M048 - ESAME DI STATO DI ISTITUTO PROFESSIONALE
a.s. 2002-2003

Indirizzo: TECNICO DELLE INDUSTRIE ELETTRONICHE

CORSO DI NUOVO ORDINAMENTO

Tema di: ELETTRONICA, TELECOMUNICAZIONI E APPLICAZIONI

Un sistema elettronico di registrazione e visualizzazione dell'attività elettrica del cuore è realizzato secondo lo schema a blocchi riportato in figura.

Il segnale elettrico, proveniente dai due elettrodi applicati al paziente, si presenta all'amplificatore in modo differenziale ed ha valore compreso fra -0.8 mV e +0.8 mV con componenti armoniche significative in banda 0. 1 ¸ 40 Hz. Detto segnale è disturbato dalla tensione di rete a 50 Hz presente nell'ambiente.

Il candidato, fatte le ipotesi aggiuntive ritenute necessarie:

1. spieghi il funzionamento di ciascun blocco dello schema;

2. dimensioni l'amplificatore e determini i parametri di funzionamento del filtro, in modo che sia eliminato il disturbo di rete e all'ingresso dei convertitore A/D vi sia un segnale compreso fra -5V e +5V;

3. determini la frequenza di campionamento necessaria per la corretta acquisizione del segnale;

4. indichi il tipo e le caratteristiche di un convertitore A/D adeguato all’impiego nel sistema;

5. identifichi la strumentazione e la modalità con cui collaudare il funzionamento dei primi due blocchi costituenti il sistema;

6. esprima le proprie considerazioni sul tipo di alimentazione necessaria per il funzionamento dei sistema.


Durata massima della prova: 6 ore.

È consentito soltanto l'uso di manuali tecnici e di calcolatrici tascabili non programmabili.
Non è consentito lasciare l'Istituto prima che siano trascorse 3 ore dalla dettatura del tema.


SOLUZIONE
İ by Vittorio Crapella

-1- SPIEGAZIONE SCHEMA A BLOCCHI

Amplificatore:
Considerato che il segnale utile proveniente dai due elettrodi viaggia su due fili che possono raccogliere, per induzione, segnali di disturbo rispetto alla massa è opportuno utilizzare un amplificatore di tipo differenziale che tenda a neutralizzare il segnale di rumore comune amplificando solo quello differenza. Considerato inoltre che la fonte del segnale è il corpo umano, sarà opportuno utilizzare degli operazionali oltre che ad amplificazione differenziarle anche connessi nel modo chiamato "strumentale" con impedenza d'ingresso elevata.

Filtro:
Considerato che il disturbo è prevalentemente a frequenza di rete a 50Hz e al di sopra di quella massima di 40 Hz del segnale utile da amplificare, sarà opportuno che tale filtro sia di tipo escludi banda detto filtro Notch così da avere una forte attenuazione solo per i 50Hz.  L'ideale sarebbe far precedere il notch da un filtro passa basso del 6o ordine con frequenza di taglio a 45Hz così da lasciare passare  praticamente inalterati tutti i segnali da 0,1 a 40 Hz come dalle specifiche richieste, attenuando già tutte quelle al di sopra.

Convertitore A/D:
Il convertitore riceverà i segnali da -5V a +5V provenienti dall'amplificatore opportunamente filtrati così da convertirli in valori binari in base alla risoluzione dell'ADC che verrà scelta nello svolgimento del punto -4-. Essendo la frequenza con cui  varia il segnale molto bassa (massimo 40Hz -> T=25mS), la frequenza di campionamento dell'ADC potrà essere pure non eccessivamente alta.  Secondo il teorema di Shannon dovrebbe essere minimo 2 Fmax del segnale da campionare ma in pratica per avere una campionatura accettabile si usa una F di campionamento almeno 8 volte quella massima da convertire.  In questo caso sarà opportuno tenere conto anche della risoluzione voluta come spiegherò nella trattazione del punto3.

2-DIMENSIONAMENTO AMPLIFICATORE E FILTRO

Dimensionamento Amplificatore:
In base a quanto esposto al punto -1- inerente l'amplificatore lo schema che intendo utilizzare è il seguente:

Considerato che all'ingresso dell'A/D devono arrivare segnali tra -5V e +5V, cioè DeltaVtot = 10V a fronte di una variazione del segnale d'ingresso tra -0,8mV e +0,8mV, cioè  DeltaVin = 1,6 mV, ne consegue che l'amplificazione totale deve essere:

G = DeltaVtot / DeltaVin = 10 V / 1,6 mV = 6250

Intendo attribuire una amplificazione di 100 all' amplificatore differenziale C e il rimanete 62,5 ai due operazionali A e B.      Il segnale differenza in entrata sul differenziale C è dato dalla somma del segnale  d'uscita dell'operazionale A con il segnale d'uscita  dell'operazionale B ma ognuno è come se prendesse ½Vin e l'amplificasse per il proprio guadagno che essendo una configurazione non invertente sarà A = 1 + Ro / Ri ma in questo caso Ri = ½ R1 pertanto in uscita si avrà una tensione:

Essendo R3=R2 la tensione differenza in entrata al differenziale C sarà :

semplificando, la tensione differenza diventa:

sapendo che il Guadagno é il rapporto tra il segnale d'uscita e quello d'entrata si può scrivere:

e pertanto dovendo valere 62,5   sarà  2 R3 / R1= 62,5 -1 = 61,5 
fissando R1 = 2K    sarà R3 = R2 = 61,5 K

L'amplificatore differenziale C deve amplificare 100 pertanto sapendo che il suo guadagno

GC = R7 / R6     fissando R7 = 100K  sarà  R6 = R7 / 100 = 1K

Ne consegue che R4 = R6 = 1K e R5 = R7 = 100 K

Per una migliore stabilità e un corretto funzionamento complessivo dell' amplificatore le resistenze vanno scelte con tolleranza allo 0.5% massimo 1%.

Dimensionamento Filtro Notch:
Intendo utilizzare un filtro a doppio T e per non attenuare il segnale da inviare all'ADC è opportuno interporre tra l'uscita del filtro e l'ADC un operazionale a guadagno unitario (Voltage follower - inseguitore di tensione con contro-reazione totale) così da avere un'impedenza d'entrata molto alta (>= 10 MOhm) tale da non caricare il filtro e pertanto senza perdite di segnale verso l'A/D.

La frequenza Fc del filtro è espressa dalla formula indicata nello schema sopra riportato, di conseguenza imponendo C = 47 nF si avrà 2C = 94 nF cioè due capacità da 47 nF in parallelo mentre il valore della resistenza R sarà:

pertanto ½R sarà = 67.7 / 2 = 33,85 K

Per avere una buona attenuazione centrata nella frequenza desiderata di 50Hz i componenti debbono essere di alta stabilità termica e con tolleranza almeno  dello 0,5% o migliore.

Il filtro notch si può rendere più selettivo collegando anziché a massa la 38,85K e il 94 nF, al centrale di un partitore alimentato con il segnale d'uscita. Il circuito modificato é il seguente:


Mediante il trimmer si potrà effettuare una taratura per il miglior compromesso tra perdita d'inserzione e maggior attenuazione sulla frequenza desiderata di 50 Hz.

3-DIMENSIONAMENTO FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO

Supponendo di essere nella condizione peggiore della conversione e cioè alla variazione massima del segnale di 40 Hz e che vari tra il livello minimo e il massimo previsto (tra -0.8mV e +0,8 mV) e supponendo che tale variazioni sia rappresentata da una sinusoide e supponendo di voler apprezzare nel campionamento variazioni di 1 µV significa che l'ADC dovrà eseguire 800 campionamenti ogni ĵ di periodo T.

F=1 / T da cui T = 1 / F = 1 / 50 = 25 mS pertanto ĵT = 25 / 4 = 6,25 mS

In 6,25 mS devono avvenire 800 campionamenti pertanto il clock di campionamento avrà un periodo di

Tcamp = 6,25 / 800 = 78,1 µS e la Fcamp = 1 / T = 1 / 78,1 = 128 KHz

4- CARATTERISTICHE DELL'A/D

Dalle considerazioni fatte al punto -3- significa che l'ADC dovrà essere in grado di convertire il segnale in equivalenti valori (pesi) binari capaci di contenere le cifre tra - 800 e + 800 considerato che un bit si utilizza per il segno sarà necessario altri 10 bit per i numeri infatti 2 elevato alla 10cima si arriva a 1024 più che sufficiente per contenere i nostri numeri.

Ci vorrebbe un ADC a 11 bit, in commercio esistono a 8, 10 o 12 bit pertanto si utilizzerà un ADC a 12bit.

A tal proposito un ADC che può essere impiegato in un simile progetto é il MAX176 le cui caratteristiche principali sono:

Considerate le sue caratteristiche, si presta anche ad essere gestito da un microprocessore considerate anche le specifiche del progetto la dove parla di "registrazione" il che fa pensare ad archiviazione dei dati letti in modo seriale da un PC e salvati su memoria di massa tipo H.D.

5- MODALITÀ DI COLLAUDO

Strumenti per il collaudo:
Per il collaudo amplificatore e filtro mi servirei di un:

  1. multimetro digitale

  2. generatore di funzioni (a tensione e frequenza variabile)

  3. oscilloscopio

Collaudo amplificatore:
Supponendo il circuito alimentato con il suo alimentatore (vedi punto -6-) mi accerterei delle tensioni in gioco soprattutto sull'uscita dell'operazionale C mettendo gli elettrodi in corto circuito tra loro (Vin =0V).

In queste condizioni sull'uscita dell'OP C si dovrebbe misurare 0,00mV o comunque valori molto vicini allo 0. Qualora così non fosse significherebbe avere un errore di OFFSET. Per ovviare a questo si tratterebbe di mettere un trimmer sui pin dell'operazionale previsti per una taratura di OFFSET e cioè uscita = 0V quando ho Vin =0V.

Avendo optato per un operazionale MAX479 (quadruplo operazionale come indicato nello schema) questo problema non si dovrebbe porre in quanto le sue specifiche lo danno con un OFFSET massimo di 70 µV cioè molto prossimo allo zero come desiderato.

Passerei ora alla verifica funzionale in regime dinamico simulando un segnale d'ingresso sugli elettrodi, mediante il generatore di funzioni posizionato su onde sinusoidali di frequenza 40 Hz e livello d'uscita del segnale di 1,6 mV.

Con la sonda dell'oscilloscopio posta sull'uscita dell'operazionale C valuto il livello e forma d'onda facendo variare la frequenza del generatore tra gli 0,1Hz e i 40Hz, se tutto é funzionante dovrei avere un segnale costante di 10Vpp.

Se il livello d'uscita fosse diverso significherebbe una amplificazione diversa da quella ipotizzata. Per ovviare a questo si potrebbe intervenire con una piccola modifica al circuito mettendo al posto di R1 da 2K una da 1K8 con in serie un trimmer multigiri (per una migliore regolazione) del valore di 470 Ohm. Con il trimmer si potranno avere valori di R1 maggiori o minori di 2K così da poter aggiustare l'amplificazione e il segnale voluto all'uscita del C.

Collaudo Filtro Notch:
Per la verifica del funzionamento del Filtro vario il generatore attorno ai 50 Hz fino ad osservare il minimo valore sull'uscita dell'op C; la frequenza letta dovrebbe essere 50Hz . Se invece apprezzo un discordanza rispetto ai 50Hz posso intervenire mettendo al posto della resistenza da 33,85 K una fissa da 27K con in serie untrimmer multigiri da 10K cosi da poterlo tarare per avere la massima attenuazione, cioè minimo segnale d'uscita dall'operazionale C quando in entrata ho 50 Hz. Se invece si utilizza il circuito migliorato con reazione mediante partitore sull'uscita la taratura si potrà eseguire con il trimmer da 100 Ohm.

6- ALIMENTATORE

Per il funzionamento coretto dell'intero circuito si deve utilizzare una doppia alimentazione e considerato che la massima escursione di segnale in uscita dell'amplificatore é compreso tra -5V e +5V, la tensione duale basterebbe +/-8V considerato però che l'ADC ha bisogno pure di una -12V utilizzo una duale di +/- 12V.

L'ADC oltre la tensione -12V ha bisogno anche di un +5V.

Considerati i consumi ridotti sia dell'oprazionale sia dell'ADC si utilizza un trasformatore di piccola potenza, 10VA sono più che sufficienti. La tensione duale alternata sul secondario del trasformatore é opportuno sia 15+15Vac così da avere una Vcc sui condensatori di livellamento attorno a 20/21V (Vcc=Vac x 1,41).

Essendo un circuito classificabile come elettromedicale é d'obbligo per sicurezza utilizzare un trasformatore del tipo a doppio isolamento e con schermo elettrostatico fra primario e secondario messo a terra per evitare scariche accidentali verso il circuito e di riflesso verso il paziente.

Per avere una buona stabilizzazione senza residuo di alternata intendo utilizzare i regolatori di tensione della serie 78XX per le tensioni positive e 79XX per quella negativa. Basta entrare con una tensione superiore di 5/6V rispetto a quella necessaria in uscita per avere un'ottima stabilizzazione. Questi regolatori sopportando una corrente massima di 1A; sono pertanto anche sovradimensionati rispetto al fabbisogno. Si sarebbe potuto utilizzare la serie 78Lxx dove L sta per LOW cioè bassa corrente (100/150 mA) ma siccome il costo dei 78xx é di poco superiore conviene usare quest'ultimi.

Schema

Considerazioni sulla sonda-elettrodi
Per ridurre il segnale rumore indesiderato indotto sui fili degli elettrodi é opportuno prevedere l'utilizzo, per la lunghezza del cavo-sonda dall'apparato al paziente, un cavo bipolare "twinstato" e schermato con la calza di schermo collegata a massa/terra dal lato apparato.


PROVE DI SIMULAZIONE

Realizzando il circuito completo con Circuit Maker si é potuto verificare l'esattezza del progetto simulandone il funzionamento. [ scarica il file matu03.ckt per Circuit Maker versione studente ]

Dalla barra comandi scegliere SIMUATION poi ANALYSES SETUP, selezionare AC e cliccare sopra per impostare START-F. a 25,0 Hz, STOP-F. a 75,0 Hz e TEST POINT a 1000.

AMPLIFICATORE

In uscita all'amplificatore differenziale si ottengono i 10 V previsti quando in ingresso entrano gli 1,6 mV.

RISPOSTA DEL FILTRO NOTCH

Come si può osservare dal grafico si ha una attenuazione d'inserzione di circa - 0,2 dB e una attenuazione del segnale a 50 Hz di ben 40 dB. Il che significa avere in uscita 9,8 V a 40 Hz (caso peggiore) invece che i 10 V voluti a fronte di una attenuazione di ben 100 volte del rumore a frequenza di 50 Hz.