Анализ устройства и принципы функционирования аудиометров

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

1. Назначение и область применения устройства

2. Описание схемы элементов

3. Описание принципов функционирования

4. Технические требования, параметры и характеристики

5. Метод использования

6. Экологичность и безопасность

7. Эффективность использования

Заключение

Список литературы



Введение

Биотехнология -- это настоящее, но еще в большей мере -- будущее науки и будущее человечества.

Восстановление поврежденных или замена полностью утраченных в результате болезни или травмы отдельных органов человека - одна из проблем биотехнологической медицинской практики, которой сегодня занимаются врачи в тесном союзе со специалистами в области медицинской радиоэлектроники и бионики.

Слух необходим для восприятия звуковых колебаний в довольно широком диапазоне частот.

В юношеском возрасте человек различает звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц, однако уже к 35 годам верхняя граница слышимых частот падает до 15 000 Гц.

Помимо создания объективной целостной картины об окружающем мире, слух обеспечивает речевое общение людей.

Потерями слуха в той или иной форме страдают многие люди. Эти потери становятся критическими, когда они начинают препятствовать нормальному речевому общению между людьми.

Возрастное ухудшение слуха, перенесенные болезни уха, звуковые травмы, ототоксическое действие некоторых лекарств и другие причины приводят к тому, что около 2 % населения для того, чтобы быть полноправными членами общества, нуждаются в применении слуховых аппаратов (СА).

Историческое развитие СА отражает развитие техники и научных представлений о механизмах функционирования слуховой системы человека и причинах ухудшения слуха.

Технология производства СА за последние 100 лет прошла путь от механических приспособлений в виде раструбов до внутриканальных аппаратов с цифровой обработкой сигналов.

В отношении методов обработки сигналов в СА эволюция взглядов не была столь стремительна.

В основном применялось усиление звука и формирование частотной характеристики на основе измерения аудиограммы пациента (зависимости порогов слышимости и дискомфортной громкости от высоты звука).

Дальнейшие исследования способов обработки сигналов в СА ведутся в областях повышения помехоустойчивости восприятия речи за счет адаптивного шумопонижения, формирования пространственных диаграмм направленности микрофонов и моделирования механизмов функционирования периферии слуховой системы.

Следует также упомянуть слуховое протезирование с помощью имплантации электродов в улитку уха, которое выходит за рамки традиционных СА.

В настоящее время на рынке представлен широкий спектр СА, выполненных в виде карманных, заушных, внутриушных и внутриканальных устройств. В основном это аналоговые СА.

Долгое время широкому внедрению цифровых методов обработки звука в СА препятствовали габариты и потребляемая мощность цифровых схем.

С другой стороны, в аналоговых аппаратах ощущался недостаток гибкости настроек для согласования параметров СА с индивидуальным характером потерь слуха у пациентов, связанный с ограничением числа механических регулировок, особенно в миниатюрных вариантах. Вследствие этого в конце 80_х гг. появились аналоговые аппараты с цифровым программированием настроек.

В 1996 г. на рынке появляются полностью цифровые заушные и внутриушные СА фирм Oticon и Widex, реализованные на базе специализированных микропроцессоров с жесткой внутренней структурой, напряжением питания 0,9-1,2 В, током потребления 1-2 мА и производительностью от 14 до 40 млн операций в секунду.

В настоящее время еще несколько фирм (Bernafon, Resound, Siemens, Sonic, Starkey и др.) выпускают внутриушные и внутриканальные цифровые СА.

Успехи цифровой миниатюризации заставляют предполагать, что в скором времени большинство СА станут цифровыми.

Поэтому в дальнейшем развитии СА на первый план выходит задача разработки новых алгоритмов цифровой обработки речевых сигналов, способных качественно изменить подходы к обработке сигналов в СА и улучшить реабилитацию пациентов. Для подбора СА крайне важной является качественная диагностика слухового анализатора человека.



1 Особенности акустической системы человека

Воспринимающей частью слухового анализатора является ухо (рисунок 1). В анатомическом отношении в ухе человека различают три отдела: 1) наружное ухо, состоящее из ушной раковины и наружного слухового прохода; 2) среднее ухо, составленное барабанной полостью и имеющее придатки -- евстахиеву трубу и ячейки сосцевидного отростка; 3) внутреннее ухо (лабиринт), состоящее из улитки (слуховая часть), преддверия и полукружных каналов органа равновесия.

Если присоединить к этому слуховой нерв и слуховые пути в продолговатом и большом мозгу, а также центральные слуховые поля в коре височных долей, то весь комплекс представляет собой слуховой анализатор. В функциональном отношении ухо можно разделить на две части -- звукопроводящую (раковина, наружный слуховой проход, барабанная перепонка и барабанная полость, лабиринтная жидкость) и звукопринимающую (слуховые клетки, окончания слухового нерва) [1].

Рисунок 1 - Строение уха

В результате колебаний волокон основной мембраны возбуждаются рецепторные волосковые клетки, и сигнал по волокнам слухового нерва передается сначала в ядра нижних бугров четверохолмия, оттуда в медиальные коленчатые тела таламуса и, наконец, в височные доли коры больших полушарий, где и находится высший центр слуховой чувствительности. Нарушение слуховой функции может быть обусловлено не только ухудшением чувствительности рецепторов внутреннего уха, ведущим к увеличению порогов восприятия тональных звуковых сигналов той или иной частоты, но и целым рядом факторов, существенно влияющих на восприятие человеком сигналов, особенно со сложной спектральной структурой. Функциональное состояние наружных волосковых клеток существенно влияет на характер колебаний базилярной мембраны под действием звукового стимула, причем не только на амплитуду, но и на остроту частотных характеристик соответствующих ее участков [1, 2].

Влияние наружных волосковых клеток проявляется также эффектом компрессии, при котором слабые звуковые колебания усиливаются соответствующими участками колебательной системы внутреннего уха значительно больше, чем сильные. Тем самым обеспечивается восприятие слуховой системой человека расширенного диапазона амплитуд колебаний звуковых сигналов.

Соответственно нарушение функционирования наружных волосковых клеток ведет к значительным изменениям в характеристиках колебаний базилярной мембраны, что сказывается в первую очередь на ухудшении ее частотно_селективных свойств, а также на характеристике, описывающей связь амплитуды колебаний участков базилярной мембраны с амплитудой воздействующих на нее звуковых колебаний. Таким образом, колебания базилярной мембраны внутреннего уха оказываются существенно нелинейными, а их характеристики -- зависящими как от уровня, так и от структуры действующего звукового сигнала.

По существу, колебательная система улитки производит достаточно сложную обработку сигнала и формирует его отображение, которое с помощью внутренних волосковых клеток преобразуется в поток импульсаций в афферентных волокнах слухового нерва. Из сказанного следует, что такие эффекты как кохлеарный фильтр, двухтоновое подавление, компрессия формируются механизмами внутреннего уха, регулирующими колебания базилярной мембраны, а не процессами в звуковоспринимающем отделе звукового анализатора, как это предполагалось ранее [3].

Предполагается, что именно структуры внутреннего уха, обусловливающие обратные связи, а таковыми являются наружные волосковые клетки, обеспечивают высокие частотноселективные свойства слуховой системы, а также ее способность адаптироваться к различным условиям окружающей среды.

Кроме того, функционирование механизмов обратной связи зависит от структуры действующего звукового сигнала. Следует также различать глобальные и локальные связи во внутреннем ухе.

Исследование порогов слухового ощущения производится с помощью аудиометров.

2 Методика аудиометрии

Аудиометр представляет собой, по сути, генератор звуковой частоты, частоту и интенсивность звука которого можно регулировать с большой точностью. Острота слуха определяется главным образом порогом восприятия звука. Основными физическими характеристиками звука являются: интенсивность звука [Вт/м], частота колебаний [Гц] и звуковое давление [Па]. Интенсивность звука связана со звуковым давлением выражением

J = VP,

где P -- среднеквадратичное звуковое давление, Па;

V -- среднеквадратичное значение колебательной скорости частиц в звуковой волне, м/с.

Минимальная интенсивность звуков различаемая слухом человека, называется пороговой: J₀ = 10-12 Вт/м², а верхняя по интенсивности граница звука -- порог болевого ощущения: J_max = 10 Вт/м², что превышает нижнюю пороговую в 1013 раз.

Для оценки звука пользоваться таким широким диапазоном неудобно (например, прибор для измерения уровня шума в указанном диапазоне с делениями в 1 мм должен бы иметь шкалу длиной в 1 млн км), поэтому относительные уровни по отношению к пороговым значениям принято измерять и оценивать в логарифмической форме [4]:

-- уровень интенсивности: L1 = 10lg (J/J0), [дБ];

-- уровень звукового давления: L2 = 20lg (Р/Р0), [дБ];

При этом весь диапазон слышимых звуков укладывается в пределах от 0 до 140 дБ. Давление звука в 2 Ч 10-5 Па принято брать за 0 дБ. В других физических единицах это соответствует интенсивности звука в 2 Ч 10-6 Вт/см2. Исследование слуха с помощью аудиометра называют аудиометрией чистого звука.

Порог слышимости определяется так: врач до тех пор повышает интенсивность звука на определенной частоте, пока пациент через наушники не уловит звук и не просигнализирует об этом, нажав кнопку, находящуюся у него под рукой.

Воспринятая интенсивность звука и будет порогом возбуждения на данной частоте. После этого врач проводит исследование на других частотах. Для исключения помех целесообразно помещать больного в звукоизолированную камеру (сурдокамеру).

О необходимых действиях врач говорит через наушники, надетые больному. Чистый звук от аудиометра, передаваемый воздушной подушкой между мембраной наушника и барабанной перепонкой, попадает во внутренние органы уха. Есть и такой метод исследования слуха, когда звук с определенной частотой и интенсивностью подают не в ушную раковину, а на кость позади уха -- так называемый сосцевидный отросток. Здесь звук передается черепной костью. Оба метода исследования играют важную роль в дифференциальной диагностике. Если при обследовании с помощью наушников устанавливают потерю слуха, а обследованием с подачей звука на кости черепа повреждения слуха не обнаруживают, то ясно: беда не во внутреннем ухе и не со слуховыми нервами - недуг следует искать в среднем ухе, чаще всего около слуховых косточек.

Ни при одном из описанных методов не удается избежать прохождения колебаний через черепную кость.

Поэтому во время обследования одного уха звуки попадают и в другое, а это мешает обследованию, тем более, когда необходимо осмотреть только одно ухо. Для устранения такого положения неисследуемое ухо «маскируют», т. е. подают на него звук определенной силы (так называемый «белый шум»). Для этой цели в аудиометр монтируется специальный шумовой генератор, сигнал от которого можно подключить к любому наушнику.

Итак, с помощью аудиометров можно определять, по сути дела, кривую порога слуха. Однако врача интересует скорее то, какова потеря слуха у больного на отдельных частотах по сравнению со здоровым человеком. Это определяется разницей между кривой порога слышимости у больного и здорового человека (рис. 2.).

Именно поэтому аудиометры, изготовленные для устранения потери слуха, генерируют на различных частотах звуки различной интенсивности, соответствующей ходу кривой порога нормального слуха.

Это значит, что аудиометр в диапазоне 1ч2 кГц дает звук меньшей интенсивности, чем на более низких или более высоких частотах.

Изменение интенсивности звука таково, что человек со здоровым слухом судит о звуках различной частоты как о звуках одинаковой громкости, хотя они имеют различную реальную в физическом смысле интенсивность. Следовательно, при изменении частоты оценка пациентом громкости остается постоянной [5, 6].

Как известно, ухо улавливает звуки, однако ухо человека способно воспринимать не всякий звук. Диапазон слышимых звуков имеет свои границы и по частоте, и по интенсивности.

Чувствительность здорового уха при увеличении частоты до нескольких килогерц возрастает, затем снова уменьшается, т. е. среди звуков одинаковой интенсивности низкие мы слышим хуже, высокие - лучше, а затем еще более высокие снова хуже.

Известно также и то, что ухо может слышать звуки только в пределах 15-15 000 Гц, если их интенсивность выше порога возбуждения. Интенсивность звука тоже имеет верхнюю границу.

Дело в том, что звуки с интенсивностью выше определенной просто вызывают боль. Если дополнить пороговую кривую кривой боли, то получим диапазон слуха нормального человеческого уха (рисунок 2). Мы можем воспринимать только такие звуки, интенсивность и частота которых находится в этом диапазоне.

В диаграмму стоило бы вписать и диапазон, характерный для нормальной речи, который как по частоте, так и по интенсивности существенно уже, чем диапазон полного слуха. Диапазон речи, естественно, зависит от силы звука и от расстояния, на котором находится говорящий.

Диапазон речи обычно определяют силой нормального звука в комнате на расстоянии от говорящего 1 м.

В зависимости от характера и степени повреждения слуха эта область может значительно сузиться, что обуславливается отчасти отклонением кривой порога слышимости вверх, а отчасти -- сокращением полосы частот. Кривая порога боли обычно не меняется, хотя иногда отклоняется вниз.

Цель исследования слуха -- определить область слышимости и причины ее сужения. На основании этого можно решить, нуждается ли слух пациента в корректировке и можно ли ее осуществить с помощью слухового аппарата.

Кривая порога поврежденного слуха (рисунок 2), например, пересекает диапазон речи, иначе говоря, пациент, имеющий такую кривую порога слуха, уже глухой, он плохо понимает речь, поскольку не воспринимает звуки в диапазоне речи, по интенсивности находящиеся ниже кривой порога поврежденного звука.

Рисунок 2 - Диапазон слуха человеческого уха

3. Строение и структура аудиометров

Аудиометр представляет собой звуковой генератор чистых тонов различной частоты и интенсивности.

Структурная схема аудиометра ФМБ-1приведена на рисунке 3.

Основной частью прибора является генератор 2 электрических колебаний звуковой частоты, напряжение на который подается от сети через стабилизированный источник питания 1.

Кнопки переключения частот 4 «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ» позволяют получить гармонические колебания различной частоты в звуковом диапазоне [7].

Рисунок 3 - Структурная схема аудиометра ФМБ-1

Интенсивность изменяется регуляторами 3 «ИНТЕНСИВНОСТЬ ГРУБО» и «ИНТЕНСИВНОСТЬ. Структурная ПЛАВНО».

В наушника 6 происходит схема аудиометра. преобразование электрических колебаний в звуковые сигналы.

Кнопки-переключатели «КАНАЛЫ» наушников 5 позволяют подавать сигнал раздельно на правый и левый наушники.

Важным приспособлением является аттенюатор - специальный делитель напряжения, ослабляющий выходное напряжение при каждом новом положении ручек.

Наличие двух аттенюаторов с плавной и грубой регулировкой позволяет с достаточной степенью точности ослаблять сигнал в широких пределах.



Принципиальная схема аттенюатора, используемого в работе приведена на рисунок 5.

Рисунок 5 - Схема аттенюатора

Сигнал, поступающий от задающего генератора (рисунок 6), обрабатывается в блоке формирования таким образом, что из него образуются тестовые сигналы с необходимыми амплитудно_частотно_вре_енными характеристиками.

В качестве тестовых сигналов аудиометра могут служить тональные сигналы, речевые сигналы, шумоподобные сигналы.

Необходимые уровни тестовых сигналов устанавливаются посредством регулируемого аттенюатора, от которого они поступают на головные телефоны, громкоговоритель, костный вибратор.

При использовании в качестве тестового сигнала речи в аудиометре предусматриваются источники речевого сигнала (магнитная фонограмма, синтезатор речи).

С помощью простых проверочных аудиометров можно генерировать звуки на определенных частотах (например, 500, 1000, 2000 и 4000 Гц) с интенсивностью звука от 0 до 60 дБ.

С другой стороны, более сложные клинические аудиометры позволяют генерировать 8-10 сигналов различной частоты: при использовании наушников с максимальной интенсивностью -- 110 дБ, при подаче звука на кости черепа -- 60 дБ. Как частота, так и интенсивность регулируется ступенчато [8].

Рисунок 6 - Структурная схема аудиометра

В последнее время стали выпускать автоматические аудиометры. Таков, например, аудиометр Бекеши, который автоматически записывает аудиограмму. Изменение частоты и интенсивности звука осуществляется автоматическим устройством, а фиксация соответствующей точки диаграммы происходит при нажиме больным кнопки. Такие аппараты нужны, главным образом, для проведения серии обследований.

Иногда необходимо исследовать степень понимания больным обычной речи. Особенно обосновано такое аудиометрическое обследование на речь, когда пациент не доволен предписанным ему слуховым аппаратом, не слышит с его помощью достаточно хорошо, хотя его жалобы не подтверждаются аудиометром чистого звука. Аппараты для обследования на понимание речи называют речевыми аудиометрами.

С магнитофонной пленки проигрывают независимо одно от другого смысловые одно многосложные слова или цифры, изменяя интенсивность звука. Пациент должен повторять или записывать эти слова, а врач оценивает, какую часть слов больной понял точно. Слова подбираются с учетом языковых особенностей.

Амплитуда и характер кривой речевой аудиограммы (рисунок 7) многое говорят врачу о природе заболевания и возможностях его лечения. Рассмотренные выше аудиометрические исследования субъективны, так как сигнал о восприятии услышанного зависит от желания пациента.

Решение врача также субъективно. Прежде чем перейти к рассмотрению объективной аудиометрии, рассмотрим методику определения дифференциальных порогов слышимости [8].

Рисунок 7 - Речевые аудиограммы

При исследованиях с силой звука в качестве исходной величины берут значения на 60 дБ выше порога слышимости и производят отклонения от нее в сторону увеличения и уменьшения интенсивности. Испытуемому сначала дают запомнить исходную интенсивность, затем, увеличивая или уменьшая ее, спрашивают, что испытуемый слышит.

Он говорит: «громче» или «тише». В норме дифференциальный порог по силе звука колеблется от ±0,5 дБ при частоте 100-1024 Гц. Аналогично определяют и дифференциальные пороги по высоте тона. Сначала дают исходный тон - интенсивностью 60 дБ и частотой 1024 Гц. Испытуемый должен его запомнить. Затем изменяют частоту и фиксируют то минимальное значение, которое почувствовал испытуемый.

В норме этот порог находится в пределах ± 5 Гц. Следующий параметр -- порог маскировки. В случае его определения дают сигнал на фоне шума. Определяют уровень полезного сигнала для частоты 1024 Гц, который испытуемый воспринимает как второй, едва ощутимый тон на фоне тона шума. В норме этот параметр составляет 30-40 дБ. Определение критической частоты прерывистого шумового раздражителя позволяет характеризовать лабильность слухового анализатора.

Исследование функционального состояния слухового анализатора производится также по прослеживанию за изменением в динамике работы для критической частоты «звуковых мельканий».

Методика заключается в определении максимального количества звуковых шумовых «мельканий» в секунду, которое испытуемый воспринимает как прерывистый шум.

При дальнейшем увеличении частоты перерывы сливаются и шум воспринимается как сплошной. Следует отметить, что здесь есть зависимость от спектрального состава шума. Более высокочастотный шум оказывает большее влияние на функциональную подвижность.

Испытания проводят также с использованием парных или ритмических звуковых сигналов. Испытуемый должен отметить, при каком интервале впервые появляются два раздельных слуховых ощущения (в радиотехнике - разрешающая способность). Лабильность по принятой в медикобиологических исследованиях методике рассчитывается по формуле:

Л = 1000/Т [мс],

где Т -- наименьший интервал дискретности.

Ясно, что формула получена эмпирически. Следует иметь в виду, что величина Т обратно пропорциональна интенсивности стимулов. Для однозначности различных замеров используют звуковые стимулы с превышением порога слуха на 50 дБ и более.

Технические характеристики аудиомера:

Напряжение питания (+15 ±1) % Вт

Частоты 0,125; 250; 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4; 6; 8; 10

Уровень звука:

максимум 80 дБ (на всех частотах)

минимум 0 дБ (на всех частотах)

Регулировка уровня:

до 30 дБ по 5 дБ (ступенчато)

от 30 до 80 дБ по 10 дБ (ступенчато)

Точность частоты ± 3%

Точность уровня ± 3 дБ

Искажение максимум 3%

После рассмотрения методики аудиометрии понятным становится схемное построение слуховых аппаратов (рисунок 8).

Рисунок 8 - Принципиальная схема аудиометра



Технические характеристики слухового аппарата:

Коэффициент усиления 5000

Максимальное напряжение на выходе при сопротивлении нагрузки 60 Ом 0,5 В

Рабочая полоса частот 300-7000 Гц

Напряжение питания 9 В Ток, потребляемый в режиме молчания 7 мА

Максимальный потребляемый ток 20 мА

Усилитель аппарата трехкаскадный.

Первые два каскада охвачены отрицательной обратной связью по постоянному току с целью стабилизации коэффициента усиления.

Частотная характеристика в области верхних частот имеет завал, что осуществляется включением конденсатора С3 между коллектором и базой транзистора Т2.

С целью снижения собственных шумов усилителя первый каскад выполнен на малошумящем транзисторе.

С коллектора транзистора Т2 сигнал поступает на потенциометр R7, выполняющий роль регулятора усиления.

Оконечный каскад собран по схеме усилителя с плавающей рабочей точкой, что позволяет резко уменьшить ток, потребляемый каскадом в режиме молчания.

Светодиод Д3 служит индикатором включения.

Для качественной разработки СА снимается характеристика потерь слуха с конкретным телефоном, выбранным для данной схемы [9, 10].

Аудиограмма плохослышащего сравнивается с аудиограммой здорового человека. Разницей этих двух аудиограмм является характеристика потерь слуха (рисунок 9). Снятие аудиограммы проводится следующим образом.

Вначале устанавливается частота и минимальный уровень сигнала с выхода генератора звуковых частот.



Рисунок 9 - Характеристика потерь слуха

Затем телефон, на который рассчитан разрабатываемый аппарат, помещается в слуховой проход. Уровень сигнала постепенно увеличивается до тех пор, пока он не становится слышимым. Производится измерение сигнала с выхода генератора.

Затем нормально слышимый сигнал постепенно уменьшается. Когда звук в телефоне пропадает, измеряют милливольтметром сигнал с выхода генератора.

Среднеарифметическое значение первого и второго сигнала генератора и будет пороговым уровнем. Необходимо провести измерение пороговых уровней в диапазоне частот 200ч7000 Гц. Для повышения точности измерений и исключения случайных ошибок снятие аудиограммы можно повторить 3-5 раз.

Из характеристики потерь видно, что на участке до 1000 Гц наблюдается подъем с наклоном примерно 12 дБ/окт., а после 1000 Гц--резкий спад: до 2500 Гц с наклоном 26 дБ/окт., затем еще больше.

Наложив на характеристику потерь слуха усредненную АЧХ микрофона, мы можем получить характеристику устройства коррекции (рисунок 10).

слуховой шумопонижение имплантация



Рисунок 10 - Характеристика устройства коррекции

Такая характеристика может быть получена с помощью заградительного фильтра (рисунок 11). Cлуховой аппарат с коррекцией (рисунок 12) содержит двухкаскадный входной усилитель, устройство коррекции, представляющее собой заградительный фильтр, двухкаскадный оконечный усилитель, собранный по двухтактной бестрансформаторной схеме, и импульсный индикатор включения СА [11].

Рисунок 11 - Принципиальная схема заградительного фильтра

Акустическое усиление аппарата 87 дБ, максимальный выходной уровень 124 дБ. Начальный ток потребления (без сигнала) не более 108 мА. Частота вспышек светодиодногоиндикатора подобрана примерно 0,5 Гц, а соотношение выключенного и включенного состояний светодиода -- около 7, поэтому его потребление от источника питания мало. Питается СА от двух батарей напряжением 1,5 В.

Размещен он в пластмассовом корпусе размером 59Ч85Ч16 мм. По субъективной оценке, этот СА обеспечивает хорошую разборчивость речи и позволяет улучшить качество прослушивания музыки. Особенно большой выигрыш получен на участке 1-3 Гц, тогда как при использовании обычных слуховых аппаратов без коррекции звуки с такими частотами практически не прослушиваются [12].

Рисунок 12 - Принципиальная схема слухового аппарата с коррекцией

4. Особенности проектирования микропроцессорных систем

Системы цифровой обработки сигналов, относятся к классу цифровых микропроцессорных систем, функционирование которых помимо конфигурации аппаратных средств определяется также программным обеспечением.

Эта особенность обуславливает следующую последовательность этапов проектирования подобных систем (рисунок 13).

Рисунок 13 - Этапы проектирования МП систем

На первом этапе находится та или иная математическая модель цифровой обработки сигналов, позволяющая с заданной степенью точности удовлетворить технические требования к проектируемой системе.

В качестве такой модели в общем случае выступает некоторый оператор F, связывающий однозначной функцией множество входных воздействий X и множество реакций Y. При этом компонентами множеств могут выступать как непосредственно цифровые последовательности, так и их образы [9].

Следующим после нахождения оператора следует этап структурного синтеза алгоритма обработки.

Специфика проектирования устройства на базе ЦПОС состоит в том, что его структура (состав отдельных компонентов и связь между ними) определяется, с одной стороны, применяемым элементным базисом, а с другой стороны, типом выполняемых процессором операций и числом используемых переменных, то есть алгоритмом обработки.

Следовательно, этап структурного синтеза заключается в нахождении алгоритма (последовательности выполняемых процессором действий по вычислению реакции Y из входного действия X) исходя из заданного оператора F. Алгоритм характеризуется, прежде всего, его базисом, включающем совокупность множества переменных и множества выполняемых ЦПОС операций (действий).

Для того чтобы избежать применения нескольких ЦПОС, внешних ПЗУ и ОЗУ, в качестве критериев оптимальности процедуры проектирования можно использовать ограничения по производительности (для выбранного процессора), объемам ПЗУ и ОЗУ.

На этапе синтеза алгоритма могут быть использованы критерии синтеза, направленные на повышение быстродействия, сокращение числа используемой памяти и разрядности представления переменных. Конечной целью проектирования систем ЦОС для сигнального процессора является программа для ЦПОС.

Второй этап разработки системы ЦОС - этап проектирования и изготовления ее аппаратных и программных средств. При проектировании аппаратных средств

Ш определяют требуемое число процессоров ЦОС, обеспечивающих требуемую производительность системы, и распределяют функции системы между ними.

Ш рассчитывают объемы памяти для хранения массивов данных, исходя из требуемого их числа при выбранном периоде дискретизации.

Ш определяют пропускную способность каждого канала ввода вывода, выбирают типы каналов ввода вывода.

Ш разрабатывают протоколы обмена с внешней средой.

Ш разрабатывают функциональную схему системы ЦОС, определяют конструктивные блоки и выполняют их схемотехническое и конструкторское проектирование.

На третьем и последнем этапе разработки системы ЦОС выполняют комплексную отладку аппаратных и программных средств системы ЦОС и ее испытания.

Наиболее эффективными средством автоматизации процесса комплексной отладки являются внутрисхемные эмуляторы в комплексе с обычным измерительным оборудованием, характерным для цифровых систем [12].

5. Выбор и расчет усилителя

В качестве усилителя биопотенциалов целесообразно выбрать инструментальный усилитель.

Наиболее полно требованиям технического задания удовлетворяет монолитные инструментальные усилители INA114 фирмы Burr-Brown (рисунок 14).

Рисунок 14 - Схема усилителя INA114

Данный усилитель имеет следующие характеристики, приведенные в таблице 1.



Таблица 1 - Характеристики усилителя

Нижний предел падения напряжения:	? 50 мкВ
Дрейф напряжения	? 0,25 мкВ/°С
Минимальное значение входного тока	2 нА
Диапазон входного напряжения	от ±2.25 до ±18 В
Работает в диапазоне температур	от минус 40 до 80 °С

Усилитель INA114 имеет низкую стоимость, высокую точность и небольшие габаритные размеры, что делает его широко применимым при разработке схем электрических принципиальных.

Коэффициент усиления может варьироваться от 1 до 10000 в зависимости от номинального значения сопротивления внешнего резистора (рисунок 32, справа).

Так как при снятии ЭЭГ диапазон изменения биопотенциалов 0,1-200 мВ, то для получения нормированного напряжения для АЦП (5В) необходимо получить коэффициент усиления 25.

;

Следовательно, значение сопротивления внешнего резистора должно составлять 2 кОм, согласно формуле.

R_G=2 кОм.

Данная интегральная микросхема выполнена в 8-выводном пластиковом корпусе (рисунок 15).

Рисунок 15 - Условное графическое обозначение микросхемы INA114

Назначение выводов интегральной микросхемы INA114 показано в таблице 2.

Таблица 2

№	Обозначение	Описание функций
1,8	RG	Внешний резистор
2,3	VIN	аналоговый входной канал. Входной канал однопроводный относительно GND. Входной канал может преобразовывать сигнал напряжения в диапазоне от 0 В до 5 В.
5	Ref	ссылка на вход.
6	Vо	положительное напряжение поставки.

6. Расчет фильтра низких частот

Для фильтрации составляющих гармоник, наложенных на сигнал при широтно-импульсной модуляции, используется фильтр нижних частот.

Усреднение аналогового сигнала за один период (с помощью аналогового фильтра) позволяет сгенерировать аналоговый сигнал.

При заполнении импульсов 50% аналоговый сигнал равен половине напряжения питания, а при 75%-ом заполнении импульсов - аналоговый сигнал равен 75% от напряжения питания.

Например, аналоговый ФНЧ можно выполнить с помощью простого пассивного RC-фильтра (рисунок 16).

Рисунок 16 - Низкочастотный RC-фильтр

Простой RC-фильтр нижних частот, как правило, недостаточно хорошо фильтрует амплитуды составляющих переменного напряжения. При десятикратном увеличении частоты гашение увеличивается всего лишь на коэффициент 10, т.е. на 20 дБ на десятичный разряд.

Этого недостаточно для требуемой точности цифро-аналогового преобразования.

Учитывая выше сказанное, в представленной схеме используем активный фильтр второго порядка (рисунок 17).

Рисунок 17 - Фильтр нижних частот второго порядка, предназначенный для обработки ШИМ - сигнала



Для расчета параметров фильтра нижних частот зададимся номиналами конденсаторов С₁= 0,082 мкФ и С₂= 0,039 мкФ и рассчитаем сопротивления R₁ и R₂ согласно следующим уравнениям:

При этом К - коэффициент усиления, равный 1; а₁ и b₁ - коэффициенты фильтра Баттерворта, равные 1,4142 и 1 соответственно.

При выборе конденсаторов фильтра, учитывается, что

В результате расчета получились следующие значения резисторов

R₁=R₂=3,24 кОм и R₃=3,74 кОм

Принципиальная схема фильтра низких частот представлена на рисунке 18, реализован фильтр на базе микросхемы LM2902.



Рисунок 18 - Схема фильтра низких частот



Заключение

В ходе выполнения курсового проектирования был произведен аналитический обзор в области исследования и анализа измерения порога слышимости человеческого уха посредством аудиометрических систем.

Суть разрабатываемого устройства состоит в том, что за основу проектирования прибора принята микроконтроллерная схемотехника, которая позволяет разрабатывать устройства с широкими функциональными возможностями.

Разрабатываемый пороговый аудиометр спроектирован согласно следующим требованиям: диапазон частот 125 … 8000 Гц (11 частот); интенсивность звука J= -10 … 110 дБ; регулировка уровня прослушивания с шагом в 5 дБ.

Разработана структурная схема устройства, выбрана элементная база и представлена предполагаемая принципиальная схема электронного аудиометра.

Список используемых источников

1. Розенблюм А. С., Цирульников Е. М. Новые методы диагностики нарушения слуха. М.: Медицина, 1993. 53 с.

2. Катона Золтон. Электроника в медицине: Пер. с венг./Под ред. М. К. Размахина. М.: Сов. радио, 1980. 141 с.

3. Зайченко К. В., Кулыгина Л. А., Виноградова Е. П. Диагностические измерения в медицинских системах: Учеб. пособие / СПб ГУАП. СПб., 2002. 156 с.

4. МЭК 751 Промышленные платиновые термометры сопротивления.

5. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1988.

6. Четвертков И.И. Справочник по резисторам

7. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник./Якубовский., Ниссельсон Л.И., Кулешов В.И. и др.; Под ред. Якубовского С.В. - М.: Радио и связь, 1989.

8. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1991.

Размещено на Allbest.ru