Илясов Л.В. Биомедицинская измерительная техника

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 3.16. Схемы нормирующих преобразователей напряжения постоянного тока

и активного сопротивления:

7—

источник измеряемого напряжения;

2—

неуравновешенный электрический

мост;

—

стабили-

зированный источник напряжения; У1

—

усилитель; У2 —усилитель обратной связи

При изменении под действием U

VHK

тока /

ос

изменяется падение

напряжения и

до тех пор, пока разность AUue достигнет некоторого

малого значения 8t/, называемого статической ошибкой уравновеши-

вания (часто также применяется термин «ошибка компенсации»). На-

личие статической ошибки уравновешивания приводит к тому, что во

входной цепи усилителя У1 протекает некоторый недокомпенсиро-

ванный ток. Причем чем больше значение преобразуемой величины

тем больше значение этого тока, и, как следствие, больше значение

Исключить ошибку

US устройствах, реализующих метод уравно-

вешивающего статического измерительного преобразования, прин-

ципиально невозможно, так как выходной сигнал усилителя У1 и ток

/ос в выходном контуре усилителя У2 определяются наличием этой

ошибки (она является причиной работы всего устройства) и пропор-

циональна ей. В то же время статическая ошибка может быть умень-

шена, если использовать усилитель У1 с большим коэффициентом

усиления К

Описанную схему уравновешивания измеряемого напряжения U

изменяющимся напряжением и

можно рассматривать как автома-

тическую систему регулирования со статическим (пропорциональ-

ным) регулятором, в качестве которого служит электронный усили-

тель У1.

Уравнение статической характеристики рассматриваемого нор-

мирующего преобразователя можно получить следующим образом.

100

В момент равновесия (условие компенсации) для входной цепи спра-

ведливо выражение

U—

+ Ы/. (3.15)

Для падения напряжения на резисторе R имеем:

= Ш

. (3.16)

С учетом формул (3.14) и (3.16) выражение (3.15) приобретает вид:

U= RK

I + BU. (3.17)

Если коэффициент усиления К->

со,

значением St/в выражении

(3.17) можно пренебречь. Тогда из (3.17) находим:

/=ВД

где К

—^

коэффициент преобразования нормирующего пре-

образователя напряжения постоянного тока.

Нормирующий преобразователь активного электрического со-

противления (рис. 3.16, б) отличается от рассматриваемого нормирую-

щего преобразователя напряжения постоянного тока (рис. 3.16, а) тем,

что в нем дополнительно имеется измерительный неуравновешен-

ный мост, с помощью которого активное сопротивление преобразу-

ется в сигнал разбаланса U

, а затем этот сигнал уже преобразуется в

токовый унифицированный сигнал.

Если известна зависимость сигнала разбаланса моста

от прира-

щения активного сопротивления AR: U

= K

AR, где К

ПМ

— коэффи-

циент преобразования неуравновешенного моста, то для сигнала

нормирующего преобразователя активного сопротивления можно за-

нисать:

I=K

= K

AR = K

AR,

где K

= К

ИЫ

— коэффициент преобразования нормирующего пре-

образователя активного сопротивления.

Нормирующие преобразователи напряжения постоянного тока и

активного сопротивления выпускают с классами точности 0,2—1,5.

Аналоговые электронные осциллографы. В общем случае осцилло-

скопом (лат. oscielum — качание, колебание; + греч. scopeo — смот-

рю) или осциллографом называют прибор для визуального наблюде-

ния или регистрации функциональной связи между двумя или более

величинами, характеризующими какой-либо физический процесс.

Наибольшее применение имеют аналоговые электронные (элек-

тронно-лучевые) осциллографы, обеспечивающие возможность ви-

зуального наблюдения за формой электрических сигналов и измере-

ния амплитудных и временных параметров этих сигналов

диапазоне

частот от сотых долей до нескольких гигагерц.

Для всех электронно-лучевых осциллографов для преобразования

исследуемого сигнала в видимое изображение, имеющего форму гра-

фика, используют: формирование в вакууме пучка электронов, воз-

никающих при термоэлектронной эмиссии; его ускорение электри-

ческим полем и одновременное перемещение по вертикали и гори-

зонтали с помощью электрических полей? зависящих соответственно

от исследуемого и вспомогательного (развертывающего) сигналов, а

также явления люминесценции (лат. lumen

—

свет)

—

холодного свече-

ния специального кристаллического вещества (люминофора), возни-

кающее при воздействии на него пучка электронов (катодолюминес-

ценция).

Основным узлом электронно-лучевого осциллографа (рис. 3.17, а)

является электронно-лучевая трубка, представляющая собой стек-

лянную колбу, в которой создан глубокий вакуум и размещены элек-

троды. Группа электродов, включающая нить накала, катод, сетку

(модулятор) и аноды, образует так называемую «электронную пуш-

ку», с помощью которой формируется тонкий пучок электронов —

электронный луч. Отклоняющая система трубки состоит из двух пар

пластин: горизонтальные пластины используются для отклонения

электронного луча по вертикали, вертикальные

—

для отклонения

электронного луча по горизонтали (подключение пластин к устрой-

ствам, формирующим управляющие сигналы, для упрощения пока-

зано одной линией). Экран трубки покрывают люминофором, а пе-

ред экраном обычно размещают прозрачную пластину с координат-

ной сеткой, служащей для получения количественной информации.

При работе осциллографа нить накала нагревается до температу-

ры 600—700 °С за счет протекающего через нее электрического тока и

нагревает катод, покрытый оксидными веществами. Из нагретого ка-

тода при этом вылетают электроны (явление термоэлектронной

эмиссии). На модулятор, имеющий форму цилиндра с отверстием в

торце, подается отрицательный относительно катода потенциал, зна-

чение которого можно изменять с помощью резистора R

. Этот по-

тенциал используется для изменения количества электронов в луче и

регулирования за счет этого яркости изображения на экране элек-

тронно-лучевой трубки.

На систему анодов подается положительный относительно катода

потенциал 1,5—12 кВ, что обеспечивает разгон электронов до необхо-

100

Канал х

—

стеклянная колба; 2

—

нить накала; 3

—

катод; 4

—

модулятор; 5

—

первый анод; 6

—

второй

анод; 7, 8

—

соответственно горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины; 9

—

пучок

шектронов (электронный луч); 10—электропроводящий слой;

11 —

экран;

12—

светящееся пятно;

13—

прозрачная пластина с координатной сеткой; 14—слой люминофора; 15—делитель напряже-

ния; 16,

19 —

дифференциальные электронные усилители; 17— линия задержки; 18— генератор

развертки

димой скорости и фокусировку (сжатие) пучка электронов. Внутрен-

няя поверхность трубки покрыта проводящим слоем металла или гра-

фита, который соединен со вторым анодом. Этот слой служит элек-

тростатическим экраном и защищает трубку от влияния внешних

электрических полей. Для защиты от внешних магнитных полей

трубку помещакЬт в кожух из магнитомягкого материала.

101

В состав электронно-лучевого осциллографа обычно входят канал

вертикального отклонения (канал

и канал горизонтального откло-

нения (канал X). Канал ^содержит делитель напряжения, необходи-

мый для масштабирования измеряемого сигнала

дифференциаль-

ный электронный усилитель напряжения, обладающий широкой по-

лосой пропускания и большим входным сопротивлением, и линию

задержки, необходимую для согласования во времени работы кана-

лов Yи

Канал ^содержит генератор развертки, который формирует

линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение и может запус-

каться от исследуемого сигнала или от внешнего сигнала

и диффе-

ренциальный усилитель.

Формирование зависимости измеряемого периодического сигна-

ла от времени осуществляется следующим образом. Измеряемый сиг-

нал подается в канал Y, где усиливается, задерживается на некоторый

интервал времени At

. На выходе канала Сформируется напряжение

пропорциональное сигналу

которое подводится к горизонталь-

ным пластинам. При этом под действием электрического поля пла-

стин электронный пучок смещается по вертикали. На экране элек-

тронно-лучевой трубки это смещение h описывается следующей при-

ближенной зависимостью:

Ed '

где L — расстояние от середины пластины до экрана; I— длина пла-

стины в направлении движения электронов; Е

—

потенциал второго

анода относительно катода; d — расстояние между пластинами.

Одновременно с перемещением по вертикали электронный луч

перемещается по горизонтали под действием электрического поля,

создаваемого за счет изменения напряжения на выходе генератора

развертки. Процесс управления запуском генератора развертки назы-

вают синхронизацией. Если в качестве синхронизирующего (запус-

кающего) сигнала используется исследуемый сигнал, то синхрониза-

ция называется внутренней (переключатель П[ в верхнем положении)

и усиленный сигнал U

с выхода дифференциального усилителя по-

ступает в генератор развертки. Если запуск генератора осуществляет-

ся от внешнего сигнала

частота которого равна или кратна частоте

измеряемого напряжения, то синхронизация называется внешней

(переключатель П, в нижнем положении).

При работе электронно-лучевого осциллографа в режиме внут-

ренней синхронизации генератор развертки запускается несколько

раньше, чем усиленный сигнал

поступает на горизонтальные пла-

стины, что обеспечивается наличием линии задержки. Это позволяет

100

получить изображение всего исследуемого периодического процесса

(в отсутствие задержки исследуемого сигнала его начальная часть мо-

жет быть частично «отрезана»). Запуск генератора развертки может

осуществляться, например, в момент времени, когда значение иссле-

дуемого сигнала равно нулю.

Движение электронного пучка по горизонтали под действием раз-

вертывающего напряжения описывается зависимостью, аналогич-

ной (3.18). Если сигнал развертывающего напряжения имеет пилооб-

разную форму (график U

{t) на рис. 3.17, б), то перемещение элек-

тронного пучка по горизонтали (например, слева направо) происхо-

дит с постоянной скоростью. Если при этом исследуемый сигнал

имеет форму синусоиды (график U

(t) на рис. 3.17, б) и частоту, рав-

ную частоте развертывающего сигнала, то на экране изображается

один период синусоидальных колебаний.

течение второго и после-

дующих периодов развертки электронный луч и создаваемое им све-

тящееся пятно на экране будут повторять свое движение (см. момен-

ты времени 1—4 и Г—4'). Световая инерция люминесцентного слоя

экрана и зрения человека позволяет наблюдать на экране неменяю-

щееся светящееся изображение исследуемого процесса.

Неподвижное изображение может быть также получено в случаях

кратности отношения периода Т

развертывающего напряжения к

периоду Тисследуемого сигнала, T.e.N = Т

/Т, где N— целое число.

Поэтому при N =

на экране создается изображение одного периода

исследуемого сигнала, а при N= 2 на экране можно наблюдать два

периода колебаний исследуемого сигнала и т.д.

Аналогично происходит работа электронно-лучевого осцилло-

графа при использовании внешних периодических синхронизирую-

щих сигналов (при этом переключатель П, находится в нижнем поло-

жении).

Параметры пилообразного сигнала генератора развертки (рис.

VI7, б) подбираются так, чтобы время движения электронного луча

но горизонтали в обратном направлении /

0бр

(обратный ход) было бы

существенно меньше времени движения в процессе развертки /

пр

(прямой ход). Это позволяет исключить появление на экране допол-

нительных изображений. В некоторых электронно-лучевых осцилло-

рафах для гашения обратного хода луча на модулятор подается отри-

цательное напряжение, запирающее электронный луч. Описанный

режим работы электронно-лучевого осциллографа соответствует ра-

боте в режиме так называемой непрерывной линейной развертки,

применяемой при исследовании периодически повторяющихся сиг-

налов.

103

В электронно-лучевых осциллографах предусмотрена возмож-

ность применения однократной и круговой разверток.

При однократной (ждущей) развертке генератор развертки запус-

кается сигналом внутренней или внешней синхронизации только

один раз. Такая развертка применяется при исследовании неперио-

дических сигналов.

При круговой развертке линия развертки представляет собой ок-

ружность, причем длительность ее больше, чем длительность линей-

ной развертки, и отсутствует обратный ход луча. Такой режим раз-

вертки реализуется путем подачи развертывающего напряжения U

непосредственно на вход дифференциального усилителя канала X

(переключатель П

устанавливается в нижнее положение) (см. рис.

3.17,

А).

Для формирования сигнала

при этом используется генера-

тор синусоидальных колебаний. Возникающие при такой развертке

на экране осциллографа изображения могут иметь вид окружности,

эллипса или более сложную форму (их называют фигурами Лиссажу).

Форма кривых зависит от амплитуды, частоты и фазы поступающих в

каналы Y

X сигналов. По этим кривым можно измерять частоту и

угол сдвига фаз исследуемого периодического процесса.

В состав электронно-лучевых осциллографов обычно включается

калибратор, который представляет собой отдельный генератор сиг-

налов известной амплитуды и частоты и служит для точной установки

параметров осциллографа перед измерением.

Наиболее важными характеристиками электронно-лучевых ос-

циллографов являются:

чувствительность канала Г(или коэффициент отклонения), кото-

рая обычно составляет 0,01—20 В/см;

полоса пропускания, определяемая диапазоном частот, в котором

чувствительность канала Y уменьшается не более чем на 30 %;

входное сопротивление (обычно 0,5—10 МОм) и входная емкость

(обычно 10—50 пФ);

погрешность измерений напряжения и длительности временных

интервалов (обычно ±(3—10)%).

3.4. Цифровые электронные измерительные приборы

Цифровые электронные измерительные приборы — это измери-

тельные приборы, в которых входной измеряемый электрический

сигнал преобразуется в дискретный электрический выходной сигнал

и представляется в цифровой форме, удобной для непосредственного

восприятия. Сигнал, подаваемый на вход цифрового прибора, явля-

ется непрерывной (аналоговой) величиной, способной принимать на

100

Рис. 3.18. Схемы цифрового вольтметра (а) и уравновешенного моста (б) посто-

янного тока:

—

входное устройство; 2

—

аналого-цифровой преобразователь; 3

—

дешифратор; 4

—

цифровое

отсчетное устройство; 5—устройство управления; 6— электронный нуль-индикатор; 7— источник

питания постоянного тока; R

—

набор известных сопротивлений

конечном интервале бесконечное множество значений. Дискретный

сигнал, который формируется цифровым прибором, содержит ин-

формацию о числе импульсов напряжения и их взаимном расположе-

ии во времени. Совокупность таких импульсов, используемую для

предоставления информации, называют кодом (цифровым кодом).

Цифровые измерительные приборы используют для измерений

практически всех электрических величин. Их преимуществами перед

аналоговыми электрическими приборами являются: удобство и объ-

ективность отсчета результата измерений, высокое быстродействие,

определяемое отсутствием подвижных электромеханических элемен-

тов; высокая точность результата измерений и возможность полной

автоматизации измерений.

Цифровые вольтметры. Они являются наиболее распространен-

ными цифровыми измерительными приборами. Вольтметр постоян-

ного тока (рис. 3.18, а) работает следующим образом. Измеряемый

i n гнал напряжения постоянного тока поступает во входное устройст-

во, где масштабируется, а затем подается в аналого-цифровой преоб-

разователь, который преобразует аналоговый сигнал в электрический

оОычно двоично-десятичный код, который в дешифраторе преобра-

iye

гея в десятичный код. Сигналами дешифратора управляется циф-

ровое отсчетное устройство, на котором информация о результате из-

105

мерений представляется в десятичной системе исчисления, привыч-

ной для восприятия человеком.

Работа всех устройств цифрового вольтметра согласуется с помо-

щью устройства управления. Входное устройство может содержать в

своем составе помимо делителя напряжения электронный усилитель,

переключатель полярности, фильтры, устройство для автоматическо-

го выбора диапазона измерений.

Основная часть цифрового вольтметра — аналого-цифровой пре-

образователь (АЦП), который служит для квантования по уровню и

кодирования аналоговой величины (обычно напряжения), посту-

пающей на его вход. Принципом действия АЦП определяются все

технические характеристики цифрового вольтметра.

АЦП, а следовательно, и цифровые вольтметры классифицируют

в зависимости от применяемого в них метода измерительного преоб-

разования на АЦП прямого и уравновешивающего преобразования.

В свою очередь, АЦП прямого преобразования подразделяются

на следующие виды:

АЦП параллельного преобразования — измеряемое напряжение

преобразуется в код путем сравнения с набором опорных известных

электрических напряжений;

АЦП частотно-импульсного преобразования — измеряемое на-

пряжение преобразуется в последовательность электрических сигна-

лов, частота которых определяется путем их подсчета за определен-

ный известный интервал времени цифровым счетчиком;

АЦП время-импульсного преобразования — измеряемое напря-

жение преобразуется в интервал времени, длительность которого оп-

ределяется путем заполнения этого интервала импульсами известной

частоты и подсчета этих импульсов цифровым счетчиком.

АЦП уравновешивающего преобразования подразделяются на

АЦП развертывающего преобразования — измеряемое напряжение

сравнивается со значением образцового напряжения, изменяющегося

дискретно (например, увеличивающегося одинаковыми ступенями)

по жесткой программе в течение цикла измерений, до получения ра-

венства этих напряжений, определенное при этом число ступеней пре-

образуется в код; АЦП следящего (или поразрядного) уравновешива-

ния — измеряемое напряжение циклически сравнивается с суммой

принятых в соответствии с используемым для преобразования кодом

значений известных напряжений, вырабатываемых цифроаналоговым

преобразователем до получения равенства этих напряжений.

Дешифраторы, используемые в цифровых вольтметрах, могут

иметь различные схемотехнические решения, что определяется

принципом действия и параметрами цифровых индикаторов. В циф-

106

ровых вольтметрах применяют газоразрядные, электролюминесцент-

ные, светодиодные и жидкокристаллические индикаторы. Информа-

ция в виде кода с выхода дешифратора может быть передана внешним

устройствам (см. выход на рис. 3.18, а).

Цифровые вольтметры постоянного тока имеют погрешность

±(0,002-1)%.

Цифровые вольтметры переменного тока, как правило, представ-

ляют собой сочетание преобразователя переменного напряжения в

постоянное с цифровым вольтметром постоянного тока. При этом в

цифровой форме измеряется среднее выпрямленное или действую-

щее значение напряжения, что зависит от типа используемого преоб-

разователя переменного напряжения в постоянное. Цифровые вольт-

метры переменного тока имеют погрешность ±(0,25—1)%.

На базе цифровых вольтметров постоянного и переменного тока

осуществляется цифровое измерение соответственно постоянного и

переменного тока по падению напряжения на калиброванных рези-

сторах. Цифровыми вольтметрами постоянного тока измеряют также

значения активных сопротивлений. Для этого используют рассмот-

ренные выше схемы.

Цифровые измерительные мосты. Цифровые мосты постоянного

тока (омметры) предназначены для измерения электрических сопро-

тивлений по постоянному току. Схема уравновешенного цифрового

моста постоянного тока показана на рис. 3.18,5. Принцип действия и

математическое описание их работы аналогичны изложенным выше

для аналоговых уравновешенных мостов. Отличие состоит в том, что

н цифровых мостах для уравновешивания вместо переменного рези-

стора или реохорда используется набор известных сопротивлений,

шачения которых выбраны в соответствии с используемым для пре-

образования кодом. При работе цифрового моста с помощью элек-

тронного нуля-индикатора определяется наличие разбаланса моста и

так этого разбаланса, а с помощью устройства управления по соот-

ветствующему алгоритму автоматически подключается такое сочета-

ннс сопротивлений, при котором достигается состояние равновесия

моста. Вырабатываемый при этом устройством управления код с по-

мощью дешифратора представляется на отсчетном устройстве как

результат измерения сопротивления R. Информация с выхода цифро-

вою моста может быть передана в виде кода внешним устройствам.

Погрешность цифровых мостов постоянного тока ±0,01 %.

Цифровые мосты переменного тока имеют такие же измеритель-

тис схемы, как и аналоговые мосты переменного тока, и служат для

и 1мерения емкости и тангенса угла потерь электрических конденса-

100 106

и,

ШШц

1 If

и,

Mill

N=fT

Рис. 3.19. Схема (о) и временные диаграммы (б—д) работы цифрового частотомера:

—

входное устройство; 2— формирующее устройство; 3— временной селектор; 4—электронный

счетчик импульсов; 5—дешифратор; 6— цифровое отсчетное устройство; 7—генератор импульсов

калиброванной длительности

торов, индуктивности и добротности катушек. Погрешность измере-

ний емкости ± 0,02 %, а индуктивности ± 0,05 %.

Цифровые частотомеры. Принцип действия цифровых частотоме-

ров основан на преобразовании переменного напряжения, частоту/

которого нужно измерять, в последовательность однополярных им-

пульсов с частотой следования, равной /, и подсчете числа этих им-

пульсов за известный интервал времени. Такие приборы называют

также электронно-счетными частотомерами.

Схема электронно-счетного частотомера показана на рис. 3.19, а.

Напряжение U

измеряемой частоты подается во входное устройство,

представляющее собой делитель напряжения. С выхода этого делите-

ля сигнал (рис. 3.19, б), пропорциональный U

, подается на вход

формирующего устройства, которое формирует однополярные им-

пульсы (рис. 3.19, в). Частота этих импульсов равна измеряемой час-

тоте напряжения

В процессе работы частотомера с помощью гене-

ратора импульсов калиброванной длительности периодически созда-

108

ются импульсы и

(рис. 3.19, г), длительность которых имеет постоян-

ное значение, что достигается использованием в названном

генераторе высокочастотного кварцевого генератора и делителя час-

тоты. При появлении на входе временного селектора (ключа) импуль-

са

он открывается на весь период Т

существования импульса t/

пропускает в электронный счетчик импульсы U

с выхода устройства

формирования. Число импульсов t/

(рис. 3.19, д), подсчитанное счет-

чиком, равно:

N = TyJ.

Если длительность интервала Т

выбрать равной

с, то число им-

пульсов N равно измеряемой частоте /

В цифровых частотомерах предусмотрена возможность задания

значений Т

из ряда, удовлетворяющего условию Т

= 10", где п — це-

лое положительное или отрицательное число. Это обеспечивает воз-

можность измерений кратных и дольных значений частоты/ Инфор-

мация о числе импульсов N, проходящих через дешифратор, поступа-

ет на цифровое отсчетное устройство, на табло которого появляются

показания в единицах частоты, а также на выход частотомера для пе-

редачи во внешнее устройство. Цифровые частотомеры являются

наиболее точными из существующих в настоящее время рабочих

средств измерений, что определяется высокой точностью, эталона

частоты и времени. С помощью частотомеров могут измеряться ин-

тервалы времени между двумя электрическими импульсами (или ка-

кими-либо событиями, моменты возникновения которых представ-

ляются импульсами).

Цифровые электронные измерительные приборы с оптоэлектронны-

ми отсчетными устройствами. В приборах этого типа, как и в рассмот-

ренных выше цифровых вольтметрах, используется преобразование

измеряемой величины в электрический код, а результат измерений

представляется в форме, которая воспринимается наблюдателем как

аналоговая.

На рис. 3.20, а в качестве примера показана схема вольтметра с оп-

оэлектронным отсчетным устройством. Измеряемое напряжение

через входное устройство поступает в аналого-цифровой преобразо-

ватель, преобразуется в код, который с помощью дешифратора пред-

ставляется на оптоэлектронном отсчетном устройстве, выполненном

в виде специальной шкалы. На рисунке представлена схема вольтмет-

ра, отсчетное устройство которого имеет 102 светодиода. Первый и

последний светодиоды обозначают (высвечивают) начало и конец

шкалы, а остальные формируют показания прибора. Результат изме-

100 108

Рис. 3.20. Схема цифрового прибора с оптоэлектронным отсчетным

устройством:

—

входное устройство; 2—аналого-цифровой преобразователь; 3—дешифратор; 4— шкала; 5—

светящийся светодиод; 6— несветящийся светодиод; НШ

—

начало шкалы; КШ

—

конец шкалы

рений может определяться по положению одного светящегося свето-

диода (рис. 3.20, б) на шкале отсчетного устройства или количеством

светящихся светодиодов, расположенных справа от начала шкалы

(рис. 3.20, в).

В приборах с оптоэлектронным отсчетным устройством могут

применяться газоразрядные, люминесцентные, жидкокристалличе-

ские индикаторы. Эти приборы выпускают в виде вольтметров и ам-

перметров. Класс точности 1.

Цифровые осциллографы. В цифровых осциллографах осуществ-

ляется полная цифровая обработка исследуемого сигнала и использу-

ется отображение измерительной информации на матричных инди-

каторных панелях. Обобщенная структурная схема цифрового осцил-

лографа приведена на рис. 3.21, а. Входное устройство осциллографа

предназначено для усиления сигнала, масштабирования его до значе-

ния, необходимого для работы аналого-цифрового преобразователя.

Масштабирование может осуществляться вручную, как и в аналого-

вых осциллографах, или автоматически по командам процессора. Во

входном устройстве могут вырабатываться импульсы внутренней

синхронизации и запуска осциллографа. Аналого-цифровой преоб-

разователь осуществляет дискретизацию сигнала по уровню и преоб-

НШ

КШ

110

Ю=сН

ДшУ

ДшУ ДшУ ДшУ

ДшУ

( N

ДшУ

)

ДшУ

(

ДшУ

2 J m

ДшА-

Пзн

{t)

~ у

Рис. 3.21. Схемы цифровых осциллографов:

—

входное устройство; 2

—

аналого-цифровой преобразователь; 3

—

процессор; 4

—

оперативно-

запоминающее устройство; 5—отображающее устройство; 6—устройство управления; 7—комму-

татор (мультиплексор)

разует текущее значение сигнала в цифровой код, подаваемый в про-

цессор для последующей записи в оперативное запоминающее уст-

ройство и преобразования его в позиционный код строк отображаю-

щего устройства (матричной индикаторной панели). Калиброванные

во времени коды столбцов отображающего устройства вырабатыва-

ются устройством управления для осуществления развертки изобра-

жения сигнала. Устройство управления, кроме того, вырабатывает

синхронизирующие импульсы, необходимые для управления рабо-

той всех узлов осциллографа.

Коды Nvl М поступают в дешифратор ДшУи Дш^Г(рис. 3.21, б),

которые способны подключать к источнику напряжения соответст-

111

венно

горизонтальных и М вертикальных шин матричной индика-

торной панели. С помощью этих дешифраторов коды преобразуются

в позиционную форму, когда для каждого кода имеется только одна

шина, на которую подается напряжение. Так как в каждом пересече-

нии горизонтальных и вертикальных шин установлен элемент совпа-

дения «И», то при появлении напряжения на горизонтальной шине л,

и вертикальной шине т, элемент индикатора, находящийся в их пере-

сечении, окажется в возбужденном состоянии и высветит одну точку.

В матричных индикаторных панелях в узлах матрицы, как правило, ус-

танавливаются элементы индикации, имеющие пороговую вольт-яр-

костную характеристику, на основе которой реализуется функция

совпадения за счет суммирования напряжения на соответствующих

горизонтальных и вертикальных шинах.

В цифровых осциллографах применяют газоразрядные, светоди-

одные, электролюминесцентные и жидкокристаллические матрич-

ные индикаторные панели.

Имеются также различные схемы многоканальных цифровых ос-

циллографов. В качестве примера на рис. 3.21, в приведена схема

многоканального цифрового осциллографа с мультиплексором изме-

рительных каналов, который поочередно подключает входные уст-

ройства для сигналов U

(t), ..., U

(t), ...,

U„(t)

к аналого-цифровому

преобразователю.

Наличие процессора в составе цифрового осциллографа сущест-

венно расширяет возможность обработки измерительных сигналов за

счет выполнения логических и математических операций: позволяет

осуществлять адаптивное квантование и дискретизацию сигналов,

адаптивную фильтрацию, запоминание измерительной информации,

усреднение значения сигнала, определение пиковых значений сигна-

ла, вычислительные операции, анализ статических характеристик

исследуемого сигнала и т. п. В настоящее время выпускается много

миниатюрных и стационарных цифровых осциллографов с монохро-

матическими и цветными жидкокристаллическими и светодиодными

отображающими устройствами. Число измерительных каналов 1—4,

полоса пропускания от 0—1 МГц до 0—100 Гц, цена деления экрана

от 2 мВ до 5 В. Конструкция цифровых осциллографов, как правило,

обеспечивает возможность подключения к компьютеру. Выпускают-

ся также цифровые осциллографы, которые представляют собой од-

но- или двухканальное цифровое электронное устройство, которое

не имеет собственного отображающего устройства, а предназначено

для работы совместно с компьютером. При этом отображающим уст-

ройством служит монитор компьютера. Программы, заложенные в

100

такое цифровое, устройство, обеспечивают возможность его исполь-

зования в качестве осциллографа, Фурье-анализатора или безбумаж-

ного самопишущего прибора.

3.5. Медицинские электроизмерительные приборы

Медицинские электроизмерительные приборы — это измери-

тельные устройства, предназначенные для измерений и регистрации

во времени электрических потенциалов (биопотенциалов), возни-

кающих при протекании биоэлектрических процессов в организме

человека. Измерительная информация, получаемая с помощью этих

приборов, имеет большое диагностическое значение. Современная

диагностика сердечных заболеваний в большей степени базируется

на анализе изменений биопотенциала сердца — электрокардиогра-

фия (греч. Kardia — сердце + grapho

—

пишу). Менее распространены

методы исследования изменений биопотенциалов мозга — электро-

энцефалография (греч. enkephalos

—

мозг), мышц

—

электромиография

(греч. mys— мышца).

Значения биопотенциалов составляют от нескольких микровольт

до нескольких милливольт, а частота колебаний — от десятых долей

герца до сотен герц. Известны также медицинские электроизмери-

тельные приборы, основанные на измерении электрического сопро-

тивления, например измерители сопротивления кожи, используемые

в исследованиях кожно-гальванической реакции, а также различные

электрореографы (см. гл. 10).

Выходной сигнал медицинских электроизмерительных приборов

представляется в виде записи изменений измеряемой величины от

времени на диаграммной ленте или изображения на экране специа-

лизированного аналогового или цифрового осциллографа.

Многие медицинские электроизмерительные приборы содержат

в своем составе микропроцессоры или согласующие устройства,

обеспечивающие возможность их подключения к компьютеру, что

существенно расширяет возможности этих приборов. Наиболее со-

вершенные медицинские электроизмерительные приборы включают

в свой состав компьютер и по существу представляют собой автома-

тизированные измерительные установки.

3.6. Электрокардиографы

Электрокардиограф — это медицинский электроизмерительный

прибор, с помощью которого измеряют и регистрируют разность по-

тенциалов между характерными точками поверхности тела человека.

113

Появление этих потенциалов вызвано механическими сокращения-

ми сердца и связано с тонкими электрохимическими процессами,

протекающими в биологических мембранах мышечных клеток. Пе-

риодические сокращения сердца вызывают периодические измене-

ния потенциала поверхности тела человека. При этом считают, что

начало вектора электрического поля человека находится в сердце, а

конец этого вектора описывает во времени за один цикл работы серд-

ца сложную пространственную кривую, т. е. электрический вектор

изменяет за цикл работы сердца свои направление и модуль.

Наибольшее применение для исследования сердечной деятельно-

сти человека имеет фронтальная проекция профиля кривой, описы-

ваемой концом вектора, т. е. изменение модуля и направления проек-

ции электрического вектора сердца в этой плоскости (рис. 3.22, а),

представляющее собой электрокардиограмму (рис. 3.22, б). Разность

потенциалов U

и t/

между двумя любыми вершинами треуголь-

ника (см. рис. 3.22, а) — так называемый треугольник Эйнтхове-

на

—

пропорциональна проекциям электрического вектора Е на со-

ответствующие стороны треугольника. Точки А, В и Сна поверхности

тела человека неудобны для измерения электрических потенциалов.

Поэтому вместо точек А, В и С используют соответствующие эквипо-

тенциальные точки на поверхности правой руки (электрод R), на по-

верхности левой руки (электрод L) и на поверхности левой ноги

(электрод F). Обозначения электродов соответствуют английским

словам: R

—

right (правый), L

—

left (левый), F— food (нога). Эти

электроды называют стандартными.

Для борьбы с помехами при регистрации биопотенциалов ис-

пользуют четвертый электрод N, называемый вспомогательным или

нейтральным, который подключается к правой голени. Этот электрод

обычно соединяется с корпусом электрокардиографа и заземляется.

Каждая пара электродов, с помощью которой разность потенциа-

лов вводится в электрокардиограф, называется «отведением». Пока-

занные на рисунке отведения между правой и левой руками (отведе-

ние Г), левой рукой и левой ногой (отведение II) и правой рукой и ле-

вой ногой (отведение ПГ), называются стандартными. Эти отведения

являются биполярными.

Применяют также монополярные (однополюсные) отведения от

конечностей. Одна из разновидностей такого отведения называется

усиленной, а другая — грудной. Усиленные отведения образуются

между электродами, подключенными к одной из конечностей (рис.

3.23, а, б, в), и точкой усредненного потенциала — индифферентным

(лат. indifferens —безразличный, равнодушный) электродом, потен-

циал которого близок к нулю. Эта точка образуется соединением

100 114

Рис. 3.22. Схема образования электрокардиосигнала (а) и форма

электрокардиограммы здорового человека (б)

между собой через одинаковые резисторы

двух электродов, под-

ключенных к соответствующим конечностям. В электрокардиографе

применяют три усиленных отведения: от правой руки (рис. 3.23, а) —

aVR, от левой руки (рис. 3.23, б) — a

и от левой ноги (рис. 3.23, в) —

aVF. Буква «а» — первая буква английского слова augmeted (усилен-

ный), буква ^обозначает напряжение, а буквы R, L и F— соответст-

вующие конечности. Термин «усиленное отведение» связан с тем

фактом, что потенциал этих отведений примерно в 1,5 раза больше,

чем в обычных стандартных отведениях.

Грудные отведения образуются грудным электродом С (рис. 3.23, г),

который накладывается на определенную точку грудной клетки

(рис. 3.23, д), и точкой усреднения потенциала, которая в данном слу-

чае образуется соединением между собой через одинаковые резисто-

ры трех стандартных электродов. Грудные отведения обозначаются

V,, V

,...,

(индекс обозначает точку на грудной клетке). Известны и

другие отведения, однако они применяются редко.

Шесть отведений (/, II, III, aVR, aVL, aVF) дают возможность ре-

гистрировать ЭДС во фронтальной плоскости, а грудные отведения

И6

характеризуют ЭДС, создаваемую сердцем в горизонтальной плоско-

сти.

Электрокардиограмма независимо оттого, в каком отведении она

получена, состоит из зубцов, интервалов и комплексов. На электро-

кардиограмме здорового человека (см. рис. 32, б), полученной с помо-

щью отведения /, можно наблюдать зубцы (Р, Q, R, S, Т, U), интерва-

лы (PQ, ST) и комплексы зубцов (QRS, QRST). Зубцы Р, R, Т, Uна-

правлены вверх, а зубцы

и S

—

вниз. В табл. 3.2 приведены некото-

рые показатели этой электрокардиограммы.

Таблица 3.2. Показатели нормальной электрокардиограммы

Показатель Зубцы Интервалы

Комплексы

Показатель

S Т

QRS QRST

Ампли-

туда, мВ

0,05-

0,25

0,2

0,3—

1,6

0,03

0,25-

0,6

—

Длитель-

ность, с

0-0,1

0,03

(шах)

0,03

(шах)

0,03

(шах)

0,25

(шах)

0,12-

0,20

0,15

0,06 -

0,09

0,30—

0,40

При снятии электрокардиограммы применяют электроды для ко-

нечностей площадью 10—30 см и грудные площадью не более 3 см

Электроды для конечностей обычно представляют собой прямо-

угольные медные пластины, имеющие клеммы для подключения

проводов электрокардиографа. Электроды крепятся к конечностям

специальными зажимами. Между электродом и поверхностью конеч-

ности помещают кусочек ваты или бинта, смоченный солевым рас-

твором для уменьшения электродно-кожного сопротивления. Это

позволяет улучшить качество регистрации электрокардиограммы,

так как снижает влияние внешних полей. Грудные электроды крепят-

ся на поверхность с помощью присосок. Кроме упомянутых электро-

дов для кардиографии было предложено много типов электродов,

различающихся принципом передачи электрического потенциала

(емкостные, резистивно-емкостные, резистивные), конструкцией

(плавающие, гибкие, игольчатые, чашечные), уровнем поляризации

(слабополяризующие, неполяризующие), возможностью повторного

применения (одноразовые, многоразовые). Наиболее современными

являются хлорсеребряные электроды, при использовании которых на

кожу наносят электропроводящие пасты.

Как видно из табл. 3.2, амплитуда электрокардиограмм не превы-

шает

мВ. Качественное измерение такого малого сигнала в условиях

действия множества помех

—

сложная задача. Помехи при измере-

нии электрокардиограмм можно разделить на две группы: внутрен-

117