МИКРОСХЕМЫ «СЛУШАЮТ» ПУЛЬС

Обычно для определения пульса нащупывают артерию у запястья и с помощью часов подсчитывают количество ударов за 10, 20 или 30 с. Затем результат измерений умножают на соответствующий коэффициент. Но лучше, конечно же, воспользоваться специальным прибором — пульсомером. Стоит лишь взять его в руки, как тут же на индикаторе высветится число ударов сердца в минуту.

О том, как в условиях домашней мастерской изготовить практичный электронный пульсомер, уже рассказывалось на страницах нашего журнала (см. № 7’70, 10’84, 4’85). Сегодняшняя публикация— логическое продолжение этой, не теряющей своей актуальности, темы.

Известно, что каждое сокращение сердца сопровождается серией электрических сигналов, наибольшие из которых в кардиологии называют R-импульсами. Их амплитуда, измеренная между кистями рук, обычно находится в пределах 0,2… 1,5 мВ, а частота следования — от 0,8 до 4 Гц. Эти импульсы и регистрируются биопульсомером, смастерить который вполне по силам радиолюбителям.

Прибор имеет компактную и надежную конструкцию с довольно-таки простой по устройству цифровой частью схемы. К тому же здесь нет подстроечных элементов, что создает дополнительные удобства при монтаже. Время одного замера пульса — 12 с, пределы измерения — от 40 до 195 уд./мин.

Питается биопульсомер от батареи из двух элементов 316, а потребляемый ток (2 мА) столь мал, что одного комплекта батареек хватает на 10 000 измерений.

Максимальная погрешность, которую дает прибор при температуре окружающей среды от +10 до +40° С, невелика — до 5 уд./мин.

R-импульсы приходится выделять на фоне сетевой наводки (50 Гц, 1 В). А ведь на вход биопульсомера поступают еще и помехи частотой 0,1…0,5 Гц, вызываемые изменением напряжения в местах контакта электродов с пальцами из-за непроизвольных колебаний рук. Подобные помехи по частоте резко отличаются от кардиосигнала, поэтому входная часть биопульсомера представляет собой операционный усилитель (ОУ) с полосой пропускания от 0,5 до 12 Гц. Причем электроды Е1, Е3, служащие для снятия биопотенциалов, подключены к «ножкам» 2 и 3 DA1.1.

Электрод Е2, называемый индифферентным, ослабляет наводку на входе первого каскада усилителя. Степень эффективности зависит от согласования пар резисторов R2 — R3 и R4 — R5. Если разброс сопротивлений не превышает 0,1%, то ослабление помех определяется ОУ DA1.1. Коэффициент усиления полезного сигнала здесь — около 18.

Основные преобразования кардиосигнала происходят во втором каскаде, собранном на ОУ DA1.2. В полосе частот до 12 Гц его коэффициент усиления составляет 160. Этот же каскад является и фильтром НЧ первого порядка, необходимый спад частотной характеристики которого определяется емкостью конденсатора 02.

Связь между первым и вторым каскадами усилительной части прибора осуществляется через пассивный фильтр C1R6 с частотой среза около 0,5 Гц.

Окончательно кардиосигнал очищается от всякого рода помех после активного полосового фильтра, собранного на ОУ DA1.3. Его параметры задаются элементами С3, С4, R9, R10, R12. Коэффициент передачи в полосе частот 0,5… 12 Гц — около 9, поэтому амплитуда R-импульсов на выходе ОУ DA1.3 обычно превышает 2 В.

Четвертый каскад, собранный на ОУ DA1.4, обнаруживает максимумы в кардиосигнале (то есть выделяет R-импульсы). Основой здесь служит амплитудный детектор с обратной связью, в исходном состоянии у которого на выходе — отрицательное напряжение.

Исследуемый сигнал через диоды VD1 и VD2 поступает на оба входа ОУ DA1.4. Но ведь инвертирующий вход шунтирован конденсатором С5, положительное напряжение на нем оказывается равным среднему значению входного сигнала, которое и переключает ОУ DA1.4 в состояние, когда на его выходе возникает «минус». Как только амплитуда R-импульса на неинвертирующем входе превысит это напряжение, на выходе ОУ появится «плюс», который будет сохраняться в течение 2…3 мс — пока заряжается С7.

После зарядки названного конденсатора диод VD3 закрывается. Разрывается обратная связь выхода с инвертирующим входом ОУ, и «операционник» переводится в свое начальное состояние.

Длительность выходного импульса в ОУ DA1.4 составляет 2…3 мс, амплитуда же достигает 3 В. Очередной R-импульс кардиосигнала может вызвать срабатывание данного операционного усилителя только после разряда конденсатора С7 (через R15 — R16). А это — 280…300 мс!

С выхода ОУ DA1.4 импульсы через дифференцирующую цепь C6R17, диод VD9 и конденсатор С8 поступают на S-вход одновибратора DD2.1 цифровой части прибора, построенной на микросхемах DD2 — DD6. На выходе одновибратора формируются импульсы длительностью 280 мс, которые через диод VD5 закрывают диод VD9 и в течение этого времени не пропускают сигналы на вход, что еще больше повышает помехозащищенность пульсомера.

Интервал для измерения, равный 12 с, задает второй одновибратор, выполненный, как и первый, на D-триггере DD2.2 той же микросхемы. Он срабатывает после нажатия на кнопку SB1 «Счет». За время измерения импульсы одновибратора DD2.1 через узел совпадения (диоды VD6, VD7, резистор R22) поступают на вход следующей части пульсомера — счетной. Состоит она из триггеров DD3.1 и DD3.2, счетчика-дешифратора DD5 и элементов DD4.1 — DD4.4 и обеспечивает жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) HG1 парафазным питанием.

Триггер DD3.1, срабатывая, индицирует на ЖКИ цифры первого разряда (0 или 5), счетчик-дешифратор DD5 — второго (от 0 до 9), а триггер DD3.2 — третьего (в десятиричной системе отсчета ударов пульса в минуту). Показания высвечиваются за отпущенные на это 12 с, причем последнее из появляющихся на индикаторе чисел (например, 60) соответствует частоте пульса — количеству ударов в минуту (см. график).

Следующее измерение возможно только после нажатия на кнопку SB1. В этот момент импульс, сформированный цепью C16R24, устанавливает счетную часть в исходное состояние (на индикаторе появляются нули) и запускает одновибратор DD2.2.

Как уже отмечалось, для нормальной работы на ЖКИ подается импульсное парафазное напряжение питания от генератора, собранного на элементах микросхемы DD1. Частота следования импульсов — 500 Гц. Такое же напряжение действует на общем выводе ЖКИ и входе «С» счетчика-дешифратора DD5.

Выходное напряжение микросхемы DD5 также становится импульсным. А в итоге получается, что когда с какого-либо выхода дешифратора сигнал приходит на ЖКИ в противофазе с напряжением на его общем выводе, то соответствующий элемент знакоместа становится видимым. Если же сигналы синфазные, то данный элемент не виден.

Единица сотен на индикаторе высвечивается сигналами триггера DD3.2 и элемента DD4.4. Причем схемное решение здесь таково, что если частота пульса превышает 100 уд./мин, то на выходе Р («ножка» 2) микросхемы DD5 появляется сигнал низкого уровня, который через инвертор DD6.3 устанавливает триггер DD3.2 в единичное состояние. Выходной же сигнал триггера управляет элементом DD4.4. Да так, что если, например, на прямом выходе триггера — напряжение низкого уровня, то импульс с входа 9 элемента DD4.4 на выход 10 проходит без изменения, а высокого уровня — сигнал инвертируется. Элементы же DD4.1 и DD4.2 предназначены для показа цифр первого разряда (0 или 5).

Кроме числовой индикации частоты пульса на ЖКИ еще высвечиваются (с помощью элемента DD4.3) символы «ПС», мигающие в такт ударам сердца.

«Плюс» от источника постоянного тока напряжением 3 В через выключатель SA1 подается на вывод 11 цепи питания микросхемы DA1. Что же касается отрицательного напряжения (-1,2 В), то оно вырабатывается диодно-емкостным преобразователем, выполненным на элементах DD1.5 и DD1.6, диодах VD12, VD13 и конденсаторах С13, С15. А вот питание микросхем DD2 — DD6 цифровой части биопульсомера осуществляется от диодно-емкостного умножителя напряжения (элементы DD1.1 — DD1.4). Причем согласование выходных уровней сигнала у DD1, питающейся напряжением +3 В, и микросхем цифровой части, питающихся напряжением +5 В, достигается использованием инверторов DD6.1 и DD6.2.

Теперь несколько слов об особенностях монтажа. Практически все детали, кроме батареи GB1, устанавливаются на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Резисторы и конденсаторы впаиваются в соответствующие гнезда вертикально. Индикатор закрепляется на отведенном ему месте с помощью четырех крепежных скоб из луженой проволоки и клея «Момент». А с печатными элементами платы соединяется при помощи двух «токопроводящих резинок».

Неиспользуемые выводы 9, 11 и 13 микросхемы DD6 припаиваются к «общему» проводу.

Конденсаторы применяются малогабаритные. Например, КМ-5-Н90 (С1 — С4, С6, С8, С9, С16) и К53-19 (С5, С7, С10, С12 — С15). В качестве выключателя питания SA1 как нельзя лучше подойдет МТ-1. Кнопка SB1 — типа МП-12 — приклеивается к плате. Все резисторы в биопульсомере — МЛТ-0,125 с пятипроцентным допуском. Точность же подбора пар R2 — R3 и R4 — R5 не ниже 0,1%.

Монтажная плата с ЖКИ и батарея питания размещены в прямоугольном корпусе, склеенном из цветной пластмассы.

На лицевой панели прибора имеется закрытое пластиной из оргстекла прямоугольное отверстие, через которое виден индикатор. По краям располагаются два прямоугольника 40×20 мм из нержавеющей стали толщиной 0,1 мм. Соединенные друг с другом проводом МГТФ-0,12, они образуют индифферентный электрод Е2, подключенный к «общему» проводу прибора. Сигнальные электроды Е1 и Е3 (таких же размеров) размещаются сзади, на крышке, а тумблер включения питания и кнопка «Счет» — на верхней стенке корпуса.

Безошибочно смонтированный биопульсомер не нуждается в специальной настройке. Надо лишь, пользуясь осциллографом и вольтметром, проверить основные узлы на соответствие указанным выше параметрам.

При включении питания на индикаторе появляются две или три случайные цифры. Если прибор взять в руки и пальцами слегка нажать на электроды, на индикаторе высветятся мигающие символы «ПС».

После нажатия указательным пальцем правой руки на кнопку «Счет» на экране ЖКИ появятся вначале нули. Но тут же высветится и начнет с дискретностью 5 единиц расти число регистрируемых прибором ударов сердца. Через 12 с замер пульса прекращается, результат фиксируется и остается неизменным до следующего нажатия на кнопку «Счет».

Разрядка батареи питания до напряжения 2 В практически не сказывается на чувствительности биопульсомера. Ослабевает лишь яркость цифр и символов «ПС», что является признаком необходимости замены элементов питания.

Для измерения частоты сердечных сокращений биопульсомер берут в руки, положив большие пальцы на электроды лицевой панели, а указательные и средние — на электроды задней стенки. При уверенном восприятии прибором сигналов пульса символы «ПС» мигают равномерно.

Ну а если биопульсомер не реагирует на прикосновение ваших рук? Значит, кожа рук сухая или уровень кардиосигнала очень низкий.

В.ЕФРЕМОВ