Электрокардиограф

     Алгоритм  настройки AD7714 и считывания с нее информации изображен на рис. 7. Как следует из рисунка, вначале микросхему нужно настроить соответствующим образом, задав аналоговые входы, сигнал с которых будет оцифровываться, режим калибровки, коэффициент усиления внутреннего усилителя, частоту среза цифрового фильтра, входной  диапазон (биполярный или униполярный), разрядность считываемого результата (16 или 24 бита), режимы потребления, включения/выключения цифрового фильтра и проверки работоспособности преобразователя. Это осуществляется тремя последовательными цикла ми записи соответствующей информации в верхний регистр и нижний регистры фильтра и регистр режима. Настройка AD7714 представляет собой шесть последовательных циклов записи. После этого возможно считывание информации.

Рисунок 5. Функциональная блок-схема AD7714

Рисунок 6. Обозначение выводов AD7714

Рисунок 7. Алгоритм считывания и настройки  AD7714

3.5. БЛОК МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

     Работа  системы организуется микроконтроллером DD2, который вначале настраивает, а затем опрашивает АЦП DD1, обрабатывает полученные результаты и передаёт их на ЭВМ.

     Управление  АЦП осуществляется микроконтроллером по входам DRDY, CS, SCLK, DIN и RESET, данные считываются с выхода DOUT. Эти выводы соединены с линиями Р1.5, Р1.0, Р1.4, Р1.6 и Р1.7 микроконтроллера соответственно. Сигнал для оцифровки подается на входы AIN5 и AIN6 АЦП. Входной буфер АЦП отключен за счет подачи нулевого потенциала на вход BUFFER.

Рисунок 8. Обозначение выводов AT89C51 

Рисунок 9. Функциональная блок-схема AT89C51 

     Особо нужно отметить то, что микроконтроллер  при включении формирует сигнал сброса АЦП по входу RESET.

     Способ  формирования сигнала сброса, приведенный в фирменном описании, позволяет добиться надежного старта AD7714.

     AD7714 настраивается на работу со  входами AIN5 и AIN6. Тактовая частота работы микросхемы — 2,4576 МГц. Первую частоту среза выбираем равной 50 Гц. С этой целью в регистры фильтра (при выбранной тактовой частоте) нужно занести число 384 дес.= 001100000000В (0011В —в старший регистр фильтра, 00000000В — в младший). Работа производится в униполярном входном режиме, считывается 24-битовый результат. Коэффициент усиления внутреннего усилителя выберем равным 128, а перед измерением будем запускать режим автокалибровки, подстраивающий и ноль и коэффициент усиления полной шкалы. Затем зададим частотный диапазон (от 0,05 до 100 Гц).

     Программа взаимодействия микроконтроллера с  АЦП включает следующую последовательность операций:

1. Запись в регистр обмена: задается входной канал.
2. Запись в верхний регистр фильтра: устанавливаются 4 старших бита слова фильтра, а также устанавливается биполярный/униполярный режим и длина выходного слова.
3. Запись в нижний регистр фильтра: устанавливаются 8 младших битов слова фильтра.
4. Запись в регистр режима: устанавливается коэффициент усиления, инициируется автокалибровка.
5. Опрашивается сигнал, указывающий на наличие в регистре данных нового результата преобразования.
6. Чтение результата из регистра данных.
7. Циклический повтор действий 5 и 6, пока не будет считано заданное число отсчетов.     

 

3.6. БЛОК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИНТЕРФЕЙСА RS232

     Для передачи данных из устройства в COM-порт компьютера используется драйвер СОМ-порта МАХ232Е, типовая схема включения которого показана на рисунке 10.

Характеристики  MAX232E

 

Рисунок 10. Типовая схема включения микросхемы MAX232

3.7. ОПТРОННАЯ РАЗВЯЗКА

     Оптронная развязка применена в цифровом интерфейсе RS232, связывающим электрокардиограф и компьютер.

     Узлы, обеспечивающие оптическую изоляцию входного интерфейса RS232C, гальванически связанного с цепями персонального компьютера, называют диспетчерами персонального компьютера (DPC - Dispatcher PC).

      Важнейшей характеристикой современных DPC является его быстродействие. Обеспечение высокого быстродействия собственно DPC резко сокращает вероятность возникновения ошибок рассогласования.

     Оптическая  изоляция обычно выполняется на микросхемах  транзисторных оптронов.

     Фактически, все оптроны по быстродействию можно  разделить на 3 группы: с высоким  быстродействием (6N137, HCPL-2601, HCPL-2611, HCPL-2630, HCPL-2631), со средним быстродействием (6N136, CNW4502, HCPL-4502б) и с низким быстродействием, к которым следует отнести  все остальные оптроны. Оптроны с высоким быстродействием достаточно дороги и трудно доставаемы. Из оптронов средней группы наиболее доступен оптрон 6N136. Испытания показали, что он устойчиво работает даже на скорости 115200, что является пределом скорости большинства COM-портов современных компьютеров. В связи с этим, этот тип оптрона выбран в качестве оптимального.

Характеристики 6N136

 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 11. Расположение выводов оптрона 6N136 
 
 
 
 
 
 

3.6. БЛОК ПИТАНИЯ

Блок питания представляет собой батарею крона 9 В, к которой подключены микросхемы LM7905, LM7908, преобразующие заданное напряжение.

4. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ

      При определении суммарной погрешности  измерительного устройства необходимо руководствоваться следующими правилами:

--Для  определения значения оценки  результирующей погрешности всего  измерительного устройства должны учитываться взаимные корреляционные связи различных составляющих погрешности отдельных функциональных блоков, поэтому исходными данными для расчета являются значения соответствующих оценок отдельных составляющих, а не оценки суммарных погрешностей отдельных функциональных узлов.

Эти составляющие прежде всего разделяются на аддитивные и мультипликативные, для их последующего раздельного суммирования.

--Так  как суммировать с учетом корреляционных  связей можно лишь средние  квадратические значения составляющих, то для каждой составляющей  должны быть по исходным данным найдены ее средние квадратические значения.

--Далее  должны быть выделены группы  сильно коррелированных между  собой составляющих погрешности и внутри этих групп произведено алгебраическое суммирование. К ним, как правило, относят погрешности, вызванные одной общей причиной(общий источник питания, одинаковые температурные условия и т.д.), когда тесные корреляционные связи определяются логически,  и для них принимают  rr  равным  +1  или   -1.

      Погрешности же, между которыми такие взаимосвязи  не обнаруживаются, относят к некоррелированным и для них принимают rr=0.

--После  того как все группы сильно  коррелированных погрешностей выделены и внутри их произведено алгебраическое суммирование, суммарные по группам и оставшиеся вне группы погрешности можно считать уже некоррелированными и складывать по правилу

        

--Значение  погрешности с 90%-ной доверительной  вероятностью определяем согласно рекомендациям

      Аддитивные  погрешности.

      Аддитивная  погрешность обусловлена температурной  нестабильностью резисторов, тепловым шумом резисторов, а также точностью подбора самих резисторов.

        Точность подбора резисторов  определяет систематическую погрешность, которая может быть устранена в процессе калибровки прибора. Температурная погрешность определяется ТКС резистора и для прецизионных резисторов принимаем значение равным 100×10^-6 1/°С. Полагая, что DТ=20°С, определяем

       =100×10^-6×20=0,2%

      Уровень собственных шумов резисторов составляет 1 мкВ/В, то есть 0,0001%. Это значительно  меньше температурных погрешностей, поэтому погрешность собственного шума резисторов во внимание не принимаем.

      Погрешность от температуры для приборов для  приборов лабораторных условиях, определяется кривой циклического изменения температуры. Температура человека +37°С, температура окружающей среды  +24°С. Поэтому распределение температуры оказывается равномерным. Учитывая, что , а k для равномерного закона распределения равен 1,73.

      Усилитель имеет аддитивную погрешность, обусловленную  смещением нуля. Так как дрейф нуля как правило связан с температурой, то полагаем что погрешность, связанная с дрейфом, распределение по равномерному закону, следовательно

       .

      Так как блок усиления содержит три операционных усилителя, то для определения его  суммарной аддитивной погрешности  воспользуемся таблицей 2.

      Таблица 2 - Функциональные узлы, входящие в  блок усиления, и их аддитивные погрешности

 

Суммарная аддитивная погрешность будет равна

.

То есть погрешность нуля

      Мультипликативные погрешности.

      Мультипликативную погрешность, обусловленную нестабильностью  напряжения питания и температурным  дрейфом коэффициента усиления. Напряжение смещения нуля для усилителя AD620 составляет 50 мкВ при Uвых = ±0,01В. Тогда

       .

      Усилитель питается от стабилизированного напряжения (так же как и стабилизатор тока). Колебания гальванического источника  питания составляют 30%. Так как коэффициент усиления AD620 пропорционален напряжению питания, то мультипликативная погрешность также составляет 30%. Так как в приборе используется стабилизатор напряжения с коэффициентом стабилизации приблизительно 80, тогда мультипликативная погрешность усилителя уменьшится до 0,38%.