Applied Electronic Circuit #1

Dept. of Biomed. Eng. BME302: Medical Instrumentation Kyung Hee Univ.

1 박준환

Medical Instrumentation #1

제출일 : 2014. 03. 17.생체의공학과

2010103789 박 준 환


2 박준환

1. Generalized Medical Instrumentation system.

Measurand SensorSignal

Condition-ing

Output


3 박준환


1) Measurand

측정하고자 하는 대상 ( 시스템이 측정하는 물리적인 양 , 특성 )

Accessibility( 접근성 ) 에 따라 측정 방법이 바뀐다

직접적 , 간접적 방법으로 측정이 가능하다 .

예 ) Biopotnetial( 생체 전위 ), Blood pressure( 혈압 ), Temperature(온도 ) 등


4 박준환


2) Sensor

측정한 양을 전기적인 신호로 바꿔주는 변환 장치

측정하고자 하는 물리량에 따른 센서를 사용해야 한다 .

• 측정하고자 하는 물리량 하나에만 반응Specific

• 측정과정에서 측정대상이 변하는 정도를 최소화

Minimization of the extracted en-

ergy

• 외과적 방법을 최소화Minimally invasive


5 박준환


2) – (1) Minimization of the extracted energy

30℃ 29.1℃

30℃ 26.1℃

측정대상온도계

25℃ 29.1℃

25℃ 26.1℃

측정대상의 온도를 최소한으로 변화시켜야 한다 . → 측정과정에서 측정대상이 변하는 정도를 최소화 해야 한다 .


6 박준환


3) Signal Conditioning

Amplification : 적은 신호를 크게 증폭해 주는 과정

Filtering : Noise 와 Signal 을 걸러줌

4) Output

Visual sense ( 대부분 시각적으로 출력 )

Auditory, Tactile sense…. Etc…


7 박준환

P

+

등전위면

Electrodesensor

measurand

< 소금물 통 >우리의 몸도 소금물 통과 흡사

Ex) 건전지 → 심장

Signal Processing

Amplifier


8 박준환

2. Signals And Noise

어떠한 신호를 측정할 때의 신호의 의미 , 잡음의 의미 , 성능 ? - 온도계의 예시

온도계를 제작할 때 구상해볼 것들

Measurand

• 측정범위(Range)

• 해상도(Resolution)

Sensor

• 온도센서(Thermister)

Signal Process-ing

• 증폭기(Amplifier)

• ADC

Output

• Display


9 박준환

1) Measurand

1st. 측정범위 (Range) 설정 : 0 ∼ 100℃2nd. 해상도 (Resolution) 설정 : 0.1℃ [ 온도계가 구분하는 최소의 단위 ] * Dynamic Range[DR]

1. dB = 편의상 사용 → 큰 범위를 압축하여 표현

2. 표현 가능한 개수 : 100/0.1 ( 개 ) → 1000 개로 가능

* AD Converting 시 10 bit 로 가능 (1024 개 )



10 박준환

2) Sensor

3rd. 온도센서 (Thermister) 사용

* 1mV/℃ 의 민감도 (Sensitivity) : 전압신호의 제어 (Control) 이 필요

→ Signal Conditioning 이 포함된다 .

* 센서 출력 전압의 범위 : 0 ∼ 100mV( 증폭기 입력 ) 잡음 전압의 범위 (RTI : Refer-to-Input) ≤ 100uV (0.1mV)



11 박준환

3) Signal Processing

4th_1. 증폭기

* 전압이득 : 50 배

* 잡음전압 ≤ 5mV ( 증폭기의 잡음

출력 )


4th_2. ADC

* 10 bit ADC(Dynamic Range) * 입력범위 : 0 ∼ 5V * 바로 Signal 을 넣으면 1024/50개로

구분되어 원하는 값이 나오지

않는다 . → 5V 중 100mV 만 사용

증폭이 필요 !!!


12 박준환

4) Output

5th. Display

* 처음에 정한 4 자리 (000.0 ℃) 로 해야 한다 . → 처음 계획했던 Resolution 에 맞게


PLUS+ 1. 신호와 잡음의 비교

2. AD Conversion 하는 과정에서 생기는 오차의 분석


13 박준환

* 잡음의 전력성분에 대한 신호의 전력성분의 상대적인 비

- 신호가 Noise 에 의해 얼마나 영향을 받았는지 나타냄

* 측정신호 x(t) = 잡음이 없는 신호 s(t) + 잡음 신호 n(t) SNR = S( 신호의 크기 ) / N( 잡음의 크기 )

3. 신호와 잡음의 비교 (Signal-to-Noise Ratio : SNR)


14 박준환

* S(t) = Asin(wt) (w = 2πf = 2π/T) - 시간에 따라 변하는 신호 (Deterministic signal)

* 크기 ? 1. 최대치 : 2. 평균치 :

3. RMS(Root-Mean-Square : 실효치 ) :

4. 신호의 전력 =


1) Signal

2)(2 AtSSrms

2)(

22 AStP rmss

AtSTt

)(max0

T

dttST 0

0)(1


15 박준환

* Random 한 잡음은 제거가 힘들다 . 예 ) 열 에너지 (Thermal Noise) – 가장 대표적


2) Noise

0

Random Signal

통계적인 방법 사용

- 일정시간 동안 관찰하여 각

전압에

따른 빈도수를 측정

→ Noise 는 평균이 u 이고 , 분산은 을 갖는 가우시안

랜덤 분포이다 .

2

http://www.google.co.kr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=0WoIL4maHThM5M&tbnid=eriCD5DsyTagbM:&ved=0CAYQjRw&url=http://www.domesticatingit.com/average-i-do-not-think-it-means-what-you-think-it-means/&ei=bL0lU6SODcejiQfj5ICIAw&bvm=bv.62922401,d.aGc&psig=AFQjCNEJFYUaLi5L0z5uR86duM74wUPDPg&ust=1395068625604825


16 박준환

* 크기 ?

1. 최대치 : ( 임의로 setting) 2. 평균치 :

3. RMS(Root-Mean-Square : 실효치 ) :

4. 신호의 전력 =


2) Noise

2

4

udnnnfnE n )(}{

4

499994.0)(

u

unfn

222 )(}{ dnnfnnE n


17 박준환

4. ADC

Analog to Digital Conversion (ADC or A/D)

- Analog 신호를 마이크로프로세서나 컴퓨터가 받아 들일 수 있게 Digital 신호로

바꿔주는 과정 .

2 steps

- Sampling( 표본화 ) : 그 순간의 analog 신호를 capture

- Quantization( 양자화 ) : 잡은 analog 신호를 2 진수로 변환


18 박준환

1) Sampling (Sample and Hold Circuit)

4. ADC

시정수 (RC)만큼 expo-nential하게 충전

)(tVi Quantizer N bit 2진수

t1- t1+ t2- ∼ t2+

* Quantizer 의 입력저항은 커야한다 . - Loading effect 를 최소화 - Quantizer 의 RC 시상수를 키우기 위해 방전되는 시간을 길게하여 Quantiza-tion 시간을 벌기 위함

* Sampling 을 얼마나 자주 해야할까 ? - Signal 의 최대주파수의 2 배로 했을 때 Sampling 이 가능하다 . (in signals and system)t1- t1+

t1+ t2+

Conversion time


19 박준환

2) Quantization

* Sampling 한 Analog 신호를 2 진수로 변환하는 과정

4. ADC

입력범위 : 0∼VBit 수 : n

V

0

V/2n

V2

2

2

값이 , 사이 일 때중간 값을 가진다 .

2

2


20 박준환

2) Quantization

4. ADC

* Quantization Noise

2

S

S

2

S

같은 확률로 적용 되므로 확률은 이다 .

1

22

22

2

22

2

2

2311)(}{

01}{

nqqq

qqq

VndnnE

ndnnE

( 양자화 잡음 전력 )

)2

2log(10

2

)2(sin

2)(

2

2

2

ASNR

AP

DCVwtAVtS

s신호의전력

신호

( 양자화 Noise 에 따른 SNR)


21 박준환

3) Digital 로 AD Conversion 하는 이유 ?

* Digital Signal 은 Analog Signal 에 비해 Noise 에 둔감하다

- Digital Signal 은 ‘ 0’ 과 ‘ 1’ 로 이루어져 있기 때문

4. ADC

* Analog Signal * Digital Signal

S(t) : 실수로 표현가능 - 잡음이 들어오면 그 수로 바뀌기 때문에 원래의 신호를 찾을 수 없음

기준선을 만들어 크면 ‘ 1’ 작으면 ‘ 0’으로 구분 – Noise 를 구별할 수 있다

Digital Signal 은 Noise 에 강하다 . But! 많은 Bit 수를 필요 (2 진수 ), 속도를 높여야 처리 할 수 있다 .


22 박준환

감사합니다 .

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