Оформление курсовой работы

М.В. Яковенко, М.В. Лунин, И.В. Новикова

ЭЛЕКТРОНИКА

И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА

Методические указания к выполнению курсовой работы

Дисциплина – «Электроника и микропроцессорная техника»

Направление подготовки бакалавров – 200100

«Биотехнические системы и технологии»

Специальность – 200402

«Инженерное дело в медико-биологической практике»

Орёл 2012

Авторы:	доцент кафедры ПМиС, к.т.н.	М.В. Яковенко
	доцент кафедры ПМиС, к.т.н.	М.В. Лунин
		И.В. Новикова

Рецензент:

доцент кафедрой ПМиС, к.т.н., доцент

Е.В. Пахолкин

Методические указания по выполнению курсовой работы содержат общий алгоритм её выполнения, описание содержания и объема разделов расчетно-пояснительной записки и графической части, обязательные требования, а также общие рекомендации и примеры выполнения разделов курсовой работы.

Предназначены для студентов высших учебных заведений обучающихся по направлению 200100 - «Биотехнические системы и технологии» и специальности 200402 – «Инженерное дело в медико-биологической практике».

Редактор В.Ю. Крутикова

Технический редактор И.В. Новикова

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»

Лицензия ИД №00670 от 05.01.2000 г.

Подписано к печати <дата>. Формат 60x84 1/16

Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 15 экз.

Заказ № <число>

Отпечатано с готового оригинал-макета

на полиграфической базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»,

302020, г. Орел, ул. Московская, 65

Ó Госуниверситет-УНПК, 2010

СОДЕРЖАНИЕ

	C.
Введение
1 Цель курсовой работы
2 Оформление курсовой работы
3 Содержание курсовой работы
4 Содержание разделов курсовой работы и примеры их выполнения
4.1 Раздел Введение
4.1.1 Содержание раздела
4.1.2 Пример выполнения раздела
4.2 Раздел Медико-биологическое обоснование
4.2.1 Содержание раздела
4.2.2 Пример выполнения раздела
4.3 Раздел Медико-технические требования
4.3.1 Содержание раздела
4.3.2 Пример выполнения раздела
4.4 Раздел Структурная схема устройства
4.4.1 Содержание раздела
4.4.2 Пример выполнения раздела
4.5 Раздел Математическое описание работы устройства
4.5.1 Содержание раздела
4.5.2 Пример выполнения раздела
4.6 Раздел Индивидуальное задание
4.6.1 Содержание раздела
4.6.2 Пример выполнения индивидуального задания, часть Обзор схемотехнических решений
4.6.3 Пример выполнения индивидуального задания, часть Расчет выбранных блоков
4.7 Раздел Разработка схемы электрической принципиальной
4.7.1 Содержание раздела
4.7.2 Пример выполнения обязательной части раздела
4.7.3 Пример выполнения дополнительной части раздела
4.8 Раздел Заключение
4.8.1 Содержание раздела
4.8.2 Пример выполнения раздела
Список рекомендуемых источников
Приложение А. Форма бланка задания на курсовую работу
Приложение Б. Форма титульного листа
Приложение В. Пример листа графической части «Обзор схемотехнических решений»
Приложение Г. Пример листа графической части «Схема электрическая принципиальная»

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Электроника и микропроцессорная техника» является одной из базовых в подготовке выпускников по направлению 200300.62 - «Биомедицинская инженерия» (бакалавры) и специальности 200402 – «Инженерное дело в медико-биологической практике». В соответствии с Государственным образовательным стандартом в рамках данной дисциплины рассматриваются вопросы, связанные с изучением студентами современных основ аналоговой и цифровой электроники.

Эффективное изучение и освоение данной дисциплины определяется её взаимосвязью с комплексом практически всех других профессиональных и специальных дисциплин, изучаемых студентами в рамках подготовки по обоим направлениям. К таким дисциплинам, в частности, относятся «Методы медико-биологических исследований», «Основы теории биотехнических систем», «Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы», «Основы конструирования медицинской техники», «Компьютерные технологии в медико-биологических исследованиях», «Поверка, безопасность и надежность медицинской техники», «Терапевтическая и хирургическая техника» и др.

ЦЕЛЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Целью выполнения курсовой работы по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» является получение практических навыков анализа известных технических решений в области медицинской техники, информационного поиска, разработки схем структурных и принципиальных электронных устройств, анализа и расчета электронных схем, выполнения чертежей.

ОФОРМЛЕНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовая работа выполняется согласно индивидуально выдаваемому каждому студенту заданию (образец бланка см. Приложение А), состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части.

Курсовая работа должна быть оформлена в соответствии с основными положениями стандартов ЕСКД, в том числе ГОСТ 2.105-95, ГОСТ 2.106-68, ГОСТ 2.108-68, ГОСТ 2.109-73. Образец титульного листа приведен в Приложении Б.

Расчетно-пояснительная записка составляется на русском языке от третьего лица. Сокращения слов, кроме установленных ГОСТ 2.316 – 68, а также условных обозначений размерностей, не допускаются. Записка может быть написана от руки чертежным шрифтом, напечатана на машинке либо выполнена компьютерными средствами. Последнее является предпочтительным.

При выполнении расчетно-пояснительной записки компьютерными средствами она должна быть выполнена без рамки на одной стороне листа формата А4 шрифтом Times New Roman, размер 14, полуторный интервал (в приложениях допускается размер 10 или 12 и одинарный интервал), выравнивание абзацев по ширине, абзацные отступы – 1,25 или 1,27 см, автоматическая расстановка переносов, левое поле – 25 мм, правое – 10 мм, верхнее и нижнее – по 20 мм, нумерация страниц в правом верхнем углу, начиная с третьей страницы. Следует избегать висячих строк и заголовков на последней строке страницы.

Объем расчетно-пояснительной записки выполненной компьютерными средствами, без учета приложений и спецификаций не должен превышать 30 – 40 страниц.

Объем графической части – 3 листа формата А1.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

При выполнении курсовой работы по данной дисциплине последовательно решается ряд технических и творческих задач.

В начале курсовой работы, после получения задания, выполняется обоснование актуальности темы. Затем производится медико-биологическое описание объекта измерения (воздействия). Оно предназначено для выявления численных значений параметров объекта измерения (воздействия), что необходимо для последующего составления медико-технических требований к проектируемому устройству.

На основании медико-биологического описания составляются медико-технические требования к проектируемому устройству.

В соответствие с медико-техническими требованиями, на основании анализа информационных источников разрабатывается схема структурная проектируемого устройства. Окончательный вариант схемы утверждается ведущим преподавателем.

По утвержденной структурной схеме руководитель курсового проектирования назначает два блока для выполнения их детальной разработки.

В следующем разделе производится обзор схемотехнических решений назначенных боков, а на его основе выбор наиболее подходящих схем. Выбранные схемы рассчитываются, строятся их графические характеристики и анализируется точность.

В заключительном разделе выполняется схема электрическая принципиальная всего устройства. В качестве дополнительного необязательного задания в данном разделе могут быть произведены дополнительные расчеты, построение характеристик, анализы работы. Завершается работа выводами.

В конце пояснительной записки приводится список литературы, использованной в ходе курсового проектирования.

Дополнительные поясняющие материалы приводятся в приложениях.

Обязательное содержание графической части:

- схема структурная – 1 лист формата А2;

- схема электрическая принципиальная – 1 лист формата А2;

- обзор схемотехнических решений – 1 лист формата А1;

- графические (численные) зависимости – 1 лист формата А1.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ КУРСОВО РАБОТЫ И ПРИМЕРЫ ИХ ВЫПОЛНЕНИЯ

4.1 Раздел Введение

4.1.1 Содержание раздела

Раздел должен содержать краткую характеристику темы курсовой работы, предпосылки, а также основные сведения обосновывающие актуальность разработки для медицинской, биологической или экологической практики. Рекомендуемый объем раздела 1 – 2 страницы.

Примечание. Далее по тексту приводится пример выполнения курсовой работы по теме (диагностическая техника) «Устройство измерения микроциркуляции крови методом ЛДФ».

4.1.2 Пример выполнения раздела

За последние годы микроциркуляция выдвинулась в ряд важнейших проблем экспериментальной и клинической медицины. Актуальность её заключается в том, что микрососудистое русло является местом, где реализуется транспортная функция сердечно-сосудистой системы и обеспечивается транскапиллярный обмен, создающий необходимый для жизни тканевый гомеостаз. От решения проблем в микроциркуляции зависит решение ряда важных вопросов практической медицины: профилактика и лечение заболеваний.

Стоит отметить, что проблема микроциркуляции охватывает множество взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, именно поэтому происходит объединение теоретиков медицины, физиков, инженеров и математиков в их совместных усилиях, направленных на решение этой проблемы.

В настоящее время существует ряд методов исследования микроциркуляторного русла такие, как офтальмоскопия, компьютерная ТVмикроскопия сосудов ногтевого ложа, сосудов кожи, которые позволяют оценить структуру и диаметр микрососудов, состояние их тонуса, выявить различные внутри и внесосудистые изменения. Ряд методов позволяет определить линейную скорость кровотока [7]. Однако они не позволяют оценить тканевой кровоток в целом и выявить особенности его регуляции. Существуют методы оценки тканевого кровотока, в том числе окклюзионная плетизмография, вымывание радиоактивных изотопов, флюорисцентная микроангиография, введение меченых микросфер и т.д. Однако они нашли применение лишь в экспериментальной медицине из-за сложности применения у человека и необходимости использования дорогостоящей техники.

Несмотря на всё многообразие современного рынка медицинской аппаратуры, выбор средств для получения полноценных сведений о тканевой микроциркуляции ограничен. Эта ограниченность обусловлена жесткими требованиями к неинвазивности и безвредности проведения исследований у человека, а также необходимостью получения максимальной информации о тех нарушениях регуляторных механизмов, которые подлежат коррекции [1].

Обладая высокой чувствительностью к изменениям микрогемодинамики, метод ЛДФ имеет неоспоримое преимущество перед другими методами исследования микроциркуляции, так как позволяет оценивать состояния функционирования механизмов управления кровотоком. Другим важным достоинством ЛДФ является возможность получения большого количества измерений (тысячи в мин.), их регистрации и обработки в реальном масштабе времени [2]. Исходя из этого, считается, что использование метода ЛДФ со спектральным анализом колебаний кровотока является одним из наиболее целесообразных и актуальных подходов.

4.2 Раздел Медико-биологическое обоснование

4.2.1 Содержание раздела

Целью данного раздела является:

- для тем посвященных терапевтической технике выявление и анализ численных характеристик воздействующего на биообъект сигнала (поля), т.е. диапазона амплитуд воздействия, частотного спектра воздействия и иных характеристик в соответствии с темой работы;

- для тем посвященных измерительной и диагностической технике выявление и анализ численных характеристик измеряемых величин, характеризующих биообъект, т.е. диапазона измерения амплитуды, частотные характеристики объекта измерения, частота отсчетов и.т.д.

Для выявления характеристик необходимо составить описание объекта измерения (или воздействия), которое должно раскрывать следующие аспекты:

- структурное строение (анатомия) и особенности биообъекта, его морфологические характеристики, а также его место в организме;

- принцип функционирования (физиология) выбранного объекта, его роль в работе организма в целом, а также физические проявления его работы, поддающиеся измерению (воздействию);

- физический принцип измерения выбранных параметров для тем по диагностической технике;

- физический принцип взаимодействия биологического объекта с направленно воздействующим на него сигналом (полем) для тем по терапевтической технике;

- краткое сравнение выбранного метода измерения (воздействия) с аналогичными или близкими по принципу или полезному эффекту;

- численные характеристики объекта измерения (воздействия) принятые для дальнейшей разработки.

Рекомендуемый объем раздела 5 – 7 страниц.

3.2.2 Пример выполнения раздела

Микроциркуляторное звено в сердечно-сосудистой системе является центральным, ключевым, так как все другие звенья этой системы по существу призваны обеспечивать основную функцию, выполняемую микроциркуляторным звеном – транскапиллярный обмен [3].

Микроциркуляторное русло, по В.В. Куприянову, включает 5 звеньев:

1) артериолы – наиболее дистальные звенья артериальной системы;

2) прекапилляры, или прекапиллярные артериолы, являющиеся промежуточным звеном между артериолами и истинными капиллярами;

3) капилляры;

4) посткапилляры, или посткапиллярные венулы,

5) венулы, являющиеся корнями венозной системы.

При исследовании микроциркуляции методом лазерной допплеровской флоуметрии применяется зондирование ткани лазерным излучением. В ходе проведения исследований обеспечивается регистрация изменения потока крови в микроциркуляторном русле – флоуметрия [4].

На рисунке 1.1 представлена схема зондирования ткани лазерным излучением. Доставка лазерного излучения к ткани и прием отраженного сигнала в приборах осуществляется с помощью световодного зонда, состоящего из трех световодных моноволокон, где одно световодное волокно используется для передачи зондирующего излучения, а два других являются приемными, по которым отраженное излучение доставляется к прибору для фотометрирования и дальнейшей обработки [5].

Отраженный сигнал имеет две составляющие постоянную и переменную. Постоянный сигнал обусловлен отражением от неподвижных структур зондируемой ткани и имеет ту же частоту, что и зондирующее излучение. Переменный сигнал связан с движущимися частицами – эритроцитами, отличается от частоты падающего излучения в соответствии с допплеровским эффектом.

Рисунок 1.1 – Схема зондирования ткани лазерным излучением [6]

Допплеровский сдвиг частоты связан со скоростью эритроцитов известным выражением:

Δf = 2nV/λ (1.1)

где Δf – допплеровский сдвиг частоты;

n – показатель преломления излучения в ткани;

V – скорость эритроцитов;

λ – длина волны зондирующего излучения.

Следовательно, допплеровская частота пропорциональна скорости движения эритроцитов и зависит от архитектоники микрососудов в исследуемом объеме [5]. В объеме 1 мм³ эритроциты движутся с разными линейными скоростми: от 0,68 до 3,87 мм/с в артериолах; от 0,1 до 0,6 мм/с в капиллярах и от 0,32 до 1,21 мм/с в венулах [6].

В методе ЛДФ применяют алгоритм усреднения, который позволяет получить средний допплеровский сдвиг частоты по всей совокупности эритроцитов, попадающих в зондируемую область. В результате такого усреднения методом ЛДФ оценивается изменение потока эритроцитов. Для этого проводят обработку отраженного сигнала электронным путем, осуществляя усреднение по скоростям (допплеровского сдвига частоты).

Таким образом, мощность отраженного сигнала складывается из отдельных актов отражения излучения на каждом эритроците и, следовательно, зависит от их концентрации. На выходе прибора формируется результат флоуметрии определяемый как произведение линейной скорости эритроцитов на их концентрацию и представляет собой уровень перфузии единицы объема ткани за единицу времени [7]:

ПМ= Nэр·Vср, (1.2)

где ПМ – параметр микроциркуляции;

Nэр – концентрация эритроцитов;

Vср – линейная скорость эритроцитов.

Амплитуда сигнала, пропорциональная указанному произведению, измеряется в относительных перфузионных единицах. Поток крови не может быть выражен в абсолютных единицах, например, в мл/с/мм³ [14], так как при окклюзии регистрируется броуновское движение остаточной крови, так называемый биологический ноль, который учесть при калибровке не представляется возможным.

Концентрация эритроцитов или тканевой гематокрит (Nэр) определяется двумя факторами: капиллярным гематокритом (Нкп) – объемным содержанием эритроцитов в капиллярной крови, оцениваемым в процентах, и количеством одновременно функционирующих капилляров (Nк) в зондируемом объеме:

Nэр=Нкп · Nк (1.3)

Параметр Nк характеризует геометрию потока эритроцитов в ткани, которая зависит от общей гемодинамики строения микроциркуляторного русла и локальных органных особенностей микрокровотока, работы прекапиллярных сфинктеров и АВА, величины прекапиллярного и посткапиллярного сопротивления. Фактор Нкп в большой мере определяется реологическими параметрами крови. Скорость Vср является усредненной величиной, так как осуществляется одновременное зондирование эритроцитов, движущихся с разной скоростью по микрососудам различного типа и диаметра [7].

Таким образом, в неинвазивном методе ЛДФ результирующий параметр определяет динамическую характеристику микроциркуляции крови – изменение потока крови (перфузии ткани кровью) в единицу времени в зондируемом объеме.

Существует оптимальное соотношение между длинной волны зондирующего излучения и размером частиц, от которой возможно получить детектируемый сигнал – при уменьшении длины волны зондирующее излучения уменьшается размер детектируемой частицы [8].

Стоит отметить, что в отличие от ультразвуковых методов диагностики, основанных на эффекте Доплера, при применении более коротковолнового зондирующего лазерного излучения, возможно получить отраженный сигнал наибольшей амплитуды от отдельных эритроцитов из более тонкого слоя, около 1 мм. Этот слой зондирования может содержать в зависимости от типа ткани следующие звенья гемомикроциркуляторного русла: артериолы, терминальные артериолы, капилляры, посткапиллярные венулы, венулы и артериоло-венулярные анастомозы [6].

При измерении микроциркуляции методом ЛДФ применяют инфракрасный лазер с длинной волны 830 нм мощностью 2 мВт. Параметр микроциркуляции измеряется в относительных перфузионных единицах. В разрабатываемом устройстве выходная величина изменяет в пределах от 0 до 100 пф.ед., полоса регистрации частоты допплеровского сдвига 20-30000 Гц. Частота дискретизации выходного сигнала 100 Гц.

4.3 Раздел Медико-технические требования

4.3.1 Содержание раздела

Раздел должен содержать Медико-технические требования, составленные в соответствие с ГОСТ Р 15.013-94 «Система разработки и постановки продукции на производство. Медицинская техника» на основании задания на курсовую работу, а также данных полученных в результате медико-биологического описания (предыдущего раздела).

4.3.2 Пример выполнения раздела

А.2.1 Наименование и область применения

А.2.1.1 Наименование: устройство измерения микроциркуляции крови методом ЛДФ.

А.2.1.2 Область применения: кабинеты функциональной диагностики, клинические лаборатории.

А.2.2 Основание для разработки

А.2.2.1 Разработка изделия проводится на основании задания на курсовую работу на тему: «Устройство измерения микроциркуляции крови методом ЛДФ». Задание на курсовую работу разработано доцентом кафедры «ПМиС» _________.

А.2.3 Исполнитель разработки студент УНИИ ИТ, группы ________ ________________.

Ф.И.О.

А.2.4 Цель и назначение разработки

А.2.4.1 Прибор предназначен для исследования микроциркуляции крови.

А.2.5 Источники разработки

А.2.5.1 Исходные требования определяются заданием на курсовую работу;

ГОСТ Р 15.013-94 Медицинские изделия;

ГОСТ 30324.0-95. Изделия медицинские электрические. Часть 1. Общие требования безопасности;

ГОСТ Р 50267.0.4-99. Изделия медицинские электрические. Часть 1. Общие требования безопасности. Требования безопасности к программируемым медицинским электронным системам;

ГОСТ Р 50444-92. Приборы, аппараты и оборудование медицинские. Общие технические условия;

А.2.6 Медицинские требования

А.2.6.1 Выход из строя одного или нескольких блоков устройства во время его работы не должен вызывать никаких последствий для состояния здоровья исследуемого пациента. При работе аппарата через пациента электрический ток не пропускается. Конструкция устройства должна быть выполнена таким образом, чтобы прикасание к частям, находящимся под напряжением, было невозможно. Требования по ГОСТ 30324.0-95.

А.2.6.2 Принцип действия устройства основан на определении интенсивности кровообращения в микрососудистом русле посредством регистрации допплеровского сдвига частоты обратно рассеянного излучения.

А.2.6.3 Устройство имеет один канал измерения, единовременно может быть обследован только один пациент.

А.2.6.4 Контроль, регулировка и ремонт прибора осуществляется квалифицированным инженерно-техническим персоналом ремонтных предприятий, допущенных к проведению подобных работ.

А.2.6.5 Способ отображения результатов измерения – цифровая индикация.

А.2.6.6 На работоспособность устройства не должно влиять включение (отключение) электромагнитных приборов.

А.2.7 Технические требования

А.2.7.1 Состав изделия.

А.2.7.1.1 Устройство состоит из следующих основных составных частей:

– фотоприемники;

– преобразователи ток-напряжение;

– фильтры нижних частот;

– дифференциальный усилитель;

– аналого-цифровой преобразователь;

– гелий-неоновый лазерный излучатель;

– микроконтроллер;

– блок индикации;

– блок клавиатуры.

А.Состав изделия может быть уточнен и на этапе разработки.

А.2.7.1.2 Эксплуатационным документом на устройство является «Техническое описание и инструкция по эксплуатации».

А.2.7.2 Показатели назначения

А.2.7.2.1 Технические параметры:

длина волны лазера	830 ± 10 нм
мощность лазера	(2 ± 0,5) мВт
полоса регистрации частоты доплеровского сдвига	20 – 30000 Гц
выходная величина	0-100 пф. ед.
частота дискретизации выходного сигнала	100 Гц

А.2.7.2.2 Предел допускаемой основной погрешности канала измерения фототока ± 5%.

А.2.7.2.3 Энергопитание устройства – от сети переменного тока частотой (50±0,5) Гц напряжением (220±22) В.

А.2.7.3 Условия эксплуатации (использования, транспортировки, хранения).

А.2.7.3.1 Требования устойчивости разрабатываемого изделия к воздействующим факторам внешней среды.

А.2.7.3.1.1 Требования устойчивости к климатическим и механическим воздействиям при эксплуатации по ГОСТ 20790-93 [16].

Рабочими условиями эксплуатации должны быть:

– температура окружающего воздуха – от + 15 до + 35 ⁰С;

– относительная влажность воздуха – до 80 % при 25 ⁰С;

– атмосферное давление – от 84 кПа до 107 кПа.

А.2.7.3.1.2 Требования устойчивости изделия и его составных частей к стерилизации или дезинфекции по ГОСТ 15.013-64.

А.2.7.3.1.3 Требования устойчивости к климатическим и механическим воздействиям при транспортировании по ГОСТ 20790-93.

А.2.7.3.2 Транспортировка устройства производится в транспортировочной таре предприятия-изготовителя.

Устройство транспортируется во всех видах крытого транспортного средства в соответствии с правилами перевозки грузов, действующих на каждом виде транспорта. При транспортировке обязательно надо обеспечить устойчивое положение упаковочной коробки и отсутствие ее перемещений в процессе транспортирования.

А.2.7.3.3 Эксплуатация устройства не требует от обслуживающего его медицинского персонала специальных навыков и знаний.

Осмотр внутреннего состояния монтажа и узлов устройства проводится не реже одного раза в год высококвалифицированным техническим персоналом, знакомым с принципом действия устройства, согласно методике, изложенной в техническом описании на устройство.

А.2.7.4 Требования безопасности

А.2.7.4.1 Устройство должно быть электробезопасным для пациентов, медицинского и обслуживающего персонала при эксплуатации и техническом обслуживании и соответствовать ГОСТ 12.2.025-76, тип защиты – В.

А.2.7.5 Требования к надежности

А.2.7.5.1 В зависимости от возможных последствий отказов в процессе эксплуатации устройство относится к классу В по ГОСТ Р 50444-92.

А.2.7.5.2. Испытания на безотказность проводят методом одноступенчатого контроля для экспоненциального закона распределения времени безотказной работы по ГОСТ 23256-86. Испытания на долговечность проводят на образцах установочной серии по ГОСТ 23256-86.

Испытания на сохраняемость проводят по ГОСТ 23256-86.

А.2.7.6 Требования к конструктивному устройству

А.2.7.6.1 Масса устройства, не более – 3 кг; габаритные размеры, не более – 400х350х100 мм.

А.2.7.6.2 Конструктивное исполнение устройства должно обеспечивать:

– взаимозаменяемость основных однотипных составных частей;

– ремонтопригодность;

– удобство эксплуатации, монтажа;

– исключение возможности несанкционированного внутреннего доступа;

– доступ ко всем элементам, требующим коммутирования, регулирования, настройки, монтажа или замены в процессе эксплуатации.

А.2.7.7 Эргономические требования

А.2.7.7.1 Устройство должно соответствовать антропометрическим возможностям человека.

А.2.7.8 Требования к дизайну

А.2.7.8.1 Устройство должно соответствовать тенденциям современного дизайна.

А.2.7.9 Требования к патентной чистоте изделия

Устройство должно соответствовать требованиям по обеспечению патентной чистоты.

4.4 Раздел Структурная схема устройства

4.4.1 Содержание раздела

Данный раздел должен содержать разработанную самостоятельно студентом схему структурную устройства в соответствие с темой курсовой работы, а также описание принципа ее действия. Разработанная схема должна обеспечивать функции, режимы и диапазоны, предъявляемые Медико-техническими требованиями, составленными в соответствии с заданием на курсовую работу. Схема структурная оформляется в виде чертежа (типовой лист формата А2), а также приводится в виде рисунка в пояснительной записке.

Структурная схема разрабатывается на основании творческого инженерного поиска студента по информационным источникам, а также при консультативном участии ведущего преподавателя. В качестве указанных источников могут использоваться: техническая литература (в том числе учебная); технические описания, паспорта и инструкции по эксплуатации аналогичных медицинских приборов и аппаратов; инструкции по сервисному обслуживанию и ремонту аналогичных медицинских приборов и аппаратов, периодические издания, как научные так и публицистические, посвященные вопросам медицинской техники и медицины. Для обеспечения актуальных возможностей и применения современных технических решений при разработке аппарата сбор информации в сети Интернет обязателен, включая поиск по новостным порталам, сайтам периодических (Российских и зарубежных) изданий, форумам специалистов в области медицинской техники. Типовой объем раздела 2 – 3 страницы.

4.4.2 Пример выполнения раздела

Структурная схема устройства представлена на рисунке 3.1.

1 – фотоприемники, 2 – преобразователи ток-напряжение, 3 – резонансные режекторные фильтры, 4 – блок клавиатуры, 5 – дифференциальный усилитель, 6 – аналого-цифровой преобразователь, 7 – микроконтроллер, 8 – блок индикации, 9 – гелий-неоновый лазерный излучатель, 10 – устройство управления лазером

Рисунок 3.1 – Структурная схема устройства

После включения устройства в сеть переменного тока, с помощью блока клавиатуры 4 происходит настраивание прибора до нулевого показания на индикаторном табло. После установления нуля микроконтроллер 7 формирует сигнал управления, поступающий на устройство управления лазером 10, а затем на гелий-неоновый лазерный излучатель 9. После подачи зондирующего лазерного излучения, фотоприемники 1.1 и 1.2 начинают фиксировать отраженный сигнал от ткани организма. В качестве фотоприемников используют фотодиоды. Особенность их заключатся в том, что выходным сигналом является сила тока. Для дальнейшей обработки сигнала силу тока необходимо преобразовать в напряжение, именно поэтому после фотоприемников 1.1 и 1.2 используют преобразователи ток-напряжение 2.1 и 2.2. Так как данное устройство имеет питание от сети переменного тока частотой (50±0,5)Гц напряжением (220±22)В сигнал имеет помеху 50 Гц. Для удаления из полигармонического сигнала ненужной гармоники используют резонансные режекторные фильтры 3.1 и 3.2 с частотой среза 50 Гц. Сигналы с выходов первого и второго фотоприемников противофазны. Для их усиления применяют дифференциальный усилитель 5. Усилители данного типа имеют большой коэффициент усиления только при подаче на входы противофазных сигналов, если на входы таких усилителей подать синфазный сигнал, усиление будет чрезвычайно мало. Для того чтобы измеренный сигнал был воспринят микроконтроллером, напряжение (аналоговый сигнал) должно быть преобразовано в код. С целью реализации этой операции применяют аналого-цифровой преобразователь 6. В микроконтроллере 7 происходит обработка сигнала. Для отображения результатов измерения используется блок индикации 8, на который поступает цифровой сигнал с микроконтроллера 7.

4.5 Раздел Математическое описание работы устройства

4.5.1 Содержание раздела

Данный раздел должен содержать математическое описание на макроуровне работы разрабатываемого устройства в соответствие со структурной схемой. Для этого приводится функция каждого блока устройства, а затем они объединяются в единую функцию связывающую входную величину устройства с его выходной величиной. Типовой объем раздела 2 – 3 страницы.

4.5.2 Пример выполнения раздела

Ток с фотоприемников поступает на преобразователи ток-напряжение, где преобразуется в напряжение, работа ПТН может быть описана выражениями:

(4.1)

(4.2)

где – выходное напряжение с ПТН 2.1;

– выходное напряжение с ПТН 2.2;

– коэффициенты преобразования схем ПТН;

– входные токи ПТН 2.1 и 2.2.

Напряжение с преобразователей ток-напряжение 2.1 и 2.2 поступает на фильтры 3.1 и 3.2. Выходное напряжение с фильтров определяться как:

(4.3)

(4.4)

где – выходные напряжения резонансных режекторных фильтров;

– коэффициенты передачи в полосе пропускания фильтров;

– входные напряжения резонансных режекторных фильтров.

Передаточная функция резонансных режекторных фильтров:

(4.5)

Выходные напряжения с фильтров 3.1 и 3.2 усиливаются дифференциальным усилителем 4, работа которого может быть описана выражением:

(4.6)

где – выходное напряжение с усилителя 4;

– входное напряжение усилителя 4;

– коэффициент усиления;

(4.7)

Выходное напряжение с усилителя подаётся на аналого-цифровой преобразователь, который преобразует его в эквивалентный цифровой код:

(4.8)

где – выходное напряжение усилителя, подаваемое на АЦП, В;

– номер выходного кода;

q – квант, В;

U_ОП – опорное напряжение, В;

n – разрядность АЦП.

Подставляя (4.1) и (4.2) в (4.3) и (4.4), (4.3) и (4.4) в (4.6) получаем:

(4.9)

Далее полученный цифровой код поступает на микроконтроллер, где происходит его обработка, затем на блок индикации, который отображает результаты измерения.

4.6 Раздел Индивидуальное задание

4.6.1 Содержание раздела

Раздел состоит из двух частей:

- Обзор схемотехнических решений (Рекомендуемый объем раздела 10 – 15 страниц);

- Расчет выбранных блоков (Рекомендуемый объем раздела 5 – 10 страниц).

Обзор схемотехнических решений является индивидуальным заданием для каждого студента, выполняющего курсовую работу. Назначение блоков для разработки производится руководителем курсового проектирования. Индивидуальное задание выдается после разработки схемы структурной. Заданием для дальнейшей разработки являются два блока структурной схемы.

Для выполнения обзора схемотехнических решений необходимо произвести поиск по информационным источникам. Обзор должен содержать описания не менее пяти (иное количество возможно по согласованию с руководителем курсовой работы) устройств-аналогов по каждому разрабатываемому блоку. Каждое описание должно состоять следующих элементов:

- наименование блока;

- схема электрическая принципиальная блока (в данном разделе схемы разрешается представлять в авторской редакции источника);

- основные расчетные зависимости, поясняющие работу схемы;

- преимущества использования данной схемы в проектируемом устройстве;

- недостатки использования данной схемы в проектируемом устройстве.

В заключение обзора необходимо сделать обоснованный выбор одной схемы по каждому блоку, использование которых наиболее оправдано в данной курсовой работе. Рассмотренные в анализе схемы приводятся на листе графической части (типовой формат А1). Пример оформления листа приведен в приложении В.

В части расчета выбранных блоков приводится расчет параметров дискретных элементов, входящих в схемы выбранных блоков. Производится построение графических характеристик, поясняющих работу этих устройств, а также обоснование и выбор элементов, расчет которых не производится (например, операционных усилителей). После расчета значений параметров элементов производится анализ погрешностей блоков. Данная часть должна содержать:

- исходные данные для расчета;

- математические зависимости, описывающие параметры элементов и их связь с функционированием блока;

- расчетные соотношения в численном виде;

- расчетные значения параметров дискретных элементов;

- выбранные модели и номинальные значения параметров дискретных элементов, в соответствие с рядами номинальных значений Е;

- графические зависимости, поясняющие работу разрабатываемых блоков;

- анализ погрешностей разработанных блоков.

4.6.2 Пример выполнения индивидуального задания, часть Обзор схемотехнических решений

Необходимо выбрать схемотехнические решения для следующих блоков: дифференциальный усилитель, ПТН.

5.1 Дифференциальные (измерительные) усилители

5.1.1 Измерительный усилитель на одном операционном усилителе

На рисунке 5.1 представленная схема измерительного усилителя на одном операционном усилителе, который является самым простым и самым дешёвым измерительным усилителем.

Рисунок 5.1 – Измерительный усилитель на одном операционном усилителе

Резисторы и действуют как делитель напряжения для неинвертирующего входа операционного усилителя (ОУ). Благодаря обратной связи через резисторы и и очень большому внутреннему коэффициенту усиления ОУ напряжение на инвертирующем входе усилителя поддерживается равным напряжению на неинвертирующем входе. Отношение определяет коэффициент передачи усилителя [8]. При выполнении условия усиление дифференциального сигнала намного больше усиления синфазного сигнала, и коэффициент ослабления синфазного напряжения (КОСС) будет максимальным [3].

Дифференциальный коэффициент усиления определяется следующей формулой:

, (5.1)

где – коэффициент усиления ОУ, .

Дифференциальное входное сопротивление:

. (5.2)

Представленная схема имеет низкое входное сопротивление и предназначена для подключения низкоомных источников сигналов. Подача сигналов от высокоомного источника приведет к потерям из-за шунтирования входного сигнала и ухудшению подавления синфазного напряжения. Увеличение значений входных резисторов (, ) повышает входное сопротивление, но при этом увеличивается дрейф смещения из-за нестабильности входных токов смещения, сужается ширина полосы пропускания из-за влияния паразитных емкостей, и повышается уровень шума [8].

5.1.2 Измерительный усилитель с Т-образной схемой в обратной связи операционного усилителя

Для увеличения коэффициента усиления применяют Т-образное соединение резисторов обратной связи. Схема данного измерительного усилителя представлена на рисунке 5.2. Она позволяет изменять коэффициент усиления без заметного влияния на значение КОСС. Так же данная конфигурация допускает применение высокоомных входных резисторов для повышения входного сопротивления [8].

Коэффициент усиления можно выразить следующей формулой:

. (5.3)

где k – коэффициент пропорциональности.

Коэффициент усиления нелинейно зависит от k, и в схеме требуется три пары согласованных резисторов, всё это является недостатком данной схемы.

Рисунок 5.2 – Измерительный усилитель с Т-образной схемой в обратной связи операционного усилителя

Недостатком данной схемы является то, что при больших значениях коэффициента усиления дифференциального усилителя (1000 и более) приходится учитывать конечное значение собственного коэффициента усиления ОУ K_U. Если он недостаточно велик, появляется значительная погрешность дифференциального коэффициента усиления [8].

5.1.3 Измерительный усилитель на двух операционных усилителях

Все рассмотренные выше схемы пригодны для усиления сигналов источников с низким выходным сопротивление, таких, например, как измерительный шунт. Для приема и усиления сигналов источников с относительно большим выходным сопротивление, например, мостовых схем, требуются усилители с входным сопротивление совершенно иного, гораздо более высокого порядка [8].

Стоит отметить, что значительно большим входным сопротивлением обладают ОУ в неинвертирующем включении. На рисунке 5.3 представлен измерительный усилитель на двух операционных усилителях в неинвертирующем включении.

Выходной сигнал усилителя подается на инвертирующий вход , поэтому усилитель , усиливает дифференциальный входной сигнал [11].

Рисунок 5.3 – Измерительный усилитель на двух операционных усилителях

Дифференциальный коэффициент усиления при , и :

. (5.4)

Такая схема обеспечивает намного больший входной импеданс, чем схема с одним ОУ [11].

5.1.4 Измерительный усилитель на трех операционных усилителях

На рисунке 5.4 приведена стандартная схема двухкаскадного измерительного усилителя на базе ОУ, принятая в качестве стандартной схемы измерительного усилителя.

Первый каскад, состоящий из усилителей и , усиливает дифференциальный сигнал в раз, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен 1. Следовательно, дифференциальный сигнал увеличивается на выходах и , без увеличения синфазного сигнала. Второй каскад, выполненный на ОУ , в дифференциальном включении усиливает дифференциальный сигнал в раз [8].

Данная схема имеет более высокий входной импеданс и обеспечивает большее усиление и лучший КОСС по сравнению со схемами на двух ОУ. Кроме того, величина КОСС менее чувствительна к точности подбора резисторов [8].

Рисунок 5.4 – Измерительный усилитель на трех операционных усилителях

Дифференциальный коэффициент усиления:

. (5.5)

Недостатком данной схемы является то, что шумовые характеристики измерительных усилителей на трех ОУ имеют некоторые особенности. Низким внутренним шумом обладают только входные усилители. Шум выходных усилителей значительно больше. Поэтому измерительные усилители с большим коэффициентом усиления имеет шум, приведенный к входу, значительно меньший, чем тот же измерительный усилитель с единичным усилением. То же самое можно сказать и о смещении нуля [3].

5.1.5 Измерительный усилитель с согласованными транзисторами

Применение согласованных пар транзисторов позволяет разработчику дополнить входной каскад операционного усилителя специально спроектированной схемой. В схеме с согласованными биполярными транзисторами, приведенной на рисунке 5.6, используется обратная связь по току.

Рисунок 5.5 – Измерительный усилитель с согласованными транзисторами

Схема содержит входной дифференциальный каскад на транзистора и , питающийся от согласованных генераторов токов на транзисторах и . Транзисторы и с резисторами , , и диодами и образуют генераторы стабильных токов . Дифференциальное входное напряжение оказывается приложенным к резистору , входные транзисторы и играют в этом случае роль эмиттерных повторителей. Протекающий через резистор ток вызывает разбаланс токов в плечах входного каскада. Этот разбаланс токов создает дифференциальное напряжение на входах усилителя из-за различного падения напряжения на равных резисторах и . Усилитель стремится скомпенсировать этот разбаланс, подавая ток во входной каскад через резисторы , и , формируя при этом выходное напряжение [8].

Дифференциальный коэффициент усиления при , ,

. (5.6)

Измерительный усилитель с согласованными транзисторами применяется в случае, когда требуется очень низкий уровень шума, малый дрейф или минимальный потребляемый ток. Всё это является неоспоримым преимуществом данной схемы [8]. Однако при выборе элементов и их значений необходимо учитывать множество моментом, что не всегда удобно.

5.2 Преобразователи ток-напряжение

5.2.1 Простейший преобразователь ток-напряжение

На рисунке 5.6 представлен простейший преобразователь ток-напряжение.

Рисунок 5.6 – Простейший преобразователь ток-напряжение

Входное сопротивление преобразователя определяется включенными параллельно входным сопротивлением и сопротивлением , уменьшенным в раз:

, (5.7)

Если , то входной ток i_вх полностью протекает через сопротивление и создает на нем падение напряжеие :

, (5.8)

При большом , а соотвественно при малом сигнале между входами исилителя, выходное напряжение близко к напряжению :

. (5.9)

Недостатком данного преобразователя ток-напряжение в том, что он работает при малом внутреннем сопротивлении источника входного тока, при котором усилитель имеет большой коэффициент усиления по напряжению , а соответственно большое смещение нулях выходного напряжения, которое существенно меняется при изменениях внутреннего сопротивления у источника входного сигнала. При наличии у него реактивной составляющей возникают сложности с устойчивостью [4].

5.2.2 Преобразователь ток-напряжение на трех операционный усилителях

В отличие от простейшего преобразователя ток-напряжение преобразователь на трех операционных усилителях представленный на рисунке 5.7, свободен о тех недостатков.

В нём операционный усилитель , непосредственно выполняет функцию преобразователя ток-напряжение, имеет большое сопротивление , такого же порядка, что и . Поэтому даже при нулевом сопротивлении источника входного сигнала смещение выходного напряжения не превышает значения , которое не велико.

Рисунок 5.7 – Преобразователь ток-напряжение на трех операционных усилителях

Усилители и обеспечивают уменьшение входного сопротивления, определяемого резистором .

, (5.10)

Из уравнения (5.10) видно, что та часть входного сопротивления преобразователя ток-напряжение, которая определяется резистором , существенно снижается. Оно тем меньше, чем больше коэффициент усиления операционных усилителей , , зависящие от номиналов резисторов . Влияние напряжений смещения нуля ОУ в этой схеме невелико, так как даже при коротком замыкании входных зажимов коэффициент усиления по напряжению ОУ меняются значительно меньше, чем в случае простейшего ОУ [4].

5.2.3 Преобразователь ток-напряжение на одном операционном усилителе

Преобразователь, представленный на рисунке 5.8, построен по принципу усиления напряжения, которое возникает при протекании тока через резистор R 6.

Рисунок 5.8 – Преобразователь ток-напряжение на операционном усилителе

Достоинством данной схемы является то, что для настройки операционного усилителя при служит резистор . Часть входного тока ответвляется в цепь , , . Резистор – проволочный (нихром).

5.2.4 Преобразователь ток-напряжение с Т-образной схемой в обратной связи операционного усилителя

Для того чтобы не использовать резисторы слишком больших номиналов, так как у них низкая стабильность и они довольно дорогие, можно использовать Т-образную обратную связь. На рисунке 5.9 представлен преобразователь ток-напряжение с Т-образной схемой в обратной связи операционного усилителя.

Рисунок 5.9 – Преобразователь ток-напряжение с Т-образной схемой в обратной связи операционного усилителя

Такое соединение позволяет повысить коэффициент преобразования без использования высокоомных резисторов, но это возможно только при достаточном запасе собственного коэффициента усиления ОУ.

Т-образное соединение имеет серьезный недостаток, заключающийся в усилении напряжения смещения ОУ в раз, что иногда может ограничить его применение [8].

, (5.13)

. (5.14)

Монтаж должен производиться так, чтобы предотвратить шунтирование Т-звена сопротивлением утечки, то есть обеспечить хорошую изоляцию [8]. Всё это является ещё одним недостатком данной схемы.

5.2.5 Преобразователь ток-напряжение с нулевым сопротивлением

Схема преобразователя ток-напряжение с нулевым сопротивлением представлена на рисунке 5.10. Схема представляет собой трехполюсник, два входа которого включены в исследуемую цепь, а третий является выходом.

Рисунок 5.10 – Преобразователь ток-напряжение с нулевым сопротивлением

(5.15)

где – коэффициент усиления ОУ, .

Благодаря отрицательной обратной связи через резисторы и разность потенциалов между входами первого отрицательного усилителя и второго – равна нулю. При этом напряжение выхода ПТН пропорционально преобразуемому току [10].

В качестве схемы преобразователя ток-напряжение выберем схему ПТН с нулевым сопротивлением усилителя, которая позволяет получить выходное напряжение пропорциональное входному току с фотодиодов, что обеспечивает отсутствия появления артефактов в измеренном сигнале и высокое качество его преобразования.

В качестве схемы усилителя целесообразно выбрать схему, реализованную на трех операционных усилителях. Выбор данной схемы обусловлен обеспечением высокого входного сопротивления, а также легкостью реализации необходимого коэффициента усиления. Кроме того, измерительные усилители на трех ОУ выпускаются в виде интегральных микросхем с внутренними согласованными резисторами (INA116, MAX4197, MAX4197 и другие). Обычно эти интегральные микросхемы имеют фиксированный коэффициент усиления или выводы для подключения внешнего резистора, которым задается дифференциальный коэффициент усиления [3].

4.6.3 Пример выполнения индивидуального задания, часть Расчет выбранных блоков

Разработка дифференциального усилителя, преобразователя ток-напряжение. В таблице 7.1 представлены операционные усилители с их основными параметрами для сравнения и выбора наиболее подходящего.

Таблица 7.1 – Операционные усилители

	Параметр	OPA365	LMP2021	LMC6061	MAX9617
	К_ус, дБ						8,5		13,5
	U_см, мВ		0,05	0,01		1,3	7,69		0,4
	I_вх, нA	0,01		0,3	26,7	0,1		3,5	2,29
	Полоса пропускания, МГц					0,1	0,02	1,5	0,3
	Скорость нарастания напряжения, В/мкс		4,17	2,6	0,43		5,83	0,7	0,12
	КОСС, дБ				17,4		10,6		16,9
	Потребляемый ток, мА		0,8	1,57	2,6	0,048	83,3	0,078	51,3
Сумма	842,02	1064,13	195,94	84,81

Исходя из данных, представленных в таблице 7.1 видно, что в качестве операционного усилителя для, дифференциального усилителя и ПТН целесообразно выбрать интегральную микросхему LMP2021.

Расчет параметров и выбор элементов преобразователей ток-напряжение

Коэффициенты преобразования схем: