Содержание дисциплины МПАСиК часть 2

Тема 2.3 Блоки предварительной обработки медико-биологической информации диагностических систем – 10 часов Особенности применения фильтров в медицинской аппаратуре. Виды фильтров. Основные характеристики. Порядок проектирования фильтров. Методы синтеза схем активных фильтров. Функциональные узлы для каскадного проектирования аппаратных фильтров. Фильтры высокого порядка. Типы частотных характеристик фильтров. Оптимизация многозвенных аппаратных фильтров. Адаптивные фильтры. Фильтры с переключаемыми конденсаторами. Методы синтеза аппаратных цифровых фильтров.

Тема 2.4 Диагностические комплексы и системы – 8 часов Основные блоки реоплетизмографических систем. Основные характеристики и типы амплитудных детекторов. Детекторы сильных сигналов. Искажения при детектировании медицинских сигналов. Синхронное детектирование. Прохождение сигнала и низкочастотной помехи через синхронный детектор. Структурная и принципиальная схемы синхронного детектора. Пиковое детектирование. Цифровые амплитудные детекторы.

Тема 2.5 Приборы биологической интроскопии – 10 часов Ультразвуковые диагностические системы. Доплеровские измерители скорости кровотока. Фазовые детекторы. Принципы работы основных типов фазовых детекторов. Импульсно-фазовые детекторы. Частотные детекторы. Принципы работы основных типов частотных детекторов. Преобразователи частоты. Структурная схема преобразователя частоты. Методы подавления помех. Биения. Двойное преобразование частоты. Основные схемные решения преобразователей частоты. Цифровые преобразователи частоты.

Тема 2.6 Приборы и системы для оценки физических и физико-химических свойств биологических объектов. Системы для психофизических, психофизиологических и психологических исследований – 4 часа Основные элементы систем для оценки температуры, веса и т.п. биологических объектов. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.

Тема 3 Терапевтические аппараты и системы – 4 часа Лечебные воздействия физических полей; классификация методов и средств для терапии. Основные блоки физиотерапевтических аппаратов. Генераторы сигналов лечебного воздействия. Перестраиваемые генераторы. Генераторы гетеродинного типа. Цифровые синтезаторы частот.

Тема 4 Хирургическая техника – 4 часа Применение физических полей для разрушения биологических тканей. Выходные каскады хирургических аппаратов. Аналоговые усилители мощности. Дискретные усилители мощности. Особенности усилителей мощности медицинских аппаратов. Особенности источников вторичного электропитания, используемых в медицинской аппаратуре.

Зарубежная элементная база РЭА медицинского назначения – 12 часов ( ) Особенности зарубежных операционных усилителей и схем на их основе - 4 часа Современные зарубежные микросхемы для обработки сигналов - 4 часа Современные зарубежные микросхемы аналого- цифровых и цифро-аналоговых конвертеров - 4 часа

Семинары, лабораторные работы Семинары – 8 часов (4 сем.) - расписание.расписание Преподаватели: Косоруков Артем Евгеньевич 1-3 семинары. Лепихов Павел Владимирович 4 семинар. Лабораторные работы – 18 час. (3 л.р.) – расписание Преподаватели: те же.

Контрольные мероприятия Контрольная работа 3Контрольная работа Синтез аппаратных фильтров высокого порядка медицинских диагностических приборов, систем и комплексов. Контрольная работа 4Контрольная работа Разработка формирователей воздействия для физиотерапевтических аппаратов.

Система оценок Лабораторные работы – 15 баллов. Контрольная работа 3 – 15 баллов. Контрольная работа 4 – 30 баллов. (возможен реферат) Экзамен: минимум - 20, максимум - 40 баллов. Экзаменационная оценка: «удовлетворительно» - 65 – 75 баллов. «хорошо» - 76 – 86 баллов. «отлично» - > 87 баллов.

Курсовая работа Требования к курсовой работе Преподаватели – консультанты: 1.Карпухин Валерий Анатольевич (БМТ-1);Карпухин Валерий Анатольевич (БМТ-1); 2.Косоруков Артем Евгеньевич (БМТ-1); 3.Скворцов Сергей Павлович (БМТ-1); 4.Лужнов Петр Вячеславович (БМТ-2); 5.Сергеев Игорь Константинович (БМТ-2); 6.Парашин Владимир Борисович (БМТ-2; ВНИИМП).

Блоки предварительной обработки медико- биологической информации диагностических систем

Особенности применения фильтров в медицинской аппаратуре Определение Электрическим фильтром биомедицинских сигналов – называются частотно-избирательные цепи, предназначенные для пропускания или ослабления сигналов в одном или нескольких частотных диапазонах. Назначение - Выделение спектра полезного сигнала; - Подавление помех; - Коррекция АЧХ и ФЧХ усилительных трактов диагностических и терапевтических систем.

Особенности применения фильтров в медицинской аппаратуре

Передаточная характеристика ω 0 – частота дискретизации Иногда в блок аналоговой обработки сигналов входят режекторные фильтры (подавление синфазного сигнала). Особенности применения фильтров в медицинской аппаратуре ω0ω0 ω ω

100 дБ – громко Структурная схема простейшего слухового аппарата Особенности применения фильтров в медицинской аппаратуре Построение специальных характеристик в аудиологии

Фильтры биомедицинских сигналов

Классификация фильтров

1. ФНЧ 2. ФВЧ Типы фильтров

4. ПЗФ 3. ППФ Типы фильтров

5. ВПФ Типы фильтров

Фильтры – линейные цепи - фазочастотная характеристика (ФЧХ) 1. Передаточная функция - амплитудно- частотная характеристика (АЧХ) Основные характеристики фильтров А) аналогового фильтра:

Б) цифрового фильтра 1. Передаточная функция 2. Логарифмическая передаточная функция - логарифмическая АЧХ Основные характеристики фильтров

3. Функция затухания - логарифмическая функция затухания 4. Групповое время запаздывания Основные характеристики фильтров

1. Вид АЧХ 2. Полоса пропускания (wc - 0) для ФНЧ, ФВЧ – частота среза 3. В полосе пропускания: Неравномерность (А мах – А (wc)), либо минимальный коэффициент передачи (А min), либо максимальное затухание α1 4. Полоса заграждения (w>w1) 5. В полосе заграждения: максимальный коэффициент передачи (< А мin), либо минимальное затухание α2 6. Переходная область (w1-wc) Минимальные технические требования, предъявляемые для синтеза фильтров

Формирование технических требований Получение передаточной функции аналогового фильтра- прототипа Получение передаточной функции цифрового фильтра Синтез цифрового фильтра Синтез аналогового фильтра Применение САПР фильтров Порядок проектирования аппаратных фильтров биомедицинских сигналов

Формирование технических требований Определение минимальных технических требований осуществляется на основе анализа характеристик полезного сигнала и помех на входе и выходе фильтра. Применение САПР фильтров САПР аналоговых фильтров САПР цифровых фильтров National Semiconductor Microchip MicroCAP 7 SystemView MathLab Signal Processing Toolbox Filter Design Toolbox LabView SystemView

Выбор аппроксимирующей функции АЧХ. Определение коэффициентов аппроксимирующей функции АЧХ А( ω ). Определение коэффициентов передаточной функции аналогового фильтра – прототипа Н(р). Получение передаточной функции аналогового фильтра – прототипа

Для основных типов фильтров и их комбинаций применяют функции: Баттерворта; Чебышева; Инверсные Чебышева; Эллиптические; Бесселя. Для физически реализуемых фильтров с произвольной АЧХ применяют дробно-рациональные полиномы вида: Выбор аппроксимирующей функции АЧХ

Для основных типов фильтров и их комбинаций коэффициенты определяют по справочникам. Для фильтров с произвольной АЧХ применяют следующие методы: 1. Метод интерполяции (приближение функции в заданных точках) для нахождения коэффициентов a i,b j Недостаток: Приближение с заданной точностью только в узлах ω k, между узлами функция ведет себя непредсказуемо. где - квадрат аппроксимируемой АЧХ Определение коэффициентов аппроксимирующей функции АЧХ А( ω )

2. Метод наименьших квадратов. Позволяет получить заданную точность по всему диапазону частот. Определение коэффициентов аппроксимирующей функции АЧХ А( ω )

В аппроксимирующей функции заменяют 2 = -р 2 и получают: Определение коэффициентов передаточной функции аналогового фильтра – прототипа Н(р) Для основных типов фильтров и их комбинаций коэффициенты определяют по справочникам. Для фильтров с произвольной АЧХ применяют следующие методы:

В соответствие с теоремой ТФКП Вычисляются корни числителя и знаменателя: Корни числителя и знаменателя располагаются на комплексной плоскости в квадрантной симметрии: Выбирают корни в левой полуплоскости: Определение коэффициентов передаточной функции аналогового фильтра – прототипа Н(р)

1. Имитация LC-фильтров 2. Синтез связанных фильтров 3. Каскадное проектирование Методы синтеза аналоговых фильтров биомедицинских сигналов

Гиратор – позволяет получить индуктивность с использованием RC-цепи и активного элемента. Конвертор полного отрицательного сопротивления. Имитация LC-фильтра Схема гиратора Фильтр ВЧ второго порядка

Конвертор полного отрицательного сопротивления Для Z=pL, Zin имеет ФЧХ как у емкости Имитация LC-фильтра

H1(p) H2(p) Используя многопетлевые обратные связи можно получить разные характеристики Схема Sallen&Key Связанные фильтры

Теоретические основы метода каскадного проектирования – основная теорема Алгебры (или теорема Фостера). p 0i – корни числителя – нули функции. P pj – корни знаменателя – полюса функции. Корни могут быть как действительными, так и комплексно-сопряженными. p=-σ+jω, тогда (p-p01)*(p-p01*) 1-ый порядок 2-ой порядок Каскадное проектирование фильтров

H(p)= H1(p) · H2(p) Каскадное проектирование фильтров

В зависимости от значений a1 и a0 4 вида функции H(p): Передаточные функции 1-го порядка Тип характеристики a0a0 a1a1 H(p) ФНЧ ωpωp 0 ФВЧ 01 Амплитудно- корректирующие ω0ω0 1 Всепропускающие цепи -ωp-ωp 1 Каскадное проектирование фильтров

1. ФНЧ2. ФВЧ Передаточные функции 1-го порядка

3. Амплитудно-корректирующие Передаточные функции 1-го порядка

4. ВП Передаточные функции 1-го порядка

Im P Re P Добротность Для ППФ 2-го порядка справедливо: Передаточные функции 2-го порядка

Тип характеристики a0a0 a1a1 a2a2 H(p) ФНЧ 00ωp2ωp2 ФВЧ 100 ППФ 00 Частотно- выделяющие 1ω02ω02 Частотно- заграждающие -ωp-ωp ω02ω02 Всепропускающие ωp2ωp2 Передаточные функции 2-го порядка

1. ФНЧ2. ФВЧ Передаточные функции 2-го порядка

3. ППФ4. ЧВФ Передаточные функции 2-го порядка

1. Аналоговые фильтры. Разброс значений элементов ARC-схем. Ограничение верхней границы динамического диапазона Температура. Влажность. Старение. 2. Цифровые фильтры. Ограниченная разрядность квантования входных данных. Ограниченная разрядность квантования коэффициентов. Эффекты выполнения арифметических операций: А) переполнение сумматоров; Б) усечение разрядов в умножителях. Факторы, влияющие на качество аппаратной фильтрации

1. Одномерная относительная чувствительность 2. Относительное отклонение функции При изменении значения i-го параметра При изменении значений N параметров где Х – для аналоговых фильтров значение элемента схемы, для цифровых фильтров значение коэффициента H(z) Показатели качества фильтров

3. Произведение усиления на чувствительность (ПУЧ), где A – коэффициент усиления ОУ ПУЧ Показатели качества фильтров

ФНЧ: ФВЧ: Функциональные узлы для каскадного проектирования активных фильтров Передаточные функции фильтров 1-ого порядка

Амплитудно- корректирующее звено Всепропускающая цепь Функциональные узлы для каскадного проектирования активных фильтров

Топология схемы определяется добротностью 1) Низкодобротные S - чувствительность - добротность полюса 2) Среднедобротные 3) Высокодобротные Функциональные узлы фильтров 2-ого порядка Функциональные узлы для каскадного проектирования активных фильтров

1. С положительной ОС (ПОС) 2. С отрицательной ОС (ООС) Достоинства: простота реализации, малое количество активных элементов Недостатки: высокая чувствительность к разбросу параметров элементов Низкодобротные фильтры второго порядка Функциональные узлы для каскадного проектирования активных фильтров

1.ПОС 2. ООС Достоинства: возможность регулировки Q с помощью Rq Недостатки: регулировка зависима (меняется резонансная частота ω с ) Среднедобротные фильтры второго порядка Функциональные узлы для каскадного проектирования активных фильтров

Недостаток: много элементов Достоинства: Высокодобротные фильтры второго порядка 1) Конвертер полного отрицательного сопротивления Функциональные узлы для каскадного проектирования активных фильтров

2) Фильтры с переменными параметрами ФНЧ ППФ ФВЧ OOO Высокодобротные фильтры второго порядка Функциональные узлы для каскадного проектирования активных фильтров

Достоинства: Низкая чувствительность к разбросу параметров элементов Возможность независимой регулировки частоты и добротности: Возможность независимой регулировки коэффициента передачи: Возможность получения передаточных функций: ФНЧ, ФВЧ, ППФ, ПЗФ Возможность реализации в виде дискретных фильтров: 1. SC-системы 2. БИХ-структур, с малым числом умножителей Недостатки: большое число активных элементов Высокодобротные фильтры второго порядка 2) Фильтры с переменными параметрами Функциональные узлы для каскадного проектирования активных фильтров

3) Биквадратный фильтр Функциональные узлы для каскадного проектирования активных фильтров Высокодобротные фильтры второго порядка

Достоинства: Низкая чувствительность к разбросу параметров элементов Возможность независимой регулировки частоты и добротности: Функциональные узлы для каскадного проектирования активных фильтров Высокодобротные фильтры второго порядка 3) Биквадратный фильтр Возможность независимой регулировки коэффициента передачи: Возможность реализации в виде дискретных фильтров: 1. SC-системы 2. БИХ-структур Недостатки: большое число активных элементов

Функциональные узлы для каскадного проектирования активных фильтров Взаимосвязь между коэффициентами передаточной функции и элементами принципиальной схемы Фильтр Sallen & Key (Низкодобротный, с ПОС)

Фильтры высокого порядка Баттерворта; Чебышева; Инверсные Чебышева; Эллиптические; Бесселя.

Фильтр Чебышева Фильтры высокого порядка Инверсный фильтр Чебышева

Эллиптический фильтр Фильтр Бесселя Фильтры высокого порядка

Особенности стандартных аппроксимирующих характеристик 1.Чем выше порядок фильтра, тем меньше переходная область. 2.При одинаковом порядке фильтров ширина переходной области зависит от вида аппроксимирующей функции (в порядке возрастания): Эллиптический фильтр –минимальная; Фильтр Чебышева; Инверсный фильтр Чебышева; Фильтр Баттерворта; Фильтр Бесселя - максимальная.

3.При одинаковом порядке фильтров неравномерность ФЧХ зависит от вида аппроксимирующей функции (в порядке убывания): Эллиптический фильтр –максимальная; Фильтр Чебышева; Инверсный фильтр Чебышева; Фильтр Баттерворта; Фильтр Бесселя - минимальная.

Нормирование характеристик фильтров ФНЧ 2-ого порядка (Баттерворта): - нормирование уровня. Нормирование уровня сигнала. Нормирование по частоте. - ω нормирующая. Цель нормирования – унификация характеристик фильтров.

Нормированный по уровню ФНЧ 2-ого порядка: Подстановка дает С учетом получаем Нормирование характеристик фильтров

Для нахождения характеристик ФВЧ необходимо сделать подстановку в передаточную функцию НФНЧ нормированную частоту s вида: Частотные преобразования Преобразования типа нормированный ФНЧ (НФНЧ) - ФВЧ Пример: передаточная функция НФНЧ 2-ого порядка: Подстановка дает

Преобразования типа НФНЧ - ППФ Преобразования НФНЧ – ППФ справедливы для геометрически симметричных АЧХ, у которых выполняются условия: – полоса пропускания. – центральная частота.

Для нахождения характеристик ППФ необходимо сделать подстановку в передаточную функцию НФНЧ нормированную частоту s вида: Пример: передаточная функция НФНЧ 2-ого порядка: Подстановка s дает: – полоса пропускания.

Преобразования типа НФНЧ - ПЗФ Преобразования НФНЧ – ПЗФ справедливы для геометрически симметричных АЧХ, у которых выполняются условия: – полоса заграждения. – центральная частота.

Для нахождения характеристик ПЗФ необходимо сделать подстановку в передаточную функцию НФНЧ нормированную частоту s вида: Пример: передаточная функция НФНЧ 2-ого порядка: Подстановка s дает:

Технические требования к ФВЧ, ППФ, ПЗФ Определение характеристик НФНЧ Определение коэффициентов передаточной функции НФНЧ (по таблицам) Денормирование полученного НФНЧ до ФВЧ, ППФ, ПЗФ Алгоритм синтеза передаточных функций распространенных типов фильтров

Оптимизация многозвенных аналоговых и цифровых БИХ - фильтров Пример: - ФВЧ - ФНЧ - ППФ

Задачи оптимизации фильтров высокого порядка: 1) Формирование пары «полюс-ноль». 2) Выбор оптимальной последовательности звеньев. 3) Распределение коэффициента усиления по каскадам. Критерии оптимизации фильтров высокого порядка: Обеспечение максимального динамического диапазона. Обеспечение максимального соотношения сигнал/шум. Минимизация общей чувствительности передачи. Минимизация смещения по постоянному току (для аналоговых фильтров). Упрощение методики настройки (для аналоговых фильтров).

Формирование пары «полюс-ноль» Для того чтобы получить максимальный динамический диапазон и коэффициент передачи в полосе пропускания цепи фильтра N-го порядка, полюсы и нули отдельных звеньев второго или третьего порядка должны выбираться таким образом, чтобы обеспечивалась по возможности минимальная неравномерность АЧХ каждого звена в заданном диапазоне частот.

3. Амплитудно-корректирующие Передаточные функции 1-го порядка

Формирование пары «полюс-ноль»

Вариант 1 Полюса и нули объединены сплошными линиями

Вариант 2 Полюса и нули объединены штриховыми линиями

Вариант 2Вариант 1

Выбор оптимальной последовательности звеньев

Выбор оптимальной последовательности звеньев В общем случае, необходимо соединять звенья каскадно таким образом, чтобы при сопряжении двух звеньев спектр сигнала в полосе пропускания оставался наиболее плоским. В частном случае результирующая оптимальная последовательность, обеспечивающая максимальный динамический диапазон, оказывается последовательностью, в которой добротность полюсов каскадно соединяемых звеньев второго порядка увеличивается от входа к выходу. Критерий оптимальности – максимальный динамический диапазон.

Распределение коэффициента усиления по каскадам Критерий обеспечения максимального динамического диапазона связан с формированием максимально плоской характеристики в полосе пропускания и попыткой исключить большие различия уровней сигнала отдельных каскадов фильтра. Следовательно, эта оптимизация основывается на достижении «равных средних уровней» в полосе пропускания построенной каскадно цепи.

Адаптивные фильтры АФ – адаптивный фильтр, БАС – блок анализа сигнала, БВП – блок выделения помехи, А – анализатор, СУ – схема управления. Цифровые Аналоговые Аналогово – дискретные В зависимости от схемной реализации адаптивные фильтры подразделяют на:

Цифровые адаптивные фильтры а) Одноканальный б) Двухканальный Трансверсальный фильтр Процессор КЛП ω + x=s+n Трансверсальный фильтр Процессор КЛП ω + x=s+n Переменная задержка n1n1

Аналоговые адаптивные фильтры

OTA

Аналогово - дискретные адаптивные фильтры УВХ – устройство выборки-хранения SC-цепь – switched capacitor

Адаптивные фильтры с переключаемыми конденсаторами Идеальные SC-цепи Ключи управляются парафазной последовательностью импульсов. четная последовательность нечетная последовательность

Свойства SC-элементов 1.Элемент задержки (z -1 ). Схема работает в два такта: 0-й такт – Кл1 замкнут, Кл3 разомкнут. Конденсатор С подключается ко входу, на нем запоминается напряжение U1. 1-й такт (последующий) – Кл1 разомкнут, Кл3 замкнут. На выход поступает напряжение U1 с задержкой Т.

Адаптивные фильтры с переключаемыми конденсаторами

2. Незаземленный резистивный элемент. На ключи Кл1, Кл4 подается нечетная последовательность импульсов, а на Кл2, Кл3 – четная. Схема работает в два такта: Такт 1. Кл1 и Кл4 замыкаются емкость заряжается до напряжения Заряд емкости в течение такта 1:

2. Незаземленный резистивный элемент (продолжение) Средний заряд за период : - среднее за период эквивалентное сопротивление. Такт 2. Кл1 и Кл4 размыкаются, Кл2 и Кл3 замыкаются. В результате емкость, замкнутая на землю, разряжается (Q2=0)

3. Незаземленное отрицательное сопротивление На ключи Кл1, Кл3 подается нечетная последовательность импульсов, а на Кл2, Кл4 – четная. Схема работает в два такта: Такт 1. Кл1 и Кл3 замыкаются, Кл2 и Кл4 размыкаются, емкость заряжается до напряжения U1 U1 Эквивалентная схема в такт 1 С

Такт 2. Кл1 и Кл3 размыкаются, Кл2 и Кл4 замыкаются. Точка «+U1» оказывается на земле, точка «-U1» - в точке В. Заряд конденсатора за такт 2: 3. Незаземленное отрицательное сопротивление (продолжение) U1С Эквивалентная схема в такт. Суммарный заряд конденсатора: С учетом инверсии U1 заряд конденсатора: 21 Средний ток в цепи U1 и U2: следовательно:

4. Заземленный резистивный элемент На ключи Кл1, Кл3 подается нечетная последовательность импульсов, а на Кл2, Кл4 – четная. При этом один из ключей Кл3, Кл4 замкнут, поэтому можно считать, что точка В всегда подсоединена к земле. Схема работает в два такта: 1.Кл1 замыкается, Кл2 размыкается, емкость заряжается до напряжения U1 Заряд емкости: 2. Кл1 размыкается, Кл2 замыкается. Следовательно:

Фильтры с переключаемыми конденсаторами Методы синтеза SC - фильтров Синтез во временной области х(t) – входное воздействие y(t) – реакция системы. Дискретизация сигнала: (осуществляется Z-преобразование) Синтез во временной области Метод эквивалентной замены Синтез в частотной области

Метод эквивалентной замены

1й такт. Кл1 замыкается, Кл2 размыкается, Uвых=0. Емкость С1 заряжается до Uвх. 2й такт. Кл1 размыкается, Кл2 замыкается.

Методы синтеза аппаратных цифровых БИХ фильтров Метод инвариантности импульсной характеристики аналогового фильтра - прототипа. Метод билинейного преобразования. Метод инвариантности импульсной характеристики аналогового фильтра - прототипа Метод исторически является одним из первых методов синтеза БИХ-фильтров, использующих прямую дискретизацию ИХ аналогового фильтра. Под инвариантностью импульсной характеристики понимается равенство отсчетов ИХ цифрового фильтра отсчетам ИХ аналогового фильтра, взятым с периодом дискретизации Т.

Метод инвариантности импульсной характеристики аналогового фильтра - прототипа

Метод инвариантности импульсной характеристики аналогового фильтра - прототипа Получение передаточной функции цифрового БИХ фильтра Известна тогда ИХ Представим Ак – коэффициенты разложения при к – ом полюсе. Так как

Дискретизированная ИХ: следовательно:

Для комплексно - сопряженных корней H(z-1) имеет вид:

Метод инвариантности импульсной характеристики аналогового фильтра - прототипа 1.Соотношение между комплексными переменными z и p: что приводит к равенству аналоговых и цифровых частот в диапазоне: - 2. Комплексная частотная характеристика ЦФ носит периодический характер, что приводит к эффекту наложения спектров. Свойства БИХ фильтров, синтезируемых данным методом:

4. Нули передаточной функции аналогового фильтра - прототипа отображаются иначе нежели полюса, следовательно возникают искажения АЧХ цифрового фильтра. Свойство оптимальности фильтра не сохраняется. 5. Нельзя синтезировать цифровые фильтры верхних частот, режекторные, а также широкополосные вследствие присущего методу эффекта наложения. 3. Если аналоговый фильтр - прототип устойчив, то устойчив и соответствующий ему цифровой фильтр.

Метод инвариантности импульсной характеристики аналогового фильтра - прототипа Формирование технических требований Получение передаточной функции аналогового фильтра- прототипа Разложение передаточной функции аналогового фильтра- прототипа на простейшие дроби Получение импульсной характеристики аналогового фильтра- прототипа Получение передаточной функции цифрового БИХ - фильтра

Метод билинейного преобразования Билинейное Z-преобразование Из соотношениявыразим Представим In z рядом Тейлора Ограничимся первым членом: Передаточная функция цифрового фильтра H(z) получается из передаточной функции аналогового фильтра Н(p) применением замены Преобразование представляет собой дробно-рациональную функцию первого порядка и называется билинейным Z-преобразованием.

Пример: подстановка дает

Свойства билинейного Z-преобразования 1.Билинейное Z-преобразование обеспечивает однозначное отображение р-плоскости на z-плоскость. 2. Цифровой фильтр устойчив, если устойчив его аналоговый прототип, поскольку полюсы последнего лежат в левой p-полуплоскости, отображаемой внутрь единичного круга z-плоскости. 3. В цифровой области сохраняются свойства оптимальности аналогового прототипа вследствие однозначности отображения частотной оси в единичную окружность, что исключает эффект наложения. 4. Соотношение между аналоговыми и цифровыми частотами нелинейно:

5.Порядок цифрового фильтра равен порядку аналогового прототипа, т. е. количество их полюсов одинаково. 6.Деформация шкалы частот означает, что рассматриваемый метод пригоден лишь в тех случаях, когда АЧХ фильтра- прототипа является ступенчатой функцией частоты, что типично для частотно-избирательных фильтров (НЧ, ВЧ, ПФ. РФ); не пригоден для синтеза фильтров с линейной ФЧХ, хотя бы прототип обладает таким свойством, а также для сохранения импульсной характеристики прототипа; т. е. ни фазочастотная, ни импульсная характеристики аналогового прототипа не сохраняются.

Порядок синтеза ЦФ при билинейном Z – преобразовании 1. Задаются требования к цифровому фильтру с указанием типа аппроксимации АЧХ. 2. Формулируются требования к аналоговому прототипу: пересчитываются граничные частоты цифрового фильтра в граничные частоты прототипа по формуле оставляются без изменения допустимые отклонения в полосе пропускания и в полосе задерживания; сохраняется заданный тип аппроксимации АЧХ.

Порядок синтеза ЦФ при билинейном Z – преобразовании

3. Рассчитывается передаточная функция аналогового фильтра – прототипа. 4. Осуществляется разбиение передаточной функции на звенья и их оптимизация. 5.Выполняется билинейное Z – преобразование передаточных функций каждого звена. 6.Для каждого звена, во избежание переполнения его сумматора, рассчитывается коэффициент масштабирования по следующему правилу, учитывающему характеристики предыдущих звеньев: на частоте резонанса 1 первого звена вычисляется значение его денормированной АЧХ μkμk

величина μ1 является коэффициентом масштабирования включаемым на входе первого звена на частоте резонанса 2 второго звена вычисляется значение его денормированной АЧХ коэффициент масштабирования, включаемым на входе второго звена

алгоритм повторяется для всех последующих к-х (к = 3,4,..., К/2) звеньев в предположении подачи на вход фильтра гармонического сигнала с частотой, равной резонансной частоте к-го звена; для последнего звена коэффициент масштабирования рассчитывается по формуле (М = К/2) для уменьшения количества умножителей коэффициент масштабирования k-ro звена вносится в предыдущее (k-1)- e звено, в связи с чем пересчитываются коэффициенты числителей звеньев, составляющих фильтр; коэффициенты масштабирования первого и второго звеньев учитываются в числителе первого звена

Структуры рекурсивных дискретных систем Прямая структура 2-го порядка.

Каноническая прямая структура 2-го порядка 1

Каноническая прямая структура 2-го порядка 2

Каноническая прямая структура 2-го порядка 3

Структурная схема ЦФНЧ 2-го порядка Билинейное преобразование дает:

Диагностические комплексы и системы

Методы измерения кровотока и объема крови Методы измерения кровотока Неинвазивные Плетизмография Окклюзионная Импедансная Расходометрия Электромагнитная Ультразвуковая Инвазивные Метод разведения непрерывно- инфузируемого индикатора Метод Фика Метод разведения болюса индикатора

Метод импедансной плетизмографии Допущения: 1.Расширение артерий однородно. 2.Уд. сопротивление крови постоянно. 3.Ток протекает по артериям.

Недостатки биполярного метода: 1.Плотность тока вблизи электродов выше, чем в других тканях. 2.Пульсации объема крови вызывают изменения импеданса электрод-кожа. 3.Низкая точность расчета изменения объема Метод импедансной плетизмографии. Тетраполярный метод

Структурная схема реоплетизмографической АМС ЗГ ИТ ТР БО ТЭ1 ТЭ2 ИЭ1 ИЭ2 ИУ СДФНЧ БУ АЦП БГР МП МК М ПЛВС ИП

ЗГ – задающий генератор; ИТ – источник тока; ТР – трансформатор; ТЭ – токовые электроды; ИЭ – измерительные электроды; БО – биологический объект; ИУ – инструментальный усилитель; СД – синхронный детектор; ФНЧ – фильтр нижних частот; БУ – буферный усилитель; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; МК – микроконтроллер; БГР – блок гальванической развязки; МП – микропроцессор; М – монитор; П – принтер; ЛВС – локальная вычислительная сеть; ИП – источник питания.

Основные технические требования: Форма выходного сигнала ИТ – синусоидальная; Амплитуда выходного тока, не более 2 мА; Относительная нестабильность амплитуды выходного тока, не более 0.1% Частота выходного тока кГц; Относительная нестабильность частоты выходного тока, не более 1%; Модуль выходного импеданса ИТ на рабочей частоте, не менее 100 кОм; Диапазон измерения модуля базового импеданса на рабочей частоте 1…1000 Ом ± 0.1 Ом; Относительная погрешность измерения переменного импеданса, не более 0.1%; Модуль входного импеданса измерительного преобразователя импеданса на рабочей частоте, не менее 1 МОм; Полоса пропускания измерительного преобразователя импеданса, не менее 70 Гц; Неравномерность в полосе пропускания измерительного преобразователя импеданса, не более 3 дБ;

Амплитудные детекторы биосигналов U m0 –амплитуда несущей w-несущая частота m- глубина модуляции mU m0 - амплитуда огибающей - частота огибающей АМ - колебание

Основные характеристики амплитудных детекторов 1) Коэффициент передачи 2) Входная проводимость 3) Коэффициент гармоник 4) Коэффициент частотных искажений

Типы амплитудных детекторов Диодные Транзисторные Алгоритмические (цифровые) Диодные детекторы

Транзисторные детекторы Типы транзисторных детекторов: 1) Базовый; 2) Коллекторно-базовый;3) Эммитерный Базовый (коллекторно-базовый) транзисторный детектор Достоинства: Кu>1

Входная характеристика в базовом детекторе Проходная характеристика в коллекторно-базовом детекторе

Эммитерный транзисторный детектор Достоинства: 1) Большое входное сопротивление 2) Малое выходное сопротивление 3) Позволяет усилить по току

Амплитудные детекторы биосигналов Теория детектирования сильных сигналов Коэффициент передачи амплитудного детектора. Входная проводимость амплитудного диодного детектора. Искажения при диодном детектировании сильных сигналов. 1.Влияние инерционных свойств нагрузки. 2.Влияние напряжения открывания диода. 3.Искажения, обусловленные разделительной емкостью.

Практические схемы амплитудных детекторов Однополупериодная схема

Двухполупериодная схема

Принцип работы основан на умножении амплитудно- модулированного сигнала на опорный сигнал с той же несущей частотой и фазой. Синхронное детектирование

при наличии аддитивной помехи

Схемная реализация синхронного детектора на основе перемножителя Импульсный синхронный детектор

Принцип работы импульсного синхронного детектора В момент t1 открывается ключ1 и напряжение, соответствующее сумме сигнала и помехи, запоминается на конденсаторе С1 (Um+Un) В момент t2 открывается ключ 2. На конденсаторе С2 запоминается напряжение, которое соответствует (-Um+Un). Выходное напряжение синхронного детектора: Еслито U вых =2K Um.

Пиковое детектирование

Схемы пиковых детекторов Недостатки: Большое напряжение смещения Низкое быстродействие

Цифровые детекторы Корреляционный детектор

Цифровые детекторы Квадратурный детектор Особенностью данного алгоритма является отсутствие фильтра нижних частот, что повышает скорость обработки АМ – сигнала.

Приборы биологической интроскопии

Ультразвуковые диагностические системы

УВЧСМ1 УНЧ1ПФ1ЧД1 ФНЧ УНЧ2ГРПР ИЗЛУН ЗГИПБР Непрерывный доплеровский ультразвуковой измеритель скорости кровотока. Структурная схема

- круговая частота задающего генератора - фазовый сдвиг

Непрерывный доплеровский ультразвуковой измеритель скорости кровотока Недостатки: Невозможность получения информации о направлении кровотока. Отсутствует пространственное разрешение. Непрерывный доплеровский ультразвуковой измеритель скорости кровотока c частотным разделением

УВЧ ПФ1 ПФ2 СМ1 СМ2 УНЧ1 УНЧ2 ПФ3 ПФ4 ЧД1 ЧД2 СУ К1 К2 УНЧ3 ЛС И ГР ПР ИЗЛУН ЗГИПБР Непрерывный доплеровский ультразвуковой измеритель скорости кровотока c частотным разделением

Непрерывный доплеровский ультразвуковой измеритель скорости кровотока c квадратурным анализатором УВЧ ПГ СМ1 СМ2 УНЧ1 УНЧ2 ПФ1 ПФ2 ЧД1 ФД ФНЧ К УНЧ3 ЛС И ГР ПР ИЗЛ УН ЗГ ИП БР Sin ω 0 t Cos ω 0 t U1 U2

Импульсный доплеровский ультразвуковой измеритель скорости кровотока УВЧ ПГ СМ1 СМ2 УНЧ1 УНЧ2 ПФ1 ПФ2 ЧД1 ФД УНЧ3 ЛС И ГР Знд ГГС АИМГИИПБР Sin ω 0 t Cos ω 0 t БЗ U3 U4 U5 U8 U2

Импульсный доплеровский ультразвуковой измеритель скорости кровотока Временные диаграммы

Ультразвуковая диагностическая АМС

Основные функциональные узлы ультразвуковых диагностических АМС Пьезокерамические электроакустические преобразователи (ПЭАП); Усилители высокой частоты (УВЧ); Фильтры; Усилители низкой частоты (УНЧ); Фазовые детекторы (ФД); Частотные детекторы (ЧД); Смесители (преобразователи частоты); Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП); Аналого-цифровые преобразователи (АЦП); Генераторы.

Фазовые детекторы биосигналов Фазовые детекторы предназначены для преобразования фазо-модулированных сигналов в напряжение пропорционально закону модуляции. Принцип работы фазового детектора основан на умножении полезного сигнала на опорный сигнал с той же несущей частотой и фазой. частота полезного сигнала индекс угловой модуляции фазомодулированный сигнал закон изменения фазы сигнала девиация (изменение) частоты из-за изменения фазы сигнала

После перемножения и фильтрации в фильтре нижних частот. Получается Основные характеристики фазового детектора: 1. Детекторная характеристика 2. Крутизна 3. Коэффициент передачи Фазовые детекторы биосигналов

Типы фазовых детекторов 1. Векторомерные фазовые детекторы. 2. Перемножающие фазовые детекторы. 3. Импульсно-фазовые детекторы. 4. Цифровые фазовые детекторы. Векторомерные фазовые детекторы Фазовые детекторы биосигналов

Перемножающие фазовые детекторы – входной сигнал, После ФНЧ,,,,,,,..

Достоинства схемы: 1.Схема позволяет получить высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала. 2. Схема позволяет работать с сигналами произвольной формы. Перемножающие фазовые детекторы

Импульсно-фазовые детекторы Этапы детектирования: 1)Преобразование сдвига фазы в длительность импульса 2)Преобразование длительности импульса в напряжение

Импульсно-фазовый детектор на RS триггере. RSQ 00Q * Импульсно-фазовые детекторы

Длительность импульса пропорциональна сдвигу фаз. Достоинства: – линейная зависимость После фильтра нижних частот Детекторная характеристика Крутизна S=const Импульсно-фазовые детекторы

Импульсно-фазовый детектор на элементе «исключающее ИЛИ» Таблица истинности X1X2Y Схема работает с импульсами со скважностью 2 (меандром) Детекторная характеристика. Импульсно-фазовые детекторы

Импульсно-фазовый детектор с устройством выборка-хранение Импульсно-фазовые детекторы

Исходное состояние: ключ Кл2 замкнут, Кл1 – разомкнут. С приходом импульса U1 Кл2 размыкается и начинается заряд С1 С приходом импульса U2 происходит замыкание ключа Кл1 После окончания импульса U2 ключ Кл1 размыкается. Как только Uc1>Uоп, то ключ Кл2 замыкается, происходит разряд С1.

Цифровые фазовые детекторы (ЦФД) Цифровой фазовый детектор на основе прямого счета. Принцип работы заключается в том, что сдвиг фаз преобразуется непосредственно в цифровой код (цк): Δφцк G – кварцевый генератор; СЧ – счетчик; ФФВ - формирователь фаза-время. Uсч Импульсно-фазовые детекторы

Недостаток: Сложность получения высокой точности определения сдвига фаз на высоких частотах. Для f = 100 кГц, Т = 10 мкс, тогда для точности измерения 1˚: частота заполнения должна быть не менее 360/(10 мкс) = 36 МГц. Достоинства: Фаза может быть определена за один период колебаний. Отсутствует АЦП. Импульсно-фазовые детекторы

Алгоритмические ЦФД Позволяют реализовать принцип измерения фазового сдвига с помощью микропроцессорных устройств. Прямой алгоритм заключается в перемножении двух сигналов с последующей фильтрацией: Uвых = KU1U2[cosφ(t) + cos(2ωt + φ(t) )]

Структурная схема алгоритмического цифрового ФД: АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЦП – цифровой перемножитель; ЦФНЧ – цифровой ФНЧ; ЦН – цифровой нормирователь; arccos – функциональный преобразователь. Алгоритмический ЦФД на основе прямого алгоритма Импульсно-фазовые детекторы

Корелляционный цифровой фазовый детектор где K1,2 – коэффициент взаимной корелляции; Принцип работы корелляционного ЦФД основан на соотношении: D1,D2 – дисперсии сигналов. Импульсно-фазовые детекторы,

Корелляционный цифровой фазовый детектор Структурная схема корелляционного фазового детектора: Х – цифровые перемножители; НС – накапливающий сумматор; a/b – делитель; ФП – функциональный преобразователь. Импульсно-фазовые детекторы

Ортогональный ЦФД Импульсно-фазовые детекторы

Частотные детекторы биосигналов Частотные детекторы предназначены для преобразования ЧМ-сигнала в напряжение, пропорциональное закону модуляции. Частотная модуляция - разновидность угловой модуляции. - частота изменяется по гармоническому закону - девиация частоты где - модулированная фаза,,

Типы частотных детекторов 1) Частотно-амплитудные детекторы. Преобразовывают ЧМ - сигнал в АМ – сигнал, с последующим АМ – детектированием. 2) Частотно-фазовый детектор. Преобразование в два этапа: ЧМ - ФМ - фазовое детектирование 3) Частотно-импульсный детектор. Работает с импульсными двухуровневыми сигналами. 4) Цифровые ЧД или алгоритмические. Частотные детекторы биосигналов

Основные характеристики ЧД 1) Детекторная характеристика 2) Нормированная детекторная характеристика ψ(ξ) – безразмерная характеристика. В качестве переменной используется обобщенная расстройка (ξ) 3) Крутизна ЧД Частотные детекторы биосигналов

Одноконтурный частотно-амплитудный детектор Нормированная детекторная характеристика,где - обобщенная расстройка контура - относительная расстройка контура R1R1 R2R2 L1L1 CH CH C1 C1 RHRH R3 R3 Частотные детекторы биосигналов

ЧД со взаимно-расстроенными контурами

Нормированная детекторная характеристика ЧД со взаимно-расстроенными контурами. Максимальная линейность нормированной детекторной характеристикив рабочей зоне (вблизи f0) достигается при условии равенства полоспропускания обоих контуров: Следовательно Частотные детекторы биосигналов,,.

Частотный - фазовый детектор со связанными контурами При условии Эквивалентная схема ЧД со связанными контурами Частотные детекторы биосигналов

Частотно - фазовый детектор со связанными контурами. Принцип работы Частотные детекторы биосигналов Частотная модуляция отсутствует f=f0. Напряжение U1 создает в индуктивности L1 ток I1, который отстает по фазе от U1 на π/2. Ток в L1 формирует в индуктивности L2 ЭДС самоиндукции

Частотные детекторы биосигналов Проводимость контура равна но на частоте f=f0 Поэтому ток I2 совпадает по фазе с Е2. Во вторичной обмотке ток I2 наводит на индуктивности L2 напряжение U2, которое опережает ток I2 на π/2. U2 относительно земли делится пополам +U2/2 и -U2/2 и геометрически складывается с U1. Uвых=Uвых1 - Uвых2=0

Частотно - фазовый детектор со связанными контурами Принцип работы Частотная модуляция присутствует f< f0. Проводимость контура на частоте f < f0 равна Поэтому I2 отличается по фазе от Е2 на угол Напряжение U2 приобретает тот же сдвиг фазы с током I1. Геометрическое сложение U1 и U2 приводит к изменению соотношения Uд1 и Uд2. Следовательно Uвых=Uвых1 - Uвых2 < 0 Частотные детекторы биосигналов

Нормированная детекторная характеристика где β=0,5…1,5,,,.

Частотно - фазовый интегральный детектор УО – усилитель ограничитель, ИФД – импульсный фазовый детектор - сдвиг фаз пропорционален частоте. Элемент задержки – набор инверторов, у каждого из которых свое время запаздывания. Частотные детекторы биосигналов

Частотно - импульсные детекторы ФС – формирователь сигнала (U1), ДЦ – дифференцирующая цепь (U2), УО – усилитель ограничитель (U3), ФНЧ – фильтр НЧ ЖМВ – ждущий мультивибратор Частотные детекторы биосигналов

Цифровые частотные детекторы Импульсно-счетный детектор ФИ U1 U2 КГ – кварцевый генератор, ФСИВ – формирователь стабильного интервала времени (U1), ФИ – формирователь импульсов (U2), Сч – счетчик. Достоинство-отсутствие АЦП (ЦЧД реализуется в ПЛИС) U3 Частотные детекторы биосигналов

Алгоритмический частотный детектор с дифференциатором ЦФНЧ Алгоритм работы: H(z) = 1 – Z -1, U3 U2 U4 Частотные детекторы биосигналов

Квадратурные цифровые частотные детекторы 1) Аналоговый алгоритм 2) Цифровой алгоритм Квадратурный цифровой частотный детектор, реализующий аналоговый алгоритм. Частотные детекторы биосигналов

Напряжение после АЦП: Вычитание: Алгоритм является линейным, только при набольших девиациях частоты. Квадратурный ЦЧД, реализующий аналоговый алгоритм Частотные детекторы биосигналов Преобразователь Гильберта: Дифференцирование: Перемножение:

Квадратурный ЦЧД, реализующий цифровой алгоритм )12( 2 )1()]1()()1()([][ kT nUnUnUnUhU k вых Частотные детекторы биосигналов

Преобразователь частоты биосигналов - устройство, осуществляющее линейный перенос спектра биосигналов из одного частотного диапазона в другой. Принцип работы преобразователя частототы биосигналов основан на перемножении напряжения полезного сигнала и напряжения опорного генератора (гетеродина), работающего на частоте, отличной от частоты полезного сигнала. f f пр СМ U вх Г U вых при условии, что начальные фазы равны нулю. Преобразователи частоты биосигналов

Математическая модель преобразователя частоты - обратное преобразование - прямое преобразование Преобразователи частоты биосигналов

где - средняя входная проводимость за период. - проводимость обратной связи, где Sk-крутизна k-ой гармоники. - средняя за период выходная проводимость Математическая модель преобразователя частоты Эквивалентная схема преобразователя частоты k – коэффициент преобразования. Преобразователи частоты биосигналов

Основные характеристики преобразователя частоты 1. Коэффициент передачи. 2. Входная проводимость. Преобразователи частоты биосигналов,,

Частотный спектр преобразователя частоты Дополнительные каналы прохождения сигнала 1. Зеркальный канал Для k=1 Преобразователи частоты биосигналов

Дополнительные каналы прохождения сигнала Частотный спектр преобразователя частоты Преобразователи частоты биосигналов

Эффект инверсии спектра 1.> 2.> Преобразователи частоты биосигналов

Дополнительные каналы прохождения сигнала Частотный спектр преобразователя частоты Для k > 1 Преобразователи частоты биосигналов,

Дополнительные каналы прохождения сигнала Частотный спектр преобразователя частоты

Дополнительные каналы прохождения сигнала Методы ослабления дополнительных каналов прохождения 1. Фильтрация 2. Компенсация Метод фильтрации зеркального канала Преобразователи частоты биосигналов

f f пр СМ Ф1Ф2 Г Метод фильтрации зеркального канала Структурная схема преобразователя частоты, реализующая метод фильтрации. Ф1- для подавления Ф2- для подавления соседних частот (Обычно ППФ) Преобразователи частоты биосигналов

Метод компенсации зеркального канала Структурная схема преобразователя частоты, реализующая метод компенсации. Uвых = ? (самостоятельно для случаев wc>wг; wc

Двойное преобразование частоты Используется при переносе спектра полезного сигнала в диапазон частот, отличающийся в 10 3 … 10 6 раз от частоты полезного сигнала. Преобразователи частоты биосигналов

Аппаратная реализация преобразователей частоты Диапазон СВЧ-КВЧ: диодные преобразователи. Диапазон СВЧ-ВЧ: транзисторные преобразователи. Диапазон ВЧ-НЧ: цифровые преобразователи. Диодные преобразователи частоты C1, L1 – фильтр, настроенный на частоту полезного сигнала. VD1, VD2 выполняют функцию балансного смесителя. L2,C2–2-й фильтр, настроенный на промежуточную частоту.

Диодные преобразователи частоты Резистивные преобразователи. Емкостные преобразователи. Преобразователи частоты биосигналов

Резистивные диодные преобразователи частоты (РДПЧ) 1. Коэффициент передачи РДПЧ:, где Для оптимально согласованного РДПЧ, где g 1 – проводимость источника, g 2 – проводимость нагрузки. 2. Входная проводимость РДПЧ: Преобразователи частоты биосигналов

Емкостные диодные преобразователи частоты (ЕДПЧ) 1. Коэффициент передачи ЕДПЧ: На частоте ω пр Для оптимально согласованного ЕДПЧ, где Преобразователи частоты биосигналов

2. Входная проводимость ЕДПЧ: «+» - неинвертирующий ЕДПЧ; «-» - инвертирующий ЕДПЧ. Достоинства: Низкий уровень шума ЕДПЧ. Ненвертирующий ЕДПЧ – при f пр > f c нерегенеративный параметрический усилитель (ПУ). Инвертирующий ЕДПЧ – при g вх < 0 регенеративный ПУ.

Транзисторные преобразователи частоты Недостаток: большие интермодуляционные искажения. Преобразователи частоты биосигналов,,

Аналоговые смесители Преобразователи частоты биосигналов High-Performance Active Mixer Broadband Operation to 2.5 GHz Conversion Gain: 7.1 dB 50 Ω LO Input Impedance Single-Supply Operation: 5 50 mA Typical Power-Down 20μA Typical

Цифровые преобразователи частоты (ЦПЧ) ЦПЧ вещественных сигналов. ЦПЧ комплексных сигналов. АЦП ЦСЧ Uвх ЦФ Zвых ЦСЧ – цифровой синтезатор частоты. ЦФ – цифровой фильтр. Преобразователи частоты биосигналов

Цифровой квадратурный преобразователь частоты вещественного сигнала ЦКГО ЦП FтFт X[n] V1[n] V2[n] Y1[n] Y2[n] ЦКГО – цифровой квадратурный генератор отсчетов. ЦП – цифровой перемножитель. Fт – тактовая частота, X[n] – вещественный цифровой сигнал. Y[n] = X[n]* V[n] V[n] = e jwгnT e jwгnT = cos (w г nT)+ j*sin (w г nT) = V1[n] + jV2[n] Y[n] = Y1[n] + jY2[n] Преобразователи частоты биосигналов

Цифровой квадратурный преобразователь частоты комплексного сигнала ПГ КЦ СЧ U[n] Σ Σ X2[n] X1[n] Y1[n] Y2[n] ПГ – преобразователь Гильберта КЦСЧ –квадратурный цифровой синтезатор частоты. Y1 = ωг – ωс Y2= ωг + ωс Преобразователи частоты биосигналов

AD9860/AD9862 Смешанно- сигнальный предварительной обработки (MxFE) процессор для широкополосной связи Преобразователи частоты биосигналов

Приборы и системы для оценки физических и физико- химических свойств биологических объектов. Системы для психофизических, психофизиологических и психологических исследований

Методы компьютерной томографии и их применение Воздействие и метод Физический характер изображения Применение Рентгеновское излучение Рентгеновская компьютерная томография (РКТ) Коэффициент ослабления рентгеновского излучения РКТ применяют для диагностики, планирования хирургии и лучевой терапии Гамма-излучение Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОЭКТ) Концентрация вещества меченного радиоактивным изотопом ОЭКТ применяется для целей функциональной диагностики Позитронное излучение Позитронная двухфотонная эмиссионная компьютерная томография (ПЭКТ) Концентрация вещества, меченного позитронами ПЭКТ применяется для функциональной диагностики Компьютерная томография на основе ядерного магнитного резонанса (МР- томография) Протонная плотность время релаксации МРТ применяется для общей и специальной диагностики Томографы

Методы компьютерной томографии и их применение Воздействие и метод Физический характер изображения Применение Ультразвук Ультразвуковая компьютерная томография (УКТ) Акустическое сопротивление сечения рассеяния, поглощения Трансмиссионная УКТ проходит клинические испытания Созданы экспериментальные образцы Тяжелые частицы (ионы а- частицы протоны и тд) Объемное распределение температуры На стадии эксперимента Инфракрасное излучение Ослабление СВЧ излучения органами и тканями Экспериментальные данные о применении ИК- томографии в маммологии СВЧ-излучение Распределение диэлектрической проницаемости и проводимости Появились идеи технической реализации метода КТ - импедансометрия Двухмерное распределение электрического сопротивления Картирование мозга, сердца, клиническая апробация, созданы экспериментальные системы МагнитометрияСверхслабые магнитные поля Экспериментальные образцы Томографы

КритерийКТМРТ Диапазон ЭМИРентгеновское излучениеРадиочастотный диапазон Отрицательный эффект ЭМИИонизация молекул тканей (–) Не выявлено (+) Скан срезыПреимущественно поперечные срезы (–) Срезы любой ориентации (+) Наличие механических частейВращающаяся рентгеновская трубка (–) Отсутствуют (+) Получение трехмерных изображений Возможно с помощью спец. методов реконструкции, а также спирального сканирования (+/–) Возможна, т.к. трехмерность заложена в основе метода (+) Сравнение компьютерной и магниторезонансной томографии Томографы

Сравнение компьютерной и магниторезонансной томографии КритерийКТМРТ Время получения срезаСравнительно быстрое (менее 1 сек./срез). Ограничено техническими возможностями системы (+) Длительное. Ограничено временем релаксации спина (–) Возможность химического анализа Отсутствует (–) Присутствует (+) Контраст однородных по плотности тканей Низкий (–) Высокий (+) Ограничение на применениеИонизация излучения (–) Металлические имплантаты (–) Комфортность диагностики для пациента Относительно высокая, т.к. гентри неглубокое (+) Относительно низкая, т.к. гентри глубокое (–) Стоимость приобретенияВысокая (–/+) Очень высокая (–) Стоимость эксплуатацииСредняя (+) Высокая (–) Томографы

M0 B0 Частота прецессии: = 0, где B0 -напряженность магнитного поля; -гиромагнитная постоянная,которая для протонов равна Мгц/Тесла Физические основы МРТ B1 B1 B0 M0 =90 x 0 y Характерное время возврата MZ к равновесному значению называется временем спин-решеточной релаксации (T1). Mz = Mo (1 – e-t/T1) Время спин-решетчатой релаксации характеризует процесс передачи энергии от спиновой системы к атомной решетке. Характерное время уменьшения поперечной намагниченности: M XY =M XYo e -t/T2 T2 - спин-спиновое время релаксации Магнитно-резонансный томограф (МРТ)

Физические основы МРТ Магнитно-резонансный томограф (МРТ)

Принцип действия ЯМР-томографа: а – магнитные моменты протонов в однородном магнитном поле Н0 и ВЧ-передатчик для создания ВЧ- поля, отклоняющего спины протонов; б – прецессия спина протона после возбуждения ВЧ- полем вокруг направления магнитного поля; в – возвращение спина протона в первоначальное направление с излучением ЯМР-сигнала, регистрируемого детектирующей системой.

Принципы кодирования ЯМР-изображений Последовательность импульсов для выделения исследуемого слоя (РЧ-импульс в виде sinc ) Магнитно-резонансный томограф (МРТ)

магнит градиентная обмотка РЧ обмотка стол пациента усилитель градиентной катушки программатор градиентных импульсов компьютер детектор РЧ- импульсов АЦП усилитель РЧ- импульсов формирователь РЧ-импульсов Защитный экран Магнитно-резонансный томограф (МРТ)

2. Поверхностная катушка1. Соленоидальная катушка 3. Катушка типа «птичья клетка» (для отображения головного мозга и головы) Магнитно-резонансный томограф (МРТ)

Структурная схема формирователя импульсов МРТ ЦП ЦАП1 ЦАП2ЦАП3 ЦАП4МУМВЧ ЦСЧАЦП ФНЧУНЧДУВЧ УМ1УМ2УМ3 XYZ К градиентным катушкам К передающим катушкам От принимающих катушек Магнитно-резонансный томограф (МРТ)

Классификация ЦАП Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Основные характеристики ЦАП Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) Разрешающая способность - приращение Uвых при преобразовании смежных значений Dj. Шаг квантования h=Uпш/(2 N-1 ), где Uпш - максимальное выходное напряжение ЦАП (напряжение полной шкалы), N - разрядность ЦАП.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) Статические параметры Погрешность полной шкалы - относительная разностьмежду реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля. Погрешность смещения нуля - значение Uвых, когда входной код ЦАП равен нулю.

Основные характеристики ЦАП Статические параметры Нелинейность - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования Uвых(D) от оптимальной (линия 2 на рис.). Дифференциальная нелинейность - максимальное изменение (с учетом знака) отклонения реальной характеристики преобразования Uвых(D) от оптимальной при переходе от одного значения входного кода к другому смежному значению. Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Динамические параметры Основные характеристики ЦАП Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Время установления - интервал времени от момента изменения входного кода t=0 до момента, когда в последний раз выполняется равенство причем d/2 обычно соответствует ЕМР. Скорость нарастания - максимальная скорость изменения Uвых(t) во время переходного процесса. Выбросы (glitch) - крутые короткие всплески или провалы в выходном напряжении, возникающие во время смены значений выходного кода за счет несинхронности размыкания и замыкания аналоговых ключей в разных разрядах ЦАП.

Структуры ЦАП Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Структуры ЦАП Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) Рис.5 Построение ступени матрицы постоянного импеданса

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

x1x1x2Y1Y2Y Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Интерполирующий ЦАП Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Сигма-дельта ЦАП Сигма-дельта модулятор Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Сигма-дельта ЦАП Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) Рис.1 интерполяция входного сигнала фильтром Входной сигнал фильтра Добавление промежуточных отсчетов Выходной сигнал фильтра

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) Рис.6 Спектр выходного сигнала сигма-дельта ЦАП

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) АЦП для приложений цифровой обработки сигналов (ЦОС) базируются на пяти основных архитектурах: АЦП параллельной обработки (flash); АЦП последовательного приближения; АЦП конвейерной обработки (pipelined); Сигма-дельта АЦП; АЦП последовательного счета (Bit-Per-Stage). Основные характеристики АЦП

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) Резюме ΣΔ АЦП работает в режиме избыточной дискретизации. В этом режиме простые аналоговые фильтры ΣΔ-модулятора формируют кривую распределения шума квантования таким образом, что отношение сигнал/шум (SNR) в заданной полосе пропускания намного больше, чем в других случаях. Благодаря использованию высококачественных цифровых фильтров и дециматора, производится подавление шума за пределами требуемой полосы пропускания. Избыточная дискретизация имеет дополнительный плюс, понижая требования к ФНЧ, применяемому для подавления эффекта наложения спектра. Поскольку основой АЦП является одноразрядный компаратор, применяемая методика является принципиально линейной.