ nhỏ hơn 100Hz đi qua, mà tín hiu đin tim cĩ taăn sơ trong dại từ 0.05Hz đên 100Hz, neđn tât cạ những tín hiu cĩ taăn sơ lớn hơn 100Hz (trong đĩ cĩ nhiu ở taăn sơ cao) sẽ bị lối bỏ như minh hĩa ở hình tređn.
Hình 3.8. B lĩc thođng cao (high-pass).
Cịn b lĩc high-pass này được thiêt kê chư cho những tín hiu cĩ taăn sơ lớn hơn 0.05Hz như tín hiu đin tim đi qua, những taăn sơ nhỏ hơn 0.05Hz (thường là nhiu) sẽ bị lối bỏ.
Lun vn tơt nghip Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
3.2.2.3.Ý nghĩa cụa b lĩc:
Hình 3.9. Ý nghĩa b lĩc
Tín hiu mà ta thu được tređn thực tê lúc nào cũng bị nhiu nhieău so với tính tốn lý thuyêt. Do đĩ, đeơ tín hiu được thu nhn và theơ hin được đúng bạn chât cụa nĩ thì ta neđn dùng các lối b lĩc keơ tređn đeơ lối bỏ bớt nhiu đi. Sau khi lối bỏ nhiu, tín hiu cho ra sẽ trung thực hơn.
Hình 3.10. Tín hiu sinh hĩc sau khi qua b lĩc nhieêu.
3.2.2.4. Thiêt kê
a. Sơ đoă khơi cụa b khuêch đái lĩc nhiu
b. Thiêt kê mách khuêch đái
Như đã nĩi ở phaăn tređn, tín hiu đin tim cĩ bieđn đ và taăn sơ rât nhỏ so với đin áp chung cụa nhieêu cao (high common noise voltage), theđm vào đĩ là các đin cực ngày nay cĩ trở kháng ngõ ra rât cao. Chính vì những đaịc tính này mà b khuêch đái cũng phại được thiêt kê với trở kháng vào rât cao, dịng bias thâp, đin áp offset thâp và tỷ sơ trit
Mách khuêch đái instrument AD = 100 Mách lĩc thođng cao AH = 1 Mách lĩc thođng thâp AL = 1 Mách khuêch đái Ag = 10 Ngõ vào vi sai Mách lĩc notch AN = 1 Ngõ ra cụa mách khuêch đái_lĩc nhiu
Lun vn tơt nghieơp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
cách chung CMRR cao (> 60dB). Mt thiêt bị analog thut tốn AD620 đã đáp ứng được tât cạ các đaịc tính thiêt kê tređn. Đađy chính là mt cođng cú lý tưởng đeơ thiêt kê ra mt b khuêch đái tương đơi chính xác.
Hình 3.11 trình bày sơ đoă mách khuêch đái sinh thê (biopotential amplifier) sử dúng AD620.
Hình 3.11. Sơ đoă mách khuêch đái sinh thê sử dúng AD620
Trong sơ đoă tređn, RG dùng đeơ thay đoơi đ lợi khuêch đái theo cođng thức : G = 1+(49.4k / RG). Đĩ cũng là đaịc tính cụa AD620. Với đ chính xác cao, đ lợi cụa mách khuêch đái thut tốn sử dúng AD620 chư caăn mt con đin trở ngồi đeơ chưnh đ lợi từ 1 đên 10 000 laăn.
Tuy nhieđn, đieău quan trĩng ở đađy là con AD620 lái khođng cĩ maịt tređn thị trường thành phơ Hoă Chí Minh, vân đeă được đaịt ra là linh kin nào cĩ theơ thay thê cho AD620. Mt mách khuêch đái thut tốn lĩc nhiu khođng dùng AD620 mà thay vào đĩ là op-amp LM324. Ưu đieơm cụa con op-amp LM324 là đ lợi khuêch đái cao (100V/mV), đin áp offset nhỏ (khoạng 2 mV) neđn ta khođng caăn phại đieău chưnh đin áp offset. [3].
Hình 3.12. Sơ đoă chađn LM324
Moơt con quad op-amp bao goăm bôn con LM324 ở beđn trong (hình 3.12) neđn mách thiêt kê sẽ nhỏ và gĩn hơn. Dịng bias rât nhỏ khoạng 45 nA, CMRR = 70dB. Với những đaịc tính này thì LM324 cũng đáp ứng tơt cho mách khuêch đái thut tốn và lĩc nhiu. Tuy nhieđn LM324 khođng đát đ chính xác baỉng AD620.
Tín hiu đin tim là tín hiu đin cĩ bieđn đ rât nhỏ (0.5 – 3mV), neđn mách khuêch đái lĩc nhiu được thiêt kê ở đađy phại cĩ đ lợi khuêch đái là 1000 đeơ đạm bạo tín hiu đin tim phù hợp với mức đin áp vào cụa b chuyeơn đoơi ADC, đieău này sẽ được trình bày rõ ở phaăn kê tiêp.
Lun vn tơt nghip Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
Hình 3.13. Khuếch đại thuật tơn.
Tređn đađy là sơ đoă mách khuêch đái thut tốn toơng quát đ lợi khuêch đái sẽ được quyêt định bởi các đin trở R1, R2, R3, R4.
+12V J2 IN1 1 - + U1A LM324 3 2 1 4 1 1 - + U1B LM324 5 6 7 4 1 1 +12V R2 10k R5 10k R6 100k 0 +12V C2 0.01uF C1 0.01uF -12V R7 100k R3 10k 0 R28 2k 0 R4 10k - + U1C LM324 10 9 8 4 1 1 J1 IN0 1 -12V -12V
Hình 3.14. Sơ đoă thiêt kê mách khuêch đái
Ta có: Vout = -(V1 – V2)(1+2R6/R28)(R5/R2) = - 101 (V1 – V2). Đađy là kêt quạ thu được tređn oscilloscope như sau:
Tín hiu vào oscilloscope là tín hiu sin được táo ra từ máy táo sĩng AG_203D cĩ bieđn đ ngõ ra khoạng 3mV, taăn sơ là 40Hz. Và kêt quạ thu được hieơn thị tređn oscilloscope là:
Hình 3.15. Tín hiu vào
Lun vn tơt nghip Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
Tín hiu ra từ taăng khuêch đái thut tốn sẽ được khuêch đái leđn 101 laăn.
Hình 3.16. Tín hiu ra ở taăng khuêch đái
Tín hiu sau khi qua b khuêch đái lĩc nhiu sẽ được khuêch đái leđn 1000 laăn, hình dưới đađy là kêt quạ thu được, tín hiu đã được lĩc nhiu cĩ bieđn đ đã được khuêch đái 1000 laăn là khoạng 3V.
c. Các yêu tơ đin trường và từ trường ạnh hưởng tới vic khuêch đái tín hiu đin tim
nh hưởng cụa đin trường 50/60Hz
Các dađy dăn đin lưới và các vt dăn đin lưới đeău sinh ra đin trường quanh nĩ. Đin trường này gađy tác đng tới máy ghi đin tim, dađy đin cực và cơ theơ bnh nhađn. Do đin áp lưới cĩ taăn sơ 50/60 Hz neđn đin trường mà nĩ sinh ra cũng biên thieđn theo taăn sô tređn. Sự bieđn thieđn này sẽ sinh ra từ trường gađy nhiu tín hiu sĩng đin tim. Đĩ là lý do vì sao ta dùng b lĩc Notch đeơ khử nhiu.
Ta cho máy phát sĩng AG_203D phát tín hiu dáng Sin cĩ bieđn đ 3mV ở taăn sơ 60Hz đeơ kieơm tra ngõ ra cụa mách khuêch đái lĩc nhiu cĩ dùng mách lĩc Notch.
Hình 3.18. Máy phát sĩng Sin AG_203D
Do cĩ sử dúng mách Notch filer neđn ở taăng sơ 60Hz ta sẽ thây bieđn đ tín hiu giạm đên mức thâp nhât.
Lun vn tơt nghip Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
Hình 3.19. Notch filter
Kêt quạ thu được như sau:
Hình 3.20. Tín hiu ra sau khi đã cho qua b lĩc Notch
-12V 0 - + LM324 10 9 8 4 1 1 0 R10 10K +12V C6 0.01uF +12V +12V J3 OUT 1 R15 10k R6 100k J2 IN1 1 R22 23.7k 1 3 2 R26 24.3 1 3 2 R24 12.1k 1 3 2 C9 0.1uF R18 10k +12V - + U1A LM324 3 2 1 4 1 1 0 - + U1B LM324 5 6 7 4 1 1 R3 10k +12V C4 10u C3 10u +12V R25 12.1k 1 3 2 0 - + U2D LM324 12 13 14 4 1 1 - + U2B LM324 5 6 7 4 1 1 C10 0.22uF 0 +12V C8 0.047uF 0 R21 226k 1 3 2 R4 10k R23 23.7k 1 3 2 C11 0.22uF 0 R28 2k - + U1D LM324 12 13 14 4 1 1 R5 10k 0 J1 IN0 1 R2 10k -12V J4 POWER SUPPLY 1 2 3 R19 10k -12V 0 0 -12V - + U2A LM324 3 2 1 4 1 1 C2 0.01uF C1 0.01uF 0 R7 100k +12V C7 0.01uF +12V -12V -12V -12V - + U1C LM324 10 9 8 4 1 1 R11 100k R20 453k 1 3 2 -12V -12V 0
Lun vn tơt nghip Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
Mách khuêch đái và lĩc nhiu sau khi đã được thiêt kê và thi cođng:
Hình 3.22. Mách khuêch đái lĩc nhiu được thiêt kê tređn thực tê
3.2.3. B chuyeơn đoơi ADC
3.2.3.1.Khái nim chung
Ngày nay vic truyeăn đát tín hiu cũng như q trình đieău khieơn và hieơn thị phaăn lớn được thực hin theo phương pháp sơ. Trong khi đĩ, các tín hiu tự nhieđn lái cĩ dáng tương tự như : nhit đ, áp suât, cường đ ánh sáng, ađm thanh... Đeơ kêt nơi giữa nguoăn tín hiu tương tự với h thơng xử lý sơ người ta thường dùng mách chuyeơn đoơi ADC (ananlog to digital converter) nhaỉm biên đoơi tín hiu tương tự (analog) sang tín hiu sơ. Trong trường hợp ngược lái caăn biên đoơi tín hiu sơ sang tương tự ta dùng các mách DAC (digital to analog converter).
3.2.3.2. Giới thiu Chip ADC0809
Linh kieơn thu thp dữ liu ADC0809 là linh kin CMOS đơn tinh theơ, cĩ mách biên đoơi tương tự sang sơ A/D (analog to digital converter), mách đa hợp 8 keđnh (8 – channel multiplexer) và mách logic đieău khieơn tương thích với b vi xử lý. Mách biên đoơi A/D 8 bit sử dúng phép xâp xư lieđn tiêp làm kỹ thut biên đoơi. Mách biên đoơi được đaịc trưng
baỉng mách so sánh, mách chia đin áp 256 đin trở cĩ cađy chuyeơn mách tương tự (analog swich tree) và thanh ghi xâp xư lieđn tiêp (successive approximation register). Mách đa hợp 8 keđnh cĩ theơ truy cp trực tiêp bât kỳ tín hiu nào trong 8 tín hiu tương tự ở ngõ vào cụa ADC0809.
Linh kin này lối bỏ các nhu caău hiu chưnh zero và tồn giai (full-scale) beđn ngồi. Tính giao din d dàng với các b vi xử lý được cung câp bởi các ngõ vào địa chư mách ghép keđnh được chơt và được giại mã, và các ngõ ra 3-tráng thái TTL được chơt.
Thiêt kê cụa ADC0809 được tơi ưu hĩa baỉng cách kêt hợp chaịt chẽ các khía cánh được ưa chung nhât cụa kỹ thut biên đoơi A/D. ADC0809 cho ta tơc đ cao, đ chính xác cao, phú thuc tơi thieơu vào nhit đ, đ chính xác và tính laịp lái trong thời gian dài rât tơt, cođng suât tieđu thú ít nhât. Với các tính chât này làm cho linh kin phù hợp lý tưởng trong các ứng dúng, từ xử lý và đieău khieơn máy mĩc đên các ứng dúng cụa người tieđu thú và các ứng dúng tự đoơng.
Sơ đoă chađn cụa ADC0809
Lun vn tơt nghieơp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
Ý nghĩa các chađn
• IN0 đên IN7 : 8 keđnh ngõ vào tương tự.
• A, B, C : ba chađn giại mã chĩn mt trong 8 ngõ vào IN0 đên IN7.
• 2-1 đên 2-8 : ngõ ra song song 8 bit.
• ALE : cho phép chơt địa chư.
• START : xung cho phép baĩt đaău q trình chuyeơn đi.
• CLK : xung clock.
• REF (+) : đin thê tham chiêu dương.
• REF ( - ) : đin thê tham chiêu ađm.
• VCC : nguoăn cung câp DC cho chip ADC hốt đng.
Các đaịc đieơm cụa ADC0809
• Chip ADC0809 cĩ đ phađn giại 8 bit.
• Có 8 ngõ thu nhn tín hiu, cho phép ta thu nhn cùng lúc các tín hiu đin tim thun tin cho vic so sánh.
• Sai sơ toơng khođng hiu chưnh là ± 1/2 LSB và 1 LSB.
ã Thi gian chuyen oi l 100às ở taăn sơ 640 kHz.
• Nguoăn cung câp VCC = +5V.
• Đin áp ở 8 keđnh ngõ vào bị giới hán trong khạng 0 đên +5V.
• Taăn sơ xung clock 10 kHz đên 1280 kHz.
• Nhit đ hốt đng -40o đên 85o.
• Cođng suât thâp khoạng 15mW.
• Khođng caăn đieău chưnh zero hoaịc tồn giai.
• Hốt đng với chuaơn đin áp 5 VDC hoaịc chuaơn đin áp được hiu chưnh theo khoạng đin áp tương tự ở ngõ vào.
• Các ngõ ra tương thích với các đaịc tính cụa mức đin áp TTL.
Câu táo cụa ADC
Hình 3.24. Sơ đoă khơi cụa ADC 0809
Các tín hiu cụa ba đáo trình chuaơn cụa sĩng đin tim sẽ ở dáng tương tự (analog)