Прибор для регистрации ЭЭГ сигнала по системе 10-20 для выявления альфа-ритма с каналом общей ЭЭГ

       Микроконтроллеры AT91SAM7S содержат 8-канальный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который позволяет работать в двух режимах разрешающей способности - 8 и 10 бит. Максимальная частота дискретизации, обеспечиваемая АЦП, достигает 384 тыс. отсчетов в секунду.

       Микроконтроллеры  семейства AT91SAM7S являются контроллерами  общего назначения. Встроенный в них USB порт позволяет сделать на их основе приложения, требующие наличие связи с компьютером или сотовым телефоном. Отличная ценовая политика и соответствие требованиям по высокой степени интеграции позволяют заниматься созданием дешевых устройств с крупным или массовым их производством. [11]

       Для реализации сигнализации превышения критических  порогов входных сигналов напряжения и частоты используем программу  микроконтроллер, оповещение о превышении будет выводиться на ЖК – дисплей  в виде букв. Выбираем модель MT-12864A-2FLA со встроенным контроллером КБ145ВГ4.

      10) С микроконтроллера идет выход на ЖК - дисплей: активную матрицу, в которой используются микротранзисторы TFT, открывающие и закрывающие индивидуальную ячейку. Выбираем модель WG12232A-YGH-VN – графический дисплей с ЖК матрицей 122х32.

     11) Интерфейс  USB соединяет наш прибор с ПК, содержит интегрированный приемопередатчик, он имеет буфер FIFO объемом 328 Байт. Для работы интерфейса USB используется единая (с ядром) схема генерации и распределения тактового сигнала, что позволяет использовать один кварц для ядра и USB.

    12) После этого сигнал передаётся на ЭВМ, где происходит дальнейшая обработка сигнала. 

 

6. Разработка и расчет принципиальной схемы.

1. Расчет предварительного  усилителя на операционном усилителе.

       

 

       Рис.4. Предварительный усилитель

    На  рис приведена схема двухкаскадного предварительного усилителя на базе операционного усилителя. Первый каскад, состоящий из усилителей DA1 и DA2, усиливает дифференциальный сигнал в раз, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен 1. Следовательно дифференциальный сигнал увеличивается на выходах DA1 и DA2 без увеличения синфазного сигнала. Второй каскад, выполненный на ОУ DА3, в дифференциальном включении усиливает дифференциальный сигнал в раз.

       Пределы измерения величины ЭЭГ 10 – 70 мкВ;

       Поэтому возьмем U_вх=70×10^-6 В, входной ток I_вх=4×10^-9 А, рассчитаем первый резистор:

       R₁= = =17,5×10³ Ом.

       Для первого каскада К_у1=714, а для второго каскада К_у2=10.

       Исходя  из коэффициента усиления К_у1, рассчитаем остальные элементы первого каскада:

       К_у1= =>R₂=714× =714× =>

       R₂=6,2031×10⁶>R₂=6,19×10⁶ Ом

Исходя  из коэффициента усиления К_у2, рассчитаем остальные элементы второго каскада:

К_у2= => 10 R₃= R₄ => R₃=1×10³ Ом, R₄=10×10³ Ом

Пользуясь справочником выбираем резисторы серии  С2-33И номиналом:

       R₁=17,4×10³ Ом 

       R₂=6,19×10⁶ Ом

       R₃=1×10³ Ом

       R₄=10×10³ Ом

2. Расчет ФНЧ Баттерворта.

       Рис.5. ФНЧ 2 порядка Баттерворта

       В качестве фильтра используем фильтр второго порядка Баттерворта без обратной связи - коэффициент усиления равен 1.

       Частота среза по заданию F_ср=100 Гц;

       Значения  сопротивлений получаются из передаточной функции НЧ фильтра:

       

 

       Где а, b –коэффициенты полинома;

               С₁, С₂ - номиналы емкостей;

                F_ср – частота среза.

       а=1,4142; b=1,0000 (табличное значение)

       Чтобы сопротивления резисторов были действительными  должно выполняться условие:

       

= =2, С₂≥2С₁

       Возьмем согласно ряду номинальных значений конденсаторов:

С₁=1×10^-6 Ф, С₂=2,2×10^-6 Ф,                    

       тогда:

        =786,1 Ом

       R₅=R₆=787 Ом

3. Расчет ФВЧ Баттерворта.

       

       Рис.6. ФВЧ 2 порядка Баттерворта

В качестве фильтра используем фильтр  2 порядка  Баттерворта. Коэффициент усиления равен 1. По заданию F_ср =1 Гц.

Пусть С₃=С₄=С=10^-6 Ф. Тогда

, ,

       Где а, b –коэффициенты полинома;

       С₃, С₄ - номиналы емкостей;

       F_ср – частота среза.

а=1,4142; b=1,0000 (табличное значение)

Ом, R₇=225×10³ Ом

Ом, R₈=112,5×10³ Ом. [9]

4. Расчет выходного усилителя.

       Рис.7. Инвертирующий выходной усилитель

       Необходимый сигнал на ходе АЦП равен порядка 5 В. Так же мы имеем К_у2=10:     =10

Пусть R₉=1 кОм,   R₁₃=10 кОм. Тогда R₁₁= =909,01 Ом

 

5. Расчет канала нормализации.

1) U_c = 70×10^-6 В, η_вх = 10^-4,

  

2) n = 8 - разряд АЦП, N = 2⁸   η_вых.ф = 5·10⁵

      

3) k_син = 0,02

4) η_вых.пу ≥ 100 – необходимо выполнить

   Примем для определенности k_диф1 ≈ k_диф2

    

    

   

   

    η_вых.пу = η_вх · k²_осс= 10^-4×( )²=12,7×10⁶ » 100

    П_пу1,2 ≈ 10⁴ Гц (по графику [К_у, дБ(f, Гц)]

   

5) ,

     f_с1 » f_с2 => f_ср1 » f_ср» f_с2=> F_дис=4×100=400 Гц. [4]

 

6. Работа микроконтроллера.

       Микроконтроллер AT91SAM7S, главным образом предназначен для того, что бы принятую информацию преобразовать и при помощи USB-порта передать на компьютер.  Полноскоростная USB-связь позволяет установить соединение между хостом и присоединённым USB – устройством. Программное обеспечение хоста связывается с USB-устройством через коммуникационный поток. Этот поток переносится с помощью одной из типов передач, определяемых USB-устройством. Сначала микроконтроллер записывает данные в предпорт USB, ждёт, когда поступит сигнал о возможности передачи, если да, то передаёт, нет – ждёт. [11] 

       Алгоритм:

       

       Рис.8. Алгоритм программы на микроконтроллере 

 

7. Выбор элементной базы.

     1. Выбор ОУ.

     В качестве операционного усилителя  выберем ОУ К140УД1701А (ОРА77).

     Интегральная  схема К140УД1701А представляет собой  монолитный прецизионный операционный усилитель. Он характеризуется низким напряжением смещения, высоким коэффициентом  подавления синфазного сигнала, низким уровнем шума и температурного дрейфа.

     Применяются для усиления слабых сигналов от датчиков, сопровождаемых значительным уровнем  синфазных помех и наводок, в  устройствах точных измерительных  систем, систем автоматического регулирования  и обработки информации.

     Особенности:

• Напряжение смещения не более ………………………………..75мкВ
• Коэффициент подавления синфазного сигнала ………………..106дБ
• Внутренняя частотная коррекция
• Широкий диапазон напряжений питания ……………………...± 15 В
• Коэффициент усиления напряжения………………………….….2*10⁵
• Скорость нарастания выходного напряжения ………….0,1 В/мкс. [8]

     2. Выбор резисторов.

     Выберем резисторы с металлоэлектрическим проводящим слоем, предназначенных  для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа.

     В качестве резисторов выберем С2-33И:             Табл.1.

 
 

Табл.2. Температурный коэффициент сопротивления  

 

     Уровень собственных шумов 1; 5 мкВ/В.

     Промежуточные значения номинальных сопротивлений  соответствуют ряду Е96 с допусками  ±0,5, ± 1, ± 2 %.

     Предельные  эксплутационные  данные

Температура окружающей среды:         при номинальной электрической нагрузке…………...….от –55 до+70⁰С при снижении электрической нагрузки до нуля…………… от –55 до+155⁰С