Прибор для измерения скорости кровотока (стр. 6 из 14)
Ограничения, налагаемые на частотный диапазон существующих допплеровских измерителей скорости кровотока, обусловлены, в основном, двумя причинами:
сложностью получения приемлемых параметров ультразвукового преобразователя, выполненного на основе пьезокерамики, для работы на частотах свыше 10 МГц. Толщина пьезокерамической пластины, используемой в качестве активного элемента, составляет половину длины волны, и на частотах свыше 10 МГц становится меньше 0.2 мм. Из-за существования пор в объеме керамики, напыляемые на противоположные поверхности пьезокерамической пластины электрические контакты образуют электрические соединения друг с другом через эти поры, и такой преобразователь становится непригодным для работы;
существующие в настоящее время схемы построения блоков обработки сигналов ультразвуковых преобразователей (в диапазоне до 16 МГц) предполагают производить эту обработку непосредственно в высокочастотной области, что приводит к усложнению схемы, и как следствие, к заметному удорожанию всего допплеровского комплекса.
Основываясь на всем выше сказанном, функциональную схему прибора можно выполнить следующим образом (см. приложение 1).
Рассмотрим работу данной схемы. Сигнал U1, вырабатываемый генератором представляет собой последовательность прямоугольных импульсов f =4МГц. Затем он посылается на буфер, который повторяет сигнал по напряжению и усиливает его по току. На микросхемах DD1, DD1.4 и DD1.5 реализован формирователь импульсов U2 и U3, сдвинутых на
, необходимых для раскачки транзисторов VT1 и VT2.На вторичной обмотке трансформатора формируется двухполярный сигнал U4, который поступает на излучающий пьезоэлемент измерительного преобразователя. Отраженный U6 улавливается приемным пьезоэлементом преобразователя.
Затем сигнал пропускается через повторитель и поступает на усилитель и избирательный фильтр, на выходе которого имеем U7. Полученный сигнал проходит через блок автоматической регулировки усиления, основной задачей которого является изменение коэффициента передачи приемного тракта локатора таким образом, чтобы уровень эхосигнала на выходе приемного блока зависел только от размера цели и не зависел от расстояния от преобразователя.
Для детектирования доплеровского смещения полученный сигнал необходимо подать на смеситель, на выходе которого имеем U8. Частотный спектр этого сигнала широк, поэтому для выделения нужной нам полосы ставим последовательно два фильтра: фильтр низких частот (ФНЧ) и фильтр высоких частот (ФВЧ). После этого сигнал усиливается и в итоге получаем полезный сигнал U9, который поступает на входы блока оптической и акустической индикации.
Блок оптической индикации содержит компаратор (преобразующий изменяющийся во времени сигнал в прямоугольные импульсы), фильтр, повторитель и светодиод.
Блок звуковой индикации состоит из двух последовательно стоящих фильтров нижних и верхних частот и акустического низкочастотного излучателя.
3. Разработка электрической принципиальной схемы прибора
3.1 Описание работы прибора на основании электрической принципиальной схемы
Схема электрическая функциональная приведена в приложении 2.
Для формирования прямоугольных импульсов частотой 4 МГц используем генератор типа К555ЛА3 на логических элементах DD1.1 и DD1.2 с кварцевой стабилизацией. Резистор R1 переводит элементы в активный режим. Для подстройки частоты резонанса используется переменный конденсатор С1. На выходе генератора получаем сигнал U1 (рис.8).
Рис.8. Эпюры напряжений
Сигнал U1 поступает на синхронизирующий вход триггера типа К555ТМ2 DD2, на выходах которого формируются противофазные импульсы напряжения U2 и U3 с частотой 2 МГц. Эти напряжения через элементы DD1.4 и DD1.5 и резисторы R3 и R4 поступают на транзисторы (КТ316А) VT1 и VT2, работающие в ключевом режиме и нагруженные на трансформатор Т1. Ко вторичной обмотке трансформатора Т1 подключен излучающий преобразователь BQ1. Приемный преобразователь BQ2 подключен ко входу приемного тракта через разделительный трансформатор Т2. Трансформаторы Т1 и Т2 обеспечивают дополнительную гальваническую развязку акустических преобразователей от электронных блоков прибора.
В качестве приемного блока DA1 используем микросхему К174ХА2.
3.2 Расчет основных параметов схемы
Частота генератора - 4 МГц. Зададим
=10пФ. Зная соотношение для времени периода 
(время от начала одного импульса до начала следующего), можно найти сопротивление 
. 
Произведем расчет транзисторов
и 
(рис.9).Рабочая частота равна
МГц. Тогда: 
Найдем длительность импульса, зная период
(рис.10). 
Рис.9. Трансформатор Т1 и транзисторы VT1 и VT2
Рис.10. Период и время импульса
Транзисторы должны удовлетворять условию
.Для нашего случая выберем транзистор типа КТ316А и проведем расчет величины времени нарастания
(по этому параметру можно будет судить о правильности выбора типа транзистора).Время нарастания можно найти, используя формулы:
,где
- коэффициент трансформации; 
- напряжение возбуждения транзистора; 
- пороговое напряжение перехода база - эмиттер кремниевого транзистора; 
собственные параметры транзистора.Транзистор типа КТ316А имеет следующие параметры:
.Учитывая, что
получим: 
Таким образом, видно, что рассчитанная величина времени нарастания
меньше требуемой величины 
; следовательно, тип транзистора нами выбран правильно. Произведем расчет трансформатора.Индуктивность первичной обмотки определим из условия:
где
- приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки. 
.Далее проведем расчет типоразмера магнитопровода и его начальной магнитной проницаемости
. 
где
-средняя эффективная линия (см); 
-площадь поперечного сечения (см2);