АННОТАЦИЯ В данной работе исследуются методы проектирования в среде Micro-Cap устройства для выделения R-зубцов, а также последующая разводка данной схемы на печатной плате в программе Altium Designer. SUMMARY This paper examines the design methods in the Micro-Cap environment of a device for isolating R-teeth, as well as the subsequent wiring of this circuit on a printed circuit board in the Altium Designer program. СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 1. Разработка схемы выделителя R-зубцов в Micro-Cap 5 1.1 Подготовка сигнала 5 1.2 Выделение R-зубца 7 Заключение 13 Список использованных источников 14 ВВЕДЕНИЕ Целью работы является освоение основных алгоритмов проектирования электронных средств, разводки печатной платы и проектирования схемы в программе Micro-Cap. Это будет производиться на основе схемы для обработки кардиограмм, а именно для выделения R-зубца. На выходе данной схемы мы получаем сигнал из меандров, у которых передний фронт совпадает с началом Rзубца. 4 1. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ВЫДЕЛИТЕЛЯ R-ЗУБЦОВ В MICRO-CAP 1.1 Подготовка сигнала Создаем пользовательский источник с исходными данными для своего варианта. На этом этапе можно увидеть исходный сигнал (рис.1) рис. 1 Исходный сигнал Сигнал, предоставленный в качестве исходного, имеет достаточно низкий уровень сетевой помехи (50 Гц), поэтому мы добавляем эту помеху самостоятельно. Делаем это с помощью сумматора. Далее мы подключаем к первому входу сумматора наш исходный сигнал с пользовательского источника, ко второму входу – источник синусоидального сигнала (Sine Source), в его параметрах задаем частоту 50 Гц и амплитуду сигнала (рис. 2) рис. 2 Схема сигнал и помеха Чтобы проверить правильность сборки, запускаем анализ во временной области (Transient Analysis) и смотрим три сигнала: исходный, сигнал помехи и зашумленный сигнал после сумматора (рис.3) 5 рис. 3 Сигналы на выходе источника сигнала, источника помехи, и сигнал их перемножения Далее мы должны провести необходимую фильтрацию исходного сигнала. Частотный диапазон сигнала ЭКГ лежит в пределах 0,05 – 100 Гц, поэтому нам понадобится два фильтра: полосовой (рис.4) (сочетающий в себе фильтр верхних частот для удаления постоянной составляющей и фильтр нижних частот для удаления высокочастотных помех) и режекторный фильтр (рис.5) для удаления сетевой помехи. рис. 4 Полосовой фильтр 6 рис. 5 Режекторный фильтр После проведенной фильтрации мы получили чистый ЭКГ сигнал (рис.6), пригодный для дальнейшей обработки. рис. 6 Сигнал до обработки, после полосового и после режектроного фильтра 7 1.2. Выделение R-зубца На первом этапе мы должны были получить чистый сигнал электрокардиограммы, избавленный от сетевой помехи и дрейфа постоянной составляющей. Теперь мы можем без особых проблем выделить из него R- зубцы – стандартная операция для расчета частоты сердечных сокращений (ЧСС). Для этого обычно используют цифровые алгоритмы выделения, у нас же стоит задача повторить эти алгоритмы с помощью аналоговых устройств. Берем модуль входного сигнала, при этом вся мощность сигнала должна перейти в положительную область. (рис.7) После взятия сигнала по модулю мы получаем график рис. 8. рис. 7 Макрос взятия модуля рис. 8 Сигнал взятый по модулю Далее сигнал нужно пропустить через квадратор для контрастирования сигнала и помехи. Усилитель X1 подгоняет порог к единице, позволяя увеличить полезный сигнал (который становится больше единицы и усиливается) и подавить шум (при этом порог может быть адаптивным). Дополнительный сдвиг по времени (временная задержка X2 на 30 мс) позволяет сделать более широким R-зубец (для накопления мощности) (рис.9). Сигнал после квадратора представлен на рисунке 10. 8 рис. 9 Квадратор рис. 10 Сигнал после квадратора Далее мы пропускаем сигнал через высокодобротный (чтобы добавить в сигнал «звон») полосовой фильтр второго порядка (рис. 11) с полосой пропускания 16 Гц (максимум спектра R-зубца находится в частотном диапазоне 8-24 Гц, в качестве средней частоты для расчета характеристик полосового фильтра берется частота 16 Гц). На данном этапе мы подавляем все спектральные составляющие, не имеющие отношения к R-зубцу. рис. 11 Полосовой фильтр 9 рис. 12 Сигнал после полосового фильтра Ещё раз берем модуль сигнала для повышения мощности (после полосового фильтра, состоящего из интегратора и дифференциатора, часть сигнала ушла в отрицательную область). рис. 13 Сигнал после взятия модуля Далее пропускаем сигнал через фильтр нижних частот (интегратор) (рис. 14) для сглаживания высокочастотных составляющих, после этого получаем сглаженные пики (рис. 15). Интегратор также реализуется с помощью временных задержек без дополнительных расчетов коэффициентов фильтрации. рис. 14 Интегратор 10 рис. 15 Сигнал после ФНЧ Сглаженные пики подаются на пороговый элемент, сравнивающий входной сигнал с фиксированным порогом. Порог может быть как адаптивным (меняться в течение процедуры выделения), так и задаваться однократно при настройке системы. В качестве порогового компонента применяется макрос аналогового компаратора (рис.16) рис. 16 Компаратор При этом сигнал сравнивается сам с собой, но прошедшим через RCцепочку. Передний фронт красных прямоугольников обозначает выделенные из исходного сигнала R-зубцы. Посмотрим на исходный сигнал и сигнал после компаратора на рис. 17. Итоговая схема представлена на рисунке 18. рис. 17 Исходный(красный) и конечный(синий) сигнал 11 рис. 18 Итоговая схема выделителя R-зубца 12 2. РАЗВОДКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ В ALTIUM DESIGNER В данном разделе мы должны были представить схему с рисунка 18 на печатной плате. рис. 17: схема для разводки на ПП Полученная после разводки схема представлена на рисунке 18. Пример с авторазводкой приведен на рисунке 19. 13 рис. 18: 2D вид разведённой печатной платы в ручную рис. 19: 2D вид разведённой печатной платы с помощью автоматической разводки 14 рис. 20: сборочный чертёж печатой платы рис. 21: сборочный чертёж печатой платы - дорожки 15 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной работе мы применили свои навыки для разработки схемы реального практически применяемого устройства и развели печатную плату. По результатам разводки можно сделать вывод, что авторазводка чаще использует сквозные отверстия для разводки. 16 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ https://soft-arhiv.com/load/micro_cap https://www.altium.com/altium-365 14