1 (1040089), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Рисунок 1.10 Деление частотного спектра на зоны Найквиста

Частотный спектр разделен на бесконечное число зон Найквиста, каждая по 0,5 f_s. Говоря о дискретизации низкочастотного сигнала подразумевают, что подлежащий дискретизации сигнал лежит в первой зоне Найквиста. Важно обратить внимание на то, что без фильтрации на входе идеального дискретизатора любой частотный компонент (сигнал или шум), который находится за пределами "полосы Найквиста", в любой зоне Найквиста будет создавать НЧ-составляющую в первой зоне Найквиста. По этой причине ФНЧ используется почти со всеми АЦП для подавления нежелательных сигналов.

Важно правильно определить характеристики НЧ-фильтра. Первым шагом является получение характеристик сигнала, подлежащего дискретизации. В случае, когда наивысшая из интересующих нас частот равна f_a, фильтр пропускает сигналы, лежащие в полосе частот от 0 до f_a, тогда как сигналы с частотой выше f_a ослабляются.

Произведем оценку частотных характеристик сигнала. Информативная граница спектра исследуемого сигнала (пневмотахограммы) обычно принимается на уровне 20..40 Гц. Основная гармоника будет присутствовать на частоте 0,2..0,3 Гц. Наибольшая информативная частота в спектре пневмотахографического сигнала составляет 40 Гц (f_a = 40 Гц). Таким образом (рис. 1.1), необходимо максимально ослабить влияние высокочастотных гармоник на исследуемый сигнал.

Рисунок 1.11 Спектр исследуемого пневмотахографического сигнала

Рассмотрим спектр исследуемого пневмотахографического сигнала (рис. 1.11). Принято ограничивать сигнал на 40 Гц [3]. Из рис. 1.11 видно, что в анализируемом сигнале присутствуют гармоники и более высокого порядка, вплоть до 500 Гц и более. Следовательно, до того, как оцифровать сигнал с помощью АЦП ADS 1252 необходимо подвергнуть сигнал фильтрации. Синтезируем фильтр нижних частот с частотой среза 40 Гц. То есть, такой фильтр должен обеспечить ослабление по уровню 3 дБ на частоте 40 Гц.

1.2 Синтез и моделирование резистивно-емкостного фильтра 2-го порядка.

Схема синтезируемого резистивно-емкостного фильтра
2-го порядка представлена на рис. 1.12.

Рисунок 1.12 Схема резистивно-емкостного фильтра 2-го порядка.

(1.11)

(1.12)

(1.13)

(1.14)

(1.15)

(1.16)

(1.17)

(1.18)

Решим полученное квадратное уравнение относительно .

(1.19)

Для физической реализуемости резистивно-емкостного фильтра 2-го порядка необходимо выполнение условия

(1.20)

, (1.21)

где: ‑ добротность резистивно-емкостного фильтра 2-го порядка. Таким образом, минимально возможное значение является оптимальным по критерию максимальной добротности резистивно-емкостного фильтра 2-го порядка. Тогда

. (1.22)

Следовательно,

(1.23)

(1.24)

Итак,

(1.25)

Выполним проверку:

(1.26)

(1.27)

Найдём частоту среза полученного резистивно-емкостного фильтра нижних частот 2-го порядка по уровню .

(1.28)

(1.29)

(1.30)

Итак, задаваясь частотой среза резистивно-емкостного фильтра нижних частот 2-го порядка , значениями ёмкостей конденсаторов и (из стандартных рядов Е6, Е12 или Е24 для определения номинальных сопротивлений и емкостей при допустимых отклонениях ) так, чтобы оптимальные по критерию максимальной добротности резистивно-емкостного фильтра 2-го порядка значения сопротивлений резисторов и можно определить по следующим формулам:

(1.31)

Полученные соотношения позволяют автоматизировать процесс проектирования резистивно-емкостных фильтров нижних частот 2-го порядка с использованием системы MathCAD 13.

В схеме спроектированный резистивно-емкостной фильтр нижних частот 2-го порядка используется для создания антиалайзингового фильтра (частота среза ) для обработки пневмотахометрического сигнала перед дискретизацией в АЦП.

Для выбора значений ёмкости конденсаторов и сопротивлений резисторов воспользуемся рядами Е6, Е12, Е24 для определения номинальных сопротивлений и емкостей при допустимых отклонениях .

В табл. 1.1 приведены рассчитанные и выбранные значения ёмкости конденсаторов и сопротивления резисторов. Порядковые номера конденсаторов и резисторов в таблице соответствуют позиционным обозначениям схемы электрической принципиальной приёмо-передающего блока системы экстренного вызова с возможностью передачи речевых сообщений.

Таблица 1.1

Значения ёмкости конденсаторов и сопротивления резисторов.

Для получения частотных характеристик спроектированных резистивно-емкостных фильтров нижних частот 2-го порядка воспользуемся программой для схемотехнического моделирования Micro-Cap 7. Исследуем схему фильтра нижних частот для частоты среза . Схема для моделирования в Micro-Cap 7 фильтра нижних частот с частотой среза представлена на рис. 1.13. На рис. 1.14 представлены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики.

Рисунок 1.13 Схема для моделирования в Micro-Cap 7
RC-фильтра нижних частот 2-го порядка с частотой среза .

Рисунок 1.14 Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики
RC-фильтра нижних частот 2-го порядка с частотой среза .

1.3 Разработка алгоритма передачи данных в ПК

Сегодня в медицинском приборостроении все более широко используются микропроцессорные средства и микроЭВМ. Стои­мость такой техники снижается с каждым годом, и она становится доступной для применения в медицине. Автоматизированный компьютерный анализ инспираторной и экспираторной частей петли поток - объем является наиболее перспективным методом количественной оценки нару­шений легочной вентиляции.

Необходимы сглаживание кривых и тщательная фильтрация сигналов, которую можно выполнить как в аналоговой, так и в цифровой области. Последняя имеет ряд преимуществ перед аналоговой:

• высокая помехоустойчивость,

• высокая точность преобразования сигналов,

• гибкое изменение параметров фильтра (при изменении алгоритмов и программ фильтрации).

На характеристики цифрового фильтра, в отличие от функциональных узлов аналоговой техники, не влияют большинство источников погрешностей, например, нестабильность источников питания, колебания температуры, старение компонентов и другие. Конечно, в цифровых фильтрах проявляются специфические погрешности обработки, связанные с неизбежным округлением коэффициентов, квантованием исходных сигналов (что приводит к появлению шумов квантования) и частотными искажениями дискретизации.

Указанные преимущества цифровых фильтров в полной мере реализуются при анализе низкочастотных сигналов, получаемых в результате медицинских обследований. Эти сигналы могут значи­тельно искажаться аналоговыми схемами из-за дрейфа параметров, в особенности это относится к спирографическим исследованиям, где информативная граница спектра сигнала не превышает 20...40 Гц. Таким образом, для обработки сигнала будет использоваться дискретная низкочастотная фильтрация на компьютере.

28

Характеристики

Список файлов домашнего задания