Tìm hiểu và xây dựng hệ thống TeleMedicine

Điển hình là ống nghe số Stethos được lựa chọn vì chi phí thấp và hiệu quả cao.Với tần số thích hợp trên biểu đồ chúng ta so sánh giữa ống nghe Stethos và ống nghe đạt chuẩn âm thanhhình

PHẦN A : LÝ THUYẾT VÀ LẬP TRÌNH

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TELEMEDICINE

1.1 Giới thiệu telemedicine.

1.1.1 Định nghĩa telemedicine.

Telemedicine có nghĩa là y học từ xa.Khái niệm này được mô tả theo nhiều cách và nhiều ngữ cảnh khác nhau nhưng chưa có sự chấp nhận về định nghĩa này.Tổ chức sức khỏe thế giới (World Health organization-WHO) đã đưa

ra nghĩa telemedicine như sau:

Việc chăm sóc sức khỏe cùng sự phối hợp giữa việc nghe nhìn và truyền dữ liệu (dữ liệu bao gồm những hình ảnh có độ phân giải cao,các băng video sống động và thông tin về bệnh án của bệnh nhân)

Trong tương lai telemedicine được phát triển cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính và công nghệ truyền thông để có được hiệu quả trong việc chăm sóc sức khỏe rộng rải cho mọi người dân

1.1.2 Hệ thống telemedicine trong thế giới công nghiệp.

Những quốc gia công nghiệp phát triển như ở vùng Bắc Mỹ,Châu âu,Nhật, và Úc có nhiều kinh nghiệm về telemedicine và ở tại các nước này telemedicine được ứng dụng trên 50 năm.Ví dụ như viện Nebraska Psychiatric Institute vào năm 1959 là trường hợp dầu tiên trên thế giới dùng mạch đóng của tivi kết nối với bệnh viện Norfolk Hospital cách nhau 112 dặm.Kết nối này được sử dụng bởi nhiều bác sĩ để giúp họ trong việc điều trị bệnh nhân.Và việc thực hiện đầu tiên nổi bậc khác của telemedicine là truyền sóng âm thanh qua màn hình video được thiết lập vào tháng 4/1968 giữa bệnh viện tổng hợp Massachusetts General Hospital và phi trường Boston’s Logan.Sự kết nối này rất cần thiết trong việc chăm sóc sức khoẻ kịp thời cho nhân viên phi trường , cho hành khách và sẽ loại bỏ sự không cần thiết những phòng mạch gần phi trường trong việc vận chuyển bệnh nhân

Telemedicine là sự tiến bộ vượt bậc trong thế giới hiện đại.Ngày nay nó được dùng rộng rãi từ cuộc gọi điện thoại đơn giản giữa bác sĩ và bệnh nhân cho đến việc tư vấn qua email rồi đến Virtual Realty(thực tế ảo) trong việc giải phẩu từ xa.Hầu hết những ứng dụng của telemedicine được dùng nhiều ở các vùng nông thôn,trong các viện ,trong quân đội và trong không gian.Sự cần

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 1

thiết của telemedicine ở các vùng nông thôn là do không có bác sĩ chuyên khoa trong việc chuẩn đoán bệnh cũng như không có các thiết bị cần thiết để chữa.

Trong hình 1.1 dưới đây bệnh nhân được kiểm tra bởi bác sĩ và phụ tá của ông trong khi video truyền trực tiếp từ tai trong của bệnh nhân cho các bác

sĩ ở nơi khác xem và chuẩn đoán

Hình 1.1:Hệ thống telemedicine truyền thông

Cơ quan NASA(National Aeronautics and Space Adminstration)của Mỹ đã quan tâm đến telemedicine từ rất lâu và đã có những thử nghiệm sớm nhất Những thử nghiệm của NASA được thực hiện vào năm 1960 khi đưa con người bay vào không gian.Vì sự thiếu hụt của các chuyên gia y học trên tàu vũ trụ nên các bác sĩ dưới mặt đất lệ thuộc nhiều vào hệ thống telemedicine để theo dõi sức khỏe của các phi hành gia trên tàu vũ trụ.Do việc truyền thông giữa trái đất và các phi hành gia có một khoảng thời gian chờ lâu nên NASA đã phát triển hệ thống telemedicine thông minh để giúp các phi hành gia quyết định đúng đắn về cuộc sống của mình khi cách xa trái đất hành triệu dặm

Hình 1.2:Bộ telemedicine của NASA

1.1.3 Những quốc gia đang phát triển telemedicine.

Những quốc gia đang phát triển có rất ít kinh nghiệm hoặc khả năng ít thành công với telemedicine.Nguyên nhân do những thiết bị này có chi phí cao kết nối Internet , cùng với hệ thống video trong hội thảo và các thiết bị đắt tiền khác.Công nghệ này quá đắt nó vượt ngoài khả năng của các tổ chức sức khỏe

ở những nước đang phát triển mà ở các nước này cần những thứ chủ yếu như cái ăn ,mặc và vaccine là chính.Ở các quốc gia đang phát triển có tỉ lệ giữa bác

sĩ và bệnh nhân rất cao.Ví như ở Mỹ tỉ lệ giữa một bác sĩ có thể chữa cho 200 đến 500 bệnh nhân trong khi ở các nước đang phát triển như Đông Phi thì tỉ lệ này khá cao là một bác sĩ chữa cho 40000 người Do đó việc chăm sóc sức khỏe cho người dân ở các quốc gia này là nhiệm vụ và là điều tiên quyết để phát triển kinh tế và tiến bộ xã hội

1.2 Bộ telemedicine kit

Telemedicine kit được thiết kế và xây dựng dùng cho việc chuẩn đoán từ xa rất cần cho người bệnh.Bộ telemedicine kit sử dụng những phần chính trong dự án LINCOS (Little Intelligent Communities-dự án ở hai quốc gia Cộng hòa Dominican và Costa Rica dùng chăm sóc sức khỏe cho người dân ở những vùng nông thôn,vùng xâu,vùng xa).Do bộ telemedicine kit linh hoạt nó có thể dẫn đến phòng khám hay tại nhà

Bộ telemedicine kit (hình1.3)được thiết kế gồm một thùng nhựa chứa máy tính dùng phần mềm telemedicine và một số thiết bị ngoại vi y khoa tích hợp với nhau để thu những thông tin chuẩn đoán của bệnh nhân

Hình 1.3:Bộ telemedine kit

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 3

1.2.1 Đặc tả telemedicine kit.

Những đặc tả đầu tiên về telemedicine kit đã dựa trên nền tảng của cuộc nghiên cứu về việc truyền thông tin y tế giữa hai quốc gia Costa Rica và Cộng hòa Dominican.Y tế là điều thật cần thiết cho việc trao đổi giữa hai quốc gia về các vấn đề liên quan đến lĩnh vực y khoa cũng như là việc trao đổi giữa hai vùng khác nhau trong cùng một quốc gia đó.Ví dụ như Costa Rica,Bộ y tế đã nghiên cứu thấu đáu vào năm 1996 để đánh giá sự cần thiết trong lĩnh vực y tế phục vụ cộng đồng.Việc nghiên cứu này nhìn chung khả quan cho việc quyết định thực thi một chương trình telemedicne trên diện rộng ở Costa Rica

Năm 1999 một nhóm nghiên cứu y học từ trung tâm Future Health tại trường đại học Rochester đã đưa công nghệ RAP(Rapid Assessment Procedure-là chương trình chăm sóc sức khỏe cộng đồng được lên kế hoạch và đánh giá tính tương thích của sản phẩm mới trước khi đưa ra thị trường để chắc chắn những thiết bị hoặc những hệ thống đạt hiệu quả) vào Costa Rica và Cộng hòa Dominican để đánh giá hiệu quả và sự nhanh nhạy cần thiết trong việc phục vụ cộng đồng ở hai nước đó

Bộ telemedicine kit có 5 thành phần:

+Bảng ghi thông tin từ bệnh nhân như tim và phổi bằng một ống nghe số

+Điện tâm đồ thu tín hiệu với 12 đầu dây

+Thu những hình ảnh và băng video có độ phân giải cao của mắt,tai, mũi, họng và vùng da

+Bảng đo máu bệnh nhân,xung,nhiệt độ cơ thể và trọng lượng

+Đưa những file lên và lấy xuống từ cơ sở dữ liệu trong bảng ghi thông tin y khoa trên mạng

1.2.2 Những thiết bị ngoại vi.

Một số thiết bị ngoại vi giao tiếp với máy tính xách tay để thu dữ liệu y học ở dạng văn bản,đồ họa,âm thanh và hình ảnh video.Khi những thiết bị trên không sử dụng ,chúng sẽ được cất vào bên trong thùng dọc theo theo máy tính.Điện nguồn trong thùng này sử dụng pin hoặc cắm trực tiếp vào máy tính Những thiết bị ngoại vi giao tiếp với máy tính được cắm trực tiếp vào một tấm panel ở trên thùng máy.Hình 1.4 trình bày việc truy xuất vào một tấm panel một cách tuần tự,bằng cách nhìn những biểu tượng trên panel

Hình 1.4:Tấm panel dùng cắm thiết bị.

1.2.2.1 Ống nghe điện tử

Hình 1.5:Ống nghe telemedicine kit

Bộ telemedicine có một ống nghe điện tử (hình 1.5)để thu những âm thanh của tim và phổi bệnh nhân.Ống nghe điện tử đang được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực giáo dục(những sinh viên ngành y có thể dùng ống nghe điện tử để nghe nhịp tim của người bệnh khi mà thầy giáo hướng dẫn cách nghe).Ống nghe điện tử có âm thanh truyền qua màng rung tới bộ nghe và có một vài sự cải tiến để âm thanh truyền tốt như:loại bỏ sự mất âm thanh và loại bỏ những âm thanh quá lớn(còn gọi là dội âm),thiết lập khả năng khuếch đại âm thanh ở nhiều mức,khả năng lọc âm thanh nhiễu và cô lập âm thanh trong một vùng có tần số chấp nhận được

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 5

Điển hình là ống nghe số Stethos được lựa chọn vì chi phí thấp và hiệu quả cao.Với tần số thích hợp trên biểu đồ chúng ta so sánh giữa ống nghe Stethos và ống nghe đạt chuẩn âm thanh(hình 1.6).Từ biểu đồ có thể thấy sự khác nhau ở các mức đo,Stethos khuếch đại âm thanh có tần số thấp trong khi vẫn giảm tiếng ồn ở tần số cao.Trước đây ống nghe điện tử chỉ thực hiện việc nghe không thu được nhưng có một sự cải tiến là dùng dây của thiết bị này trực tiếp đưa tín hiệu âm thanh vào ngõ input của máy tính thay vì đưa qua bộ tai nghe.Tín hiệu từ bộ tai nghe được khuếch đại ở mức thích hợp để đưa lên máy tính và nó cho phép những bác sĩ có thể nghe qua bộ tai nghe khi họ cắm bộ tai nghe vào tấm panel trên máy tính.

Hình 1.6:Biểu đồ xuất tần số của ống nghe Stethos

1.2.2.2 Điện tâm đồ(Electrocardiogram Recorder-ECG)

Tim là nguyên nhân gây ra nhiều cái chết trên thế giới và chúng thường không được chuẩn đoán một cách đầy đủ.Điện tâm đồ(ECG)được sử dụng để theo dõi nhịp tim và có thể phát hiện kịp thời những nhịp tim bất thường,ECG còn dùng đo lượng máu và khí oxy trong người bệnh nhân.Những hệ thống ECG đúng chuẩn có kích thước lớn,chi phí đắt và có thể in những kết quả ra giấy mà không cần qua máy quét bên ngoài.Để điện tâm đồ có khả năng chuẩn đoán,bộ telemedicine được trang bị 12 đầu dây nối với máy tính.Thiết bị ECG cho phép nhân viên đo có thể thu và chuyển phần điện tâm đồ của bệnh nhân tới viện tim để bác sĩ chuẩn đoán.Một trong những cải tiến của thiết bị này là phần mềm có thể phản hồi những tín hiệu mà nó nhận được.Điều này có nghĩa là nếu bệnh nhân phát hiện những vấn đề về tim thì hệ thống ECG sẽ

mang tới những bác sĩ chuẩn đoán ngay lập tức và sau đó bệnh nhân chờ sự trả lời từ viện tim( hình 1.7).

Hình 1.7:Điện tâm đồ(ECG) đo bệnh nhân

1.2.2.3 Hệ thống hình ảnh trong y khoa

Hệ thống hình ảnh y khoa được sử dụng trong bộ telemedicine dùng để thu hình ảnh và băng video từ da của bệnh nhân(ngoài ra có thể kiểm tra mắt,tai,mũi.họng).Da cho biết sự xuất hiện của các triệu chứng ở người bệnh trên thế giới.Do đó những hình ảnh về da yêu cầu phải có độ phân giải cao và phải rõ nét

Mô hình telemedicine có độ phân giải cao(410.000 pixel),camera CCD(Charge Couple Device-dụng cụ ghép điện tích) cỡ 1/4 inch được tích hợp rõ nét.Camera này được sản xuất bởi AMD(American Medical Development-Tổ chức phát triển y khoa ở Mỹ) Camera này đắt nhất trong bộ telemedicinevì nó đạt chuẩn FDA(Food and Drug Administration) nó có thể loại bỏ hình ảnh phản chiếu lúc đang kiểm tra,khả năng xoay rộng 1-200x,…Một trong những đặc tính quan trọng của camera này là tạo nguồn ánh sáng thích hợp ở những nơi không có ánh sáng(hình1.8)

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 7

Hình 1.8 Mô tả hình ảnh camera quay trong tai người.

1.3.Những yếu tố quan trọng khi phát triển telemedicine.

Một số vấn đề cần biết khi phát triển telemedicine như hình ảnh,âm thanh,thu băng video và việc lựa chọn giữa hai công nghệ store and forward và real-time

1.3.1 Chất lượng thu dữ liệu.

Cần có sự đánh giá đúng về chất lượng dữ liệu thu,sau đó lưu trữ và truyền lên mạng

Dữ liệu có chất lượng tốt thường là fìle có kích thước lớn do đó thời gian truyền lên mạng là rất lâu.Sự cải tiến công nghệ đã giải quyết vấn đề đó bằng cách nén dữ liệu và tăng băng thông khi truyền

1.3.1.1 Thu âm thanh có chất lượng

Tần số của tim và phổi từ 20Hz tới 2KHz.Để lưu âm thanh đạt yêu cầu trong quá trình thu thì tần số lấy mẫu phải lớn ít nhất là hai lần so với tần số cho ban đầu.Ví dụ cho tần số 2KHZ đo tim và phổi thì tần số lấy mẫu phải lớn hơn 4KHz thì chất lượng âm thanh mới đạt.(theo nguyên lý Nyquist lấy mẫu)

Các file âm thanh của tim và phổi thường được lưu trữ với thời gian ngắn(vài giây) và kết nối mạng Internet truyền với tốc độ 128kbps.Tần số phổ âm thanh ở người là 20Hz- 20KHz

1.3.1.2 Chất lượng hình ảnh và băng video khi thu

Hình ảnh và băng video cần có chất lượng tốt để có thể gởi tới cho bác sỹ từ xa chuẩn đoán.Chất lượng phải lệ thuộc vào những ứng dụng hình ảnh ví dụ như hình ảnh hiển thị vùng tay bệnh nhân có chất lượng thấp( 200x200 pixels,8 bit,độ phân giải không cao) và có một số máy quét như Computed Tomography(còn gọi là CT) có thể xử lý hình ảnh 256x256 pixels,8 bit cho

chất lượng tốt để thực hiện truyền hiệu quả cho việc chuẩn đoán.Một ví dụ khác là máy chụp X quang có 2000x2000 pixels,với 12 bit động cho hình ảnh thật tốt Theo Krupinski và những nhà nghiên cứu thuộc trường đại học Arizona đã đánh giá hiệu quả của việc gởi hình ảnh và việc khám trực tiếp thì thấy có 83% sự giống nhau khi chuẩn đoán.

1.3.2 Công nghệ Real-Time và Store and Forward trong telemedicine.

Bộ telemedicine trong LINCOS sử dụng công nghệ store and forward(lưu trữ và chuyển đi) là quá trình truyền bất đồng bộ và công nghệ thứ hai là real-time là quá trình truyền đồng bộ

Công nghệ store and forward bao gồm một nhân viên đo nhận dữ liệu của bệnh nhân (những hình ảnh,âm thanh,file dữ liệu,các triệu chứng của bệnh nhân, )và gởi chúng lên mạng Internet để những bác sĩ theo dõi chuẩn đoán.Theo phương pháp này thì rất tốn nhiều thời gian vì phải chờ kết quả trả lời từ phía bác sĩ nhưng về chi phí thì không tốn kém nhiều so với real-time

Công nghệ real-time là những bác sĩ chữa trị hay chuẩn đoán nhìn trực tiếp bệnh nhân qua hệ thống video giống như hệ thống video trong các cuộc hội thảo.Công nghệ này rất thuận tiện vì bệnh nhân có thể đặt câu hỏi trực tiếp cho bác sĩ và nhận được câu trả lời ngay lập tức.Nhưng về chi phí lắp đặt thì khá cao và tốn kém

Cả hai công nghệ trên đều có sự giới hạn là không có khả năng mang những cảm giác khi tiếp xúc.Hai công nghệ này không cho bác sĩ tiếp xúc qua

da của bệnh nhân để có những chuẩn đoán một cách chính xác nhất.Trong hai công nghệ trên thì real-time tốt hơn store and forward vì bác sỹ có thể nhìn qua màn hình để xem xét chuẩn đoán chính xác.Còn store and forward thì chỉ gởi những thông tin mà không hỏi trực tiếp lại phải mất thời gian chờ đợi

1.4 Telemedicine trong tương lai

Những sự cải tiến công nghệ nhanh chóng trong lĩnh vực máy tính ,lĩnh vực trí tuệ nhân tạo,lưu trữ và nén dữ liệu cùng với truyền thông không dây tốc độ cao,các bộ cảm ứng trong lĩnh vực y khoasẽ tạo ra khả năng mới cho việc cảm ứng trong tương lai

Trong tương lai có hàng chục bộ cảm ứng được gắn tại nhà dùng bộ viễn thám y khoa( dụng cụ ghi nhận và truyền thông số về bằng vô tuyến)có thể truyền tới máy tính cá nhân và thực hiện công việc cập nhật dữ liệu mới.Công

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 9

việc truyền do bệnh nhân thực hiện tại nhà và việc cập nhật các dữ liệu do bác

sĩ thực hiện

CHƯƠNG 2 : LÝ THUYẾT VỀ THU TÍN HIỆU

2.1 Tín hiệu và phân loại tín hiệu

2.1.1 Định nghĩa tín hiệu

Các tín hiệu biểu thị tin(hay thông tin)nói chung gồm tiếng nói,dữ liệu,hình ảnh,…Có nhiều loại tín hiệu mà hai loại lớn là tín hiệu tương tự(liên

tục thời gian) và tín hiệu số (rời rạc thời gian).Xử lý tín hiệu là dùng các mạch

điện tử và máy tính(phần cứng và phần mềm)để tạo một tác động nào đó lên tín hiệu khiến tín hiệu ra khác tín hiệu vào theo cách mà ta muốn

Tín hiệu là sự biến thiên của biên độ theo thời gian.Biên độ có thể là điện thế(điện áp),dòng điện,công suất,…nhưng thường được hiểu là điện thế.Ở đây có yếu tố biên độ và yếu tố thời gian Hình 2.1 là một ví dụ

v(t)

Hình 2.1:Định nghĩa tín hiệu

Tín hiệu có thể do mạch điện tử tạo ra rồi truyền tải trong mạch điện tử hoặc các môi trường truyền tin.Trong nhiều trường hợp tín hiệu không có nguồn gốc điện nhưng do một cảm biến(còn gọi là bộ chuyển đổi hay đầu dò)đổi thành tín hiệu điện ví dụ cái vi âm chuyển sự rung động trong không khí thành tín hiệu âm thanh,camera chuyển đổi ánh sáng và màu sắc của cảnh thành tín hiệu hình ảnh màu,…

Nhiễu(hay tiếng ồn điện)là tín hiệu do chính bản thân mạch điện tử phát sinh ra(phổ biến nhất làm nhiệt nhiễu) hay từ bên ngoài thâm nhập vào mạch(ví dụ sấm sét,đóng tắt cầu dao điện)

Dạng sóng như hình 2.1, là dạng sóng biến thiên của tín hiệu,ví dụ dạng hình sin , hình vuông,…Thường khi ta nói tín hiệu hay dạng sóng là như nhau

2.1.2 Phân loại dạng sóng

Về dạng sóng ta có tín hiệu sin,vuông tam giác,xung,dốc,bậc,…

Về tần số là tín hiệu hạ tần,âm tần,cao tần,siêu cao tần,cực cao tần,…Hoặc đôi khi phát triển theo bước sóng:sóng rất dài,sóng dài,sóng trung bình,sóng ngắn,sóng viba, sóng nanomet,…

v(t)

t(a)

t(b)

Hình 2.2:Tín hiệu gián đoạn

Về sự liên tục người ta phân ra tín hiệu liên tục và gián đoạn(không liên tục).Liên tục hay gián đoạn là xét về biên độ hoặc thời gian.Ví dụ tín hiệu ở hình 2.1 là liên tục cả về biên độ lẫn thời gian.Tín hiệu ở hình 2.2a được xem như gián đoạn về biên độ vì sự biến thiên biên độ giữa hai mức 0 và 1 là đột

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 11

biến(thời gian bằng không).Tín hiệu hình 2.2b là gián đoạn về thời gian vì chỉ hiện hữu trong một thời gian ngắn(so với thời gian mà ta quan tâm hay quan sát).

Về dạng sóng hay sự liên tục người ta còn phân ra tín hiệu tương tự và tín hiệu số mà thường gọi là tín hiệu rời rạc thời gian.Tín hiệu biến thiên liên tục về biên độ như hình 2.1 là tín hiệu tương tự.Tín hiệu như hình 2.2a là tín hiệu số

2.2 Lấy mẫu tín hiệu

Tín hiệu tương tự nói chung liên tục về thời gian.Trong thông tin số hoặc xử lý tín hiệu số(Digital Singal Processing - DSP) người ta không dùng nguyên vẹn tín hiệu tương tự liên tục về thời gian mà thay thế tín hiệu bởi một số biên độ của nó ở những thời điểm cách đều nhau Các biên độ này là các mẫu của tín hiệu.Ví dụ để lưu trữ một tín hiệu tương tự vào bộ nhớ số(như của máy tính) người ta không thể lưu trữ tín hiệu liên tục nguyên thuỷ được mà chỉ lưu trữ các mẫu rời rạc của tín hiệu.Dĩ nhiên sự lấy mẫu phải như thế nào đó để từ các mẫu người ta có thể phục hồi tín hiệu tương tự nguyên thuỷ khi cần,hay nói cách khác các mẫu phải biểu thị được tín hiệu.Khi xử lý các mẫu của một tín hiệu(ví dụ tiếng nói của một người)thì cũng như là xử lý chính tín hiệu đó

2.2.1 Lấy mẫu tín hiệu,định lý lấy mẫu.

Sự lấy mẫu tín hiệu đổi một tín hiệu liên tục thời gian thành tín hiệu rời rạc thời gian mà thường gọi là tín hiệu số

2.2.1.1 Nguyên lý lấy mẫu

Hình 2 3 trình bày nguyên lý lấy mẫu tín hiệu Tín hiệu tương tự liên tục thời gian x(t) được nhân với tín hiệu lấy mẫu (còn gọi hàm lấy mẫu) s(t) để tạo các các mẫu xâ(t) (còn gọi tín hiệu đã lấy mẫu) :

s(t)(b)

x(t)

X xâ(t) = x(t).s(t)s(t)

(a)

Khi s(t) là các xung có biên độ 1, các mẫu là biên độ của tín hiệu ở các thời điểm lấy mẫu Bộ chuyển mạch (hình 2.3b) thực hiện phép nhân tín hiệu: tín hiệu lấy mẫu s(t) điều khiển công tắc, khi công tắc đóng, biên độ lúc đó của tín hiệu x(t) đi qua và là mẫu xâ(t), khi công tắc hở tín hiệu x(t) không qua được Hình 2.4 là tín hiệu tương tự x(t) và các mẫu xâ(t).

Thường sự lấy mẫu xảy ra đều đặn ở khoảng cách thời gian T, gọi là khoảng lấy mẫu hay chu kỳ ấy mẫu fs = 1/T được gọi là tốc độ lấy mẫu (mẫu/s) hoặc tần số lấy mẫu (Hz) Các mẫu phải tương đối gần nhau để có thể có thể biểu thị tín hiệu Nhưng nếu lấy mẫu sát quá, tức tần số lấy mẫu cao quá, thì sẽ tạo khó khăn cho mạch lấy mẫu và có quá nhiều mẫu để lưu trữ và xử lý (tức hao bộ nhớ và xử lý chậm)

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 13

0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T ttín hiệu tương tự x(t)

các mẫu xâ(t)

Hình 2.4 Các mẫu là các biên độ lúc lấy mẫu.

2.2.1.2 Định lý lấy mẫu

Xem tín hiệu tương tự liên tục thời gian x(t), biểu thị một thông tin nào đó ví dụ tiếng nói Tín hiệu lấy mẫu s(t), là chuổi xung hẹp có khổ rộng thời gian rất nhỏ dt, biên độ 1, xảy ra đều ở chu lỳ T (tần ố fs = 1/T) Hai tín hiệu x(t) và s(t) được nhân với nhau để tạo các mẫu xâ(t), còn gọi là tín hiệu đã lấy mẫu, nên các mẫu là các xung có khổ rộng dt và có biên độ là biên độ tín hiệu tương tự lúc lấy mẫu

Thay vì gọi các mẫu là xâ(t) người ta có thể gọi x(nT) với n là 0, 1, 2, 3,…, -1, -2, -3,… Thật ra sau này sẽ được viết là x(n)

Giả sử phổ biên độ hai bên của tín hiệu tương tự x(t), tức độ lớn của biến đổi Fourier X(f) như hình 2.5a Do tự nhiên hay do tác động của một lọc thông thấp, tần số cao nhất của tín hiệu giả sử là fM Trong phổ hai bên ta xem phổ của tín hiệu tương tự được giới hạn trong khoảng tần số (-fM, fM) Sự biến thiên cụ thể nếu là phổ hai bên, tùy thuộc vào từng tín hiệu cụ thể

Hình 2.5 Phổ trong việc lấy mẫu

Giả sử phổ của tín hiệu tương tự.

Khai triển Fourier của tín hiệu lấy mẫu s(t) là:

(2.2) f

2 cos 2

)

(

1

t m T

dt T

s t m 2 cos ) t ( x T

dt 2 ) t ( x T

dt ) t

fs/2, fs/2] được gọi khoảng tần số Nyquist hay nói tắt là khoảng Nyquist

Ở hình 2.5b các dải phổ nằm cách nhau nên ta có thể phục hồi tín hiệu tương tự đúng bằng một thông thấp trong khoảng Nyquist Ở hình 2.5c các dải phổ sát nhau nhưng chưa chồng lên nhau như ở hình 2.5d nên về nguyên tắc ta vẫn có thể lọc lấy lại tín hiệu tương tự đúng dù lọc phải thật chính xác và ổn

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 15

định để không bỏ xót phần nào của dải phổ trung tâm mà cũng không thể nào lọc lấy lại trọn vẹn tín hiệu tương tự mà không nhận thêm ngoài ý muốn một phần của hai dải phổ kế bên Vậy trường hợp hình 2.5c là giới hạn mà ta có thể phục hồi tín hiệu tương tự đúng Định lý mẫu phát biểu:

Để các mẫu biểu thị đúng tín hiệu tương tự, tức là các mẫu ta có thể phục hồi tín hiệu tương tự đúng, tốc độ lấy mẫu phải lớn hơn hay ít nhất là bằng hai lần thành phần tần số cao nhất của tín hiệu tương tự:

Tần số giới hạn 2fM được gọi tốc độ Nyquist Ở một tần số lấy mẫu fs

nào đó thì fs/2 được gọi là tần số Nyquist hay tần số gấp (folding frequency), nó định giới hạn cho khoảng Nyquist [ -fs/2, fs/2 ] Để giữ cho tần số lấy mẫu fs

không lớn lắm thì fM phải được giới hạn bằng một lọc thông thấp thật hiệu quả (cắt bỏ tất cả tần số lớn hơn fM của tín hiệu tương tự) Ví dụ tiếng nói thường được giới hạn ở fM = 3,4KHz nên tần số lấy mẫu phải ít nhất bằng 2 x 3,4KHz = 6,4KHz Thường tần số lấy mẫu 8KHz (đôi khi 10KHz hoặc hơn) được dùng Khi tần số lấy mẫu lớn hơn tốc độ Nyquist đáng để ta có lấy mẫu quá mức (oversampling), còn nếu lấy mẫu thấp hơn tốc độ Nyquist là lấy mẫu dưới mức (undersampling)

Ở hình 2.5d tần số lấy mẫu fs < 2 fM (lấy mẫu dưới mức) ta có sự chồng phổ mà về mặt tần số tín hiệu được gọi sự biệt danh (aliasing) Để tránh hiện tượng chồng phổ hay biệt danh ta phải giới hạn hơn nữa tần số fM hoặc tăng tần số lấy mẫu lên Dĩ nhiên lấy mẫu ở tần số càng cao thì các mạch phức tạp hơn và tổn hao bộ nhớ hơn Cũng cần nói thêm là tần số lấy mẫu phải chậm hơn tốc độ xử lý của hệ thống xử lý tín heu số và máy tính nhất là khi xử lý tín hiệu trong thời gian thực

2.2.1.3 Lấy mẫu bởi chuổi xung lực

Chuỗi xung lực δ(t) gồm các xung lực (hàm delta Dirac) xảy ra tuần hoàn ở chu kỳ T (tần số fs = 1/T), mỗi xung lực có khổ rộng tiến về không, có biên độ lớn vô hạn và có diện tích (cường độ) bằng 1.Biểu thức của chuổi xung

Khai triển Fourier của chuổi xung lực là:

Nên các mẫu cho bởi:

Áp dụng định lý dịch chuyển tần số của biến đổi Fourier: nếu X(f) là biến đổi của x(t) thì X(f – f0) là biến đổI của x(t)ej2 π f

0t Do đó khi lấy biến đổi Fourier hai vế phương trình trên ta được:

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 17

(2.5) )()()

()

s t

(2.6) )

(

1)()

e t x T t s t x

0 T 2T 3T 4T 5T 6T t

Hình 2.6 Lấu mẫu bằng chuổi xung lực.

s(t)1

(2.7) )(

Cách khác để được kết quả này là định lý nhân chập của biến đổi Fourier và

2.2.2 Sự biệt danh(chồng phổ)

Điều gì xảy ra nếu tín hiệu lấy được mẫu dưới mức, tức lấy mẫu ở tần số chậm hơn tốc độ Nyquist ? Dựa trên sự tái lập tín hiệu bằng cách lọc (hình 2.5)

ta thấy thành phần tần số cao của phần phổ lặp ở 6fs lẫn vào thành phần tần số cao của phần phổ trung tâm, và như vậy tín hiệu được tái lập sẽ không đúng Xem trường hợp hình 2.7 trong đó tín hiệu x(t) có các thành phần x1(t) ở tần số

f1, x2(t) ở tần số f2 = 3f1 và đảo pha (để thuận tiện ta viết f2 = -3f1), x3(t) ở tần số f3 = 9f1 vàcùng pha

Thành phần x1(t) được lấy mẫu 4 lần trong một chu kỳ tức gấp đôi tốc độ Nyquist, còn x2(t) được lấy mẫu 4/3 lấn trong chu kỳ ức dưới tốc độ Nyquist, và

x3(t) được lấy mẫu 4/9 lần trong một chu kỳ tức dưới xa tốc độ Nyquist Khi căn cứ vào các mẫu để tái lập tín hiệu thì x1(t) trở lại đúng còn x2(t) và x3(t) được phục hồi như là x1(t) Người ta nói x2(t) và x3(t) là biệt danh của x1(t) Như vậy khi một thành phần tần số cao của tín hiệu được lấy mẫu dưới mức thì khi tái lập tín hiệu từ các mẫu ta được các thành phần tương ứng ở tần số thấp Khác

∑∞

−∞

=

−δ

=

)mffT

1S(f)

(2.8) ')'()'(S(f)

*X(f)XÂ(f)

=

'df)mf'ffT

1)X(f'XÂ(f)

=

'df)mf'ff)'fXT

1

(2.9) )(

với trường hợp cả ba tín hiệu sin tương tự ở trên cùng được truyền đi thì ở đầu thu ta có thể dùng lọc thông thấp tốt để chỉ lấy tín hiệu tần số thấp nhất x1(t).

Do đó điều quan trọng trong việc lấy mẫu tín hiệu là phải dùng một lọc thông thấp rất hiệu quả để loại bỏ các thành phần tần số cao hơn tần số cao nhất fM của tín hiệu mà ta muốn giữ lại, gọi đầy đủ là tiền lọc chống biệt danh

(antialiasing prefilter) Sau đó lấy mẫu ở tốc độ 2fM (tốc độ Nyquist) Ví dụ với tiếng nói người ta chọn fM ở3.4KHz và lấy mẫu ở tần số 6.8KHz Nếu các thành phần tần số trên 3.4KHz còn sót lại có biên độ đáng kể thì khi phục hồi tiếng nói các mẫu, các thành phần tần số cao còn sót lại này trở thành các thành phần tần số dưới 3.4KHz và chồng lên tiếng nói ở tần số dưới 3.4KHz ban đầu khiến tiếng nói không đúng Khi tiền lọc càng không lý tưởng thì phải lấy mẫu ở tần số càng cao, ví dụ ở 8KHz hoặc 10Khz Sau đây ta xét vấn đề một cách toán học hơn

Trước tiên xem tín hiệu ở dạng hàm mũ phức:

x(t) = ej ϖ t = ej2 π ft (2.11)

Lấy mẫu ở các thời điểm t = nT dẫn đến các mẫu:

xâ(t) = x(nT) = ej2 π fnT (2.12)

Ta cũng xem các hình sin khác ở tần số f ± mfs (m = 0, 1, 2, …):

và các mẫu:

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 19

Hình 2.7 Sự biệt danh Các tín hiệu x1(t), x2(t), x3(t) được lấy mẫu ở S1, S2, S3,

S4 (S5 ở chu kỳ tiếp theo).

(2.13) )

mf f

(x(t)

m m

nT mf f

e nT

Để ý là:

Nên:

= ej2 π fnT = x(nT)

Như vậy các tín hiệu tương tự xm(t) khác nhau về tần số nhưng có chung các mẫu (tín hiệu đã lấy mẫu) Do đó nếu chỉ căn cứ vào các mẫu thì các tín hiệu xm(t) là không phân biệt được, tức chúng biệt danh nhau Lúc bấy giờ các tín hiệu sin ở tần số:

f, f ± fs, f ± 2fs, …, f ± mfs, …

là tương đương nhau

Vậy nếu từ các mẫu x(nT) mạch tái lập tín hiệu sẽ cho lại tín hiệu nào ? Xem mạch tái lập là một lọc thông thấp lý tưởng nằm trong khoảng Nyquist ( -fs/2, fs/2 ) Gọi tần số tín hiệu tái lập là f0 Nếu f nằm trong khoảng Nyquist, tức f ≤ fs/2, thì f0 = f Còn nếu f nằm ngoài khoảng Nyquist, tức f > fs/2, thì tần số biệt danh f0sẽ khác f tức tín hiệu phục hồi x0(t) sẽ khác x(t) mặc dù chúng cùng các mẫu: x0(nT) = x(nT)

Một cách tổng quát thì tần số tái lập f0 nhận được bằng cách cộng hoặc trừ vào f bội số của fs để có các tần số nằm lọt vào khoảng Nyquist Người ta gọi thao tác (toán tử) này là mod:

f0 = f mod (fs)

Ví dụ 1:

Âm thanh được lọc để có phổ rộng đến 10KHz nhưng do lọc không tốt nên thực tế phổ rộng đến 30KHz Tần số lấy mẫu là 20KHz Hậu quả khi phục hồi âm thanh là gì ?

evà T

f j2 mf nT j 2 mn

(2.15)

)

–10KHz đến 10KHz mà bỏ yếu tố pha, là 0 đến 10KHz chồng lên âm thanh 0 đến 10KHz nguyên thủy khiến âm thanh nghe lại bị sai lệch.

2.2.3 Tiền lọc chống biệt danh

Mạch tiền lọc chống biệt danh là một lọc thông thấp được thêm vào trước mạch lậy mẫu để loại bỏ các tần số fs/2 và cao hơn trong đó fs là tốc độ Nyquist Tiền lọc có đáp ứng tần số (hay hàm truyền) gọi chung là H(f)

Tiền lọc thực tế

Các tiền lọc chống biệt danh thực tế có đáp ứng không giảm ngay xuống không bên ngoài khoảng Nyquist nên các thành phần tần số cao còn lại sẽ tạo sự biệt danh Một tiền lọc chống biệt danh thông thấp có đáp ứng tần số H(f) như hình 3.6 Dải thông [ -ft, ft] phải nằm bên trong khoảng Nyquist Lý tưởng thì đáp ứng phải phẳng trong suốt dải thông này Người ta có thể dùng một lọc số sau mạch lấy mẫu tín hiệu để bù trừ hay làm bằng (san bằng) để bù trừ cho sự suy giảm về phía tần số cao của H(f)

Tần số chận fch và độ suy giảm Ac phải sao cho giảm được sự biệt danh ở mức mong muốn Tần số này được chọn là:

Và như vậy tần số Nyquist fs/2 nằm ngay giữa vùng chuyển tiếp của lọc

Độ suy giảm của lọc tính bằng decibel ở tần số f nào đó so với tần số tham chiếu f0, mà đối với lọc thông thấp là tần số không hoặc rất thấp, được định

nghĩa như:

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 21

dải chận

dải thông

dải chận

| H(f) |

Ac

tiền lọc lý tưởng

vùng chuyển tiếp

-fch -fs/2 -ft 0 ft fs/2 fch f

Hình 2.8 Tiền lọc chống biệt danh thông thấp thực tế.

(2.17)

|)0(

|

|)(

|log20)

H

f H f

A dB =−

Đáp ứng tần số của lọc thông thấp ở tần số lớn (trên xa tần số cắt) thường là:

Trong đó a là hằng số tùy lọc và N là bậc của lọc Vậy ở tần số cao độ suy giảm tính bằng decibel, bỏ qua số hạng hằng số, là:

Với tiền lọc thực tế có hàm số chuyển H(f) thì phổ tín hiệu ra ở lọc là:

X(f) = H(f).X(f)

Độ suy giảm tính theo dB là:

Ay(f) = A(f) + AXa(f) (2.20)

Khi lấy mẫu tín hiệu x(t) phổ X(f) lặp lại sau mỗi chu kỳ lấy mẫu nên độ suy giảm AY(f) sẽ xác định mức độ chồng lên nhau của các phổ lặp lại, tức mức độ biệt danh Ta phải chọn tiền lọc sao cho độ suy giảm AX(f) của nó cộng với độ suy giảm AXa(f) của phổ tín hiệu vào đủ lớn để giảm thểu sự biệt danh

2.2.4 Nhiễu trong hệ thống thông tin

Thuật ngữ nhiễu đề cập đến những tín hiệu điện không mong muốn mà luôn luôn hiện diện trong các hệ thống điện.Sự hiện diện của tín hiệu nhiễu chồng lấn lên tiùn hiệu có xu hướng làm giảm tín hiệu;nó làm máy nhận khó nhận dạng đúng tín hiệu và do đó hạn chế tốc độ truyền thông tin Nhiễu phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau cả do con người tạo lẫn tự nhiên.Nhiễu nhân tạo

(2.18) lớn)(f

1

|)(

f a f

(2.19) lon)(f f20f

1log20)

có thể từ các nguồn như nhiễu tia lửa điện khởi động ,quá độ chuyển mạch và các tín hiệu bức xạ điện từ khác.Nhiễu tự nhiên bao gồm nhiễu mạch điện và thiết bị.

Thiết kế tốt mạch có thể loại được nhiều nhiễu và các ảnh hưởng không mong muốn của chúng bằng cách lọc,chắn,lựa chọn phương pháp điều chế và vị trí thu tốt Tuy nhiên có một nhiễu tự nhiên ,gọi là nhiễu nhiệt hay nhiễu Johnson không thể loại bỏ được

Chúng ta có thể mô tả nhiễu nhiệt như quá trình ngẫu nhiên Gauusian trung bình không(trung bình bằng không ).Một quá trình Gaussian ,n(t) là một hàm ngẫu nhiên có giá trị n ở bất kỳ thời điểm nào và có thể được mô tả một cách thống kê bằng hàm mật độ xác suất Gaussian p(n)

trong đó là variance của n.Hàm mật độ Gaussian chuẩn hóa của quá trình bậc 1 có dược bằng cách giả sư ûσ =1 Pdf chuẩn hoá này được vẽ trong hình 3.7

Chúng ta thường biểu diễn tín hiệu nhiễu là tổng của biến ngẫu nhiên nhiễu Gaussian và tín hiệu dc:

z=a+n

trong đó z là tín hiệu ngẫu nhiên, a là thành phần dc và n là biến ngẫu nhiên

σ σ =1 2σ

… -3 -2 -1 0 1 2 3 …

Hình 2.9 Mật dộ xác suất Gaussian chuẩn hóa.

2.2.5 Mạch tái lập tương tự

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 23

=

2

2

1exp2

1

)

(

σσ

n n

p

2

σ

Một cách tổng quát mạch tái lập tín hiệu tương tự từ các mẫu rời rạc của tín hiệu là một lọc thông thấp có tần số cắt bằng tần số Nyquist fs/2 nếu tần số lấp mẫu fs thỏa định lý lấp mẫu (fs phải ít nhất bằng tốc độ Nyquist tức ít nhất gấp đôi thành phần tần số cao nhất của tín hiệu tương tự còn lại sau khi đã qua tiền lọc chống biệt danh) Bản thân mạch tái lập tín hiệu tương tự là mạch tương tự.

2.2.5.1 Nguyên lý của mạch tái lập

Mục đích của mạch tái lập tương tự là chuyển đổi các mẫu rời rạc xâ(t), hoặc còn viết x(nT), trở thành tín hiệu tương tự x0(t) (hình 2.10) Cách dễ hình dung là nối các đỉnh của các mẫu lại với nhau, hình bao nhận được chính là tín hiệu tương tự Cách thực tế dựa vào nguyên lý mạch lấy mẫu và giữ mẫu (sample and hold) hoặc mạch tách sóng đỉnh (peak detector) do sự nạp xả của tụ điện Mỗi mẫu được duy trì biên độ cho đến khi gặp mẫu kế tiếp Việc nối gần như ngang này (do sự xả điện của tụ điện, đường nối hàm mũ giảm chậm) làm dạng sóng gồm các xung mẫu thành một hình bao có dạng gần đúng với tín hiệu tương tự biểu thị bởi x(nT) tức tín hiệu tương tự sau tiền lọc Về mặt tần số là bỏ bớt các thành phần tần số cao nên mạch là một loại lọc thông thấp

Biểu thức của tín hiệu lấy mẫu là:

Mạch tái lập h(t)

Gọi h(t) là đáp ứng xung của mạch tái lập thì tín hiệu tương tự tái lập là:

Như vậy đáp ứng xung x(t) của mạch tái lập là hàm nối đỉnh các mẫu liên tiếp nhau về mặt tần số thì phổ của tín hiệu tương tự tái lập cho bởi:

X0(f) = H(f)XÂ(f)

Trong đó XÂ(f) là phổ của các mẫu xâ(t) gồm dải phổ giữa và các dải phổ lặp lại như đã biết:

2.2.5.2 Mạch tái lập lý tưởng

Mạch tái lập lý tưởng khi nó cho tín hiệu tương tự ra x0(t) giống như tín hiệu tương tự x(t) được biểu thị bởi các mẫu xâ(t), hay nói cách khác phổ X0(f) giống như phổ X(f) Nếu phổ X(f) được hạn chế tần số và các phổ lặp lại của XÂ(f) không lấn lên nhau (hình 2.11) trong khoảng Nyquist [ -fs/2, fs/2 ] phổ XÂ(f) sẽ giống như X(f)/T:

Trong trường hợp này đáp ứng xung tầnsố của mạch tái lập lý tưởng là lọc thông thấp có đáp ứng phẳng trong suốt khỏng Nyquist rồi giảm ngay xuống không bên ngoài khoảng:

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 25

(2.26) nT) -x(nT)h(t )dt'

t'-)h(t xâ(t')

(

n

ff2

f- X(f)T

1

ngoàiân be

0

2/f f2/f T

Đáp ứng xung của mạch tái lập lý tưởng nhận được bằng cách lấy biến đổi Fourier nghịch của H(f):

fT j2 ft

s

fT.e f

f).e(

(2.28) f

fsin/

/sin)(

s

s

t

t T

t

T t t

h

π

ππ

=

h(t)1mạch tái lập lý tưởng mạch tái lập cầu thang

-T 0 T t

Hình 2.12 Đáp ứng xung của mạch tái lập lý tưởng.

mạch tái lập cầu

hậu lọc chống ảnh

Tín hiệu tương tự

Tín hiệu tương tự Tín hiệu số

2.3 Giới thiệu mạch khuếch đại thuật toán (OP_AMP) phục vụ việc thu tín hiệu

2.3.1 Khái niệm:

Dùng bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu thu được Bộ khuếch đại thuật toán và các bộ khuếch đại thông thường về cơ bản không có sự khác nhau Cả hai loại đều dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện và công suất Trong khi tính chất của bộ khuếch đại thông thường phụ thuộc vào kết cấu bên trong của mạch thì tác dụng của bộ khuếch đại thuật toán có thể thay đổi được và chỉ phụ thuộc vào các linh kiện mắc ở mạch ngoài Để thực hiện điều đó, bộ khuếch đại thuật toán phải có độ khuếch đại rất lớn và trở kháng ra rất nhỏ Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại,tạo tín hiệu hình sin và xung trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực,…

Bộ khuếch đại thuật toán được biểu diễn như hình vẽ sau:

+

Bộ khuếch đại thuật toán(BKDTT)

Trong đó:

V+, I+: điện áp và dòng điện ngõ vào không đổi

V-, I-:điện áp và dòng điện ngõ ra đổi

Vd: điện áp vào hiệu

Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại tín hiệu điện áp: Vd = V+ - V-, với hệ số khuếch đại A0>0 Do đó điện áp sẽ là:

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 27

 Nếu V- = 0 thì V0 = A0 .V+

, lúc này điện áp ra đồng pha với điện áp vào là V+ Vì vậy người ta gọi cửa(+) là cửa vào không đảo hoặc của vào thuận của bộ khuếch đại thuật toán

 Nếu V+ = 0 thì V0 = A0 .V+

, dấu trừ thể hiện điện áp ra ngược pha với điện áp vào nên người ta gọi cửa (-) vào đảo của bộ khuếch đại thuật toán

Ngoài ra bộ khuếch đại thuật toán thường có ba tính chất để trở thành một Op –Amp lý tưởng:

 Độ lợi vô hạn

 Trở kháng vào vô cùng lớn

 Trở kháng ra bằng 0

Theo lý thuyết, nếu Op – AMP có độ lợi vô hạn thì một điện áp ngõ vào cực nhỏ ngõ ra tương ứng phải có điện áp ra lớn vô hạn Thực sự thì độ lợi cũng không thể nào vô hạn, ngay cả trường hợp độ lợi rất lớn cũng không có thể Tuy nhiên, nếu nối đúng khi ngõ vào rất nhỏ sẽ tạo điện áp ngõ ra đến gần giá trị cực đại (dương hay âm) Trong thực tế chúng ta ít khi được như vậy mà phải dùng thêm điện trở bên ngoài nối với Op – AMP để tạo ra những độ lợi mà chúng ta mong muốn Những độ khuếch đại như mong muốn những điện trở tạo ra những độ lợi giảm thông qua tín hiệu hồi tiếp

2.3.2 Mạch cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán:

Khi dùng bộ KĐTT khuếch đại tín hiệu, người ta dùng hồi tiếp âm mà không dùng hồi tiếp dương vì hồi tiếp dương làm cho bộ khuếch đại thuật toán làm việc ở trong chế độ bảo hòa Hồi tiếp làm giảm độ khuếch đại nhưng làm cho bộ khuếch đại thuật toán làm việc ổn định Trong một số trường hợp người

ta dùng hồi tiếp âm lẫn hồi tiếp dương nhưng lượng hồi tiếp âm lớn hơn lượng hồi tiếp dương

1) Mạch khuếch đại không đảo:

R f

R 1

+ -

3 2

3 2

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 29

[(V-/R1) + (V- - V0)/Rf] = 0Theo tính chất của Op – AMP:

3 2

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT VỀ ĐO NHIỆT ĐỘ

3.1 Các phương pháp đo

3.1.1 Khái niệm chung

Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt hằng ngày, luôn luôn cần xác định nhiệt độ của môi trường hay của một vật nào đó Vì vậy việc đo nhiệt độ đã trở thành một việc làm vô cùng cần thiết Đo nhiệt độ là một trong những phương thức đo lường không điện Nhiệt

độ cần đo có thể rất thấp (một vài độ Kelvin), cũng có thể rất cao (vài ngàn, vài chục ngàn độ Kelvin) Độ chính xác của nhiệt có khi cần tới một vài phần ngàn độ, nhưng có khi vài chục độ cũng có thể chấp nhận được Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode và trasistor, IC cảm biến nhiệt độ, cảm biến thạch anh … Tùy theo khoảng nhiệt độ cần đo và sai số cho phép mà người ta lựa chọn các loại cảm biến và phương pháp đo phù hợp.

Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện từ 200 độ C đến 1000 độ C, độ chính xác có thể đạt tới ±1% đến 0,1%

Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện (cặp nhiệt ngẫu) là từ -270 độ C đến 2500 độ C với độ chính xác có thể đạt tới

±1% đến 0,1%

Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng các cảm biến tiếp giáp P-N (diode, transistor, IC) là từ -200 độ C đến 200 độ C, sai số đến

±0,1%

Các phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ, quang phổ… có khoảng

đo từ 1000 độ C đến vài chục ngàn độ C với sai số ±1% đến 10%

Thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celcius(độ C), thang đo Kelvin (độ K), thang đo Fahrenheit(độ F), thang đo Rankin (độ R)

T(0C) = T(0K) – 273,15

T(0F) = T(0R) – 459,67

T(0C) = [T(0F) - 32 ]*5/9

T(0F) = T(0C) * 5/9 + 32

3.1.2 Sự liên hệ giữa các thang đo ở những nhiệt độ quan trọng:

Kelvin(0K) Celcius(0C) Rankin(0R) Fahrenheit(0F)

3.1.3 Các phương pháp đo nhiệt độ:

Ta có thể chia quá trình đo nhiệt độ ra làm ba khâu chính:

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 31

3 1.3.1 Khâu chuyển đổi:

Khâu chuyển đổi nhiệt độ thường dựa vào những biến đổi mang tính chất đặc trưng của vật liệu khi chịu sự tác động của nhiệt độ Có các tính chất đặc trưng như sau đây:

• Sự biến đổi điện trở

• Sức điện động sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ ở các mối nối của các kim loại khác nhau

• Sự biến đổi thể tích, áp suất

• Sự thay đổi cường độ bức xạ của vật thể khi bị đốt nóng

• Đối với chuyển đổi nhiệt điện, người ta thường dựa vào hai tính chất đầu tiên để chế tạo ra các cặp nhiệt điện (Thermocouple), nhiệt điện trở kim loại hay bán dẫn, các cảm biến nhiệt độ dưới dạng các linh kiện bán dẫn như: diode, transistor, các IC chuyên dùng

3.1.3.2 Khâu xử lý:

Các thông số về điện sau khi được chuyển đổi từ nhiệt độ sẽ được xử lý trước khi qua đến phần chỉ thị Các bộ phận ở khâu xử lý gồm có: phần hiệu chỉnh, khếch đại, biến đổi ADC(Analog – Digital - Converter)…Ngoài ra còn có thể có các mạch điện bổ sung như: mạch bù sai số, mạch phối hợp tổng hợp…

3.1.3.3 Khâu chỉ thị:

Khâu chỉ thị trước đây thường sử dụng các cơ cấu cơ điện, ở đó kết quả

đo được thể hiện bằng góc quay hoặc sự di chuyển thẳng của kim chỉ thị Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử, đã sản xuất nhiều loại IC giải mã,

IC số chuyên dùng trong biến đổi ADC, vì vậy cho phép ta sử dụng khâu chỉ thị số dễ dàng như dùng led 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng LCD Ở đó, kết

quả đo được thể hiện bằng các con số trong hệ thập phân

3.1.3.3.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở:

Nhiệt điện trở thường dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong các đường ống, các lò phản ứng hóa học, các nồi hơi, không khí trong phòng…

Nguyên lý làm việc của thiết bị này là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ của các vật dẫn điện, tức là điện trở một hàm theo nhiệt độ: R = f(T) Cuộn dây điện trở thường nằm trong ống bảo vệ, tùy theo công dụng mà vỏ ngoài có thể làm bằng thủy tinh, kim loại hoặc gốm

a) Nhiệt điện trở kim loại(Thermetal):

Nhiệt điện trở kim loại được chế tạo dưới dạng dây nhỏ quấn quanh một đế cách điện (thường bằng sứ tròn, dẹp hay vòng xuyến) và được bọc bằng một

lớp vỏ bảo vệ (thủy tinh, sứ, thạch anh…) Vật liệu chế tạo nhiệt điện trở kim loại đòi hỏi cần phải thỏa mãn các yêu cầu:

• Hệ số nhiệt lớn

• Điện trở suất lớn

• Tính ổn định hóa – lý cao

• Tính thuần khiết về mặt cấu tạo hóa học cao

b) Nhiệt điện trở bán dẫn(Thermistor):

Đây là loại cảm biến nhiệt nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, được chế tạo bằng chất bán dẫn, thường gọi là Thermistor Đặc điểm của Thermistor là điện trở của nó biến đổi rất lớn theo nhiệt độ Thành phần chính của nó là bột oxyt kim loại như Mangan, Nickel, sắt… hoặc hổn hợp tinh thể MnAl2O,

Zn2TiO4

Nhiệt kế Thermistor được chế tạo bằng cách định hình, sau đó nung nóng đến 100 độ C trong môi trường oxy hóa Việc chọn tỷ lệ hợp các oxyt hoặc hỗn hợp tinh thể và môi trường nung giữ vai trò quan trọng, quyết định chất lượng của Thermistor

Trong những năm gần đây, các nhiệt kế Thermistor được sử dụng nhiều

vì nó có ưu điểm: độ nhạy cao, đặc tính nhiệt ổn định, kích thước nhỏ, hình dáng thay đổi dễ dàng chế tạo

Nhiệt điện trở bán dẫn chia làm hai loại:

-Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương PT (Positive Thermistor) làm việc trên - nguyên tắc: khi nhiệt tăng thì R tăng, loại này được cấu tạo từ một trong những hợp chất sau: Ceramic, Sắt, Titan, Bari…

-Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NT (Negative Thermistor) làm việc trên nguyên tắc khi nhiệt độ tăng thì R giảm Thành phần chính của loại này là bột oxyt kim loại Mn, Ni hoặc các hổn hợp tinh thể Aluminate Mn (MnAl2O), Titanate kẽm (Zn2TiO4)

Nguyên lý làm việc – đặc tuyến làm việc:

Vùng A: hệ số nhiệt âm

Vùng B: hệ số nhiệt dương rất lớn

Vùng C: hệ số âm sâu, vùng này rất nguy hiểm và nhiệt điện trở dễ bị phá hủy

Điểm M: là điểm điều hành nhiệt điện trở Đáp ứng nhiệt độ tức thời khi cường độ dòng tăng vọt, nhiệt điện trở hoạt động bình thường trong khi chờ đến nhiệt độ tăng Hệ số nhiệt và điểm điều hành này thay đổi theo thành phần các hợp chất cấu tạo Thermistor Độ biến thiên có thể từ 10% đến 90% trên độ bách phân

R

OĐặc tuyến của NT có dạng hyperbol do sự thay đổi của chất bán dẫn theo nhiệt độ

Trị số của điện trở giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng Quan hệ này được biểu diễn bởi hàm:

R(T) = A.eB/T

A: hệ số điện trở phụ thuộc điện trở suất của bán dẫn

B: hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu làm chất bán dẫn và loại Thermistor

B = 3000 ⇒5000: thermistor đo nhiệt độ thấp

B = 6000 ⇒13000:thermistor đo nhiệt độ cao

Khi nhiệt độ càng giảm thì độ nhạy của Thermistor càng tăng Đó là một

ưu điểm của nhiệt kế này

Phạm vi sử dụng Thermistor từ 100 độ C đến 400 độ C Vì là chất bán dẫn nên khi sử dụng ở nhiệt độ hơn 200 độ C thì Thermistor phải có bọc chất liệu nhiệt

c) Lưu ý khi sử dụng nhiệt điện trở:

Khi mua nhiệt điện trở cần căn cứ vào quy cách để chọn nhiệt điện trở phù hợp với điều kiện đo Ví dụ cần đo trong môi trường dễ ăn mòn thì phải dùng loại vỏ bằng thép hợp kim không rỉ có tính chất chống mòn Nhiệt độ và áp lực môi trường đo không vượt quá giới hạn quy định của từng loại

Không nên đặt nhiệt kế ở những nơi có chấn động, rung động, va chạm Đầu dây nối vào dây đồng hồ chỉ nhiệt độ không được nóng quá 100 độ C Vị trí đặt cảm biến nhiệt (loại nhiệt điện trở có vỏ bảo vệ) tốt nhất là theo hướng thẳng đứng Khi buộc phải hướng vị trí nằm ngang thì phải quay ổ đấu dây ra của nhiệt điện trở theo hướng xuống dưới để tránh nước lọt vào Nếu đo nhiệt độ ở đường ống có dòng khí hoặc nước chảy qua thì vị trí đầu đo cần đặt quá tâm ống (đầu ống ở vị trí 2/3 đường kính ống nước hoặc khí)

d) Một số nhiệt điện trở thông dụng:

3.1.3.3.2 Đo nhiệt độ bằng hỏa kế hóa học:

Hỏa kế quang học là tên gọi chung của các dụng cụ đo nhiệt độ bằng cách ứng dụng các tính chất của hệ thống thấu kính quang học để thu lấy các bức xạ của vật thể rồi căn cứ theo độ bức xạ của vật thể để xác định nhiệt độ

a) Nguyên lý cơ bản:

Nguyên lý làm việc của hỏa kế quang học là dựa trên các hiện tượng bức xạ của các vật thể ở các nhiệt độ cao, trong đó có vai trò của vật đen tuyệt đối Đó là một thực thể vật chất có khả năng hấp thu hoàn toàn tất cả các bức xạ nhận được mà không phóng xạ

b) Một số dạng của hỏa kế thông dụng:

Hiện nay, trong công nghiệp người ta dùng rất nhiều loại hỏa kế quang học như hỏa kế bức xạ, hỏa kế vi sai, hỏa kế màu sắc, hỏa kế nhiệt ngẩu…

Nếu hỏa kế tiêu thụ toàn bộ năng lượng của bức xạ toàn phần của vật thể, đó là hỏa kế bức xạ toàn phần

Hỏa kế quang điện dùng sự so sánh giữa sự phát sáng của dây tóc nhọn đèn được chế tạo đặc biệt vớ độ sáng của vật nung nóng và xác định chính xác dây tóc và nhiệt độ

Hỏa kế quang điện cho kết quả đo không phụ thuộc vào người quan sát và có thể nối liên mạch với các thiết bị khống chế nhiệt độ tự động

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 35

c) Phạm vi sử dụng:

Phạm vi sử dụng là nhiệt độ của vật cần đo không dưới 8000C Tất cả các loại hỏa kế quang học điều có sai số không vượt quá 1% Tuy nhiên, bảng chỉ nhiệt trên các hỏa kế chỉ hoàn toàn chính xác với vật đen tuyệt đối (quy ước có bức xạ bằng 1) Vì vậy, với giá trị thật của nhiệt độ các vật cần đo phụ thuộc vào mức độ đen của từng chất phát sáng Hỏa kế quang điện là dụng cụ

đo nhiệt độ gián tiếp nên có nhiều thuận lợi, có thể đo từ xa mà không cần tiếp xúc với vật cần đo

3.1.3.3.3 Đo nhiệt độ dùng Diode và Transistor:

Những thành phần được sử dụng, diode hay trasistor Silicium được mắc như diode (cực nền và cực thu nối chung) được cung cấp theo chiều thuận dòng điện I không đổi, điện áp V ở hai cực của chúng, tùy thuộc vào nhiệt độ, điều này có thể xem như tín hiệu điện đi ra từ cảm biến tùy thuộc vào nhiệt độ

Các thành phần cảm biến dược sử dụng làm cảm biến đo nhiệt độ:

a) Diode b) Transistor mắc thành diode

c)Hai Transistor giống nhau được mắc như diode

Người ta lợi dụng sự thay đổi tuyến tính của mối nối p-n đối với nhiệt độ để chế tạo ra các diode và transistor chuyên dùng, làm cầu cảm biến nhiệt trong đo lường và khống chế nhiệt độ

3.1.3.3.4.Đo nhiệt độ bằng IC:

Kỹ thuật vi điện tử cho phép chế tạo được những mạch kết nối gồm những transistor giống nhau được sử dụng để làm cảm biến hoàn hảo đo nhiệt độ dựa vào việc đo sự khác biệt điện áp VBE dưới tác động của nhiệt độ Các cảm biến này tạo ra các dòng điện hoặc điện áp tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối,

với độ tuyến tính cao; nó có điều lới là vận hành đơn giản, tuy nhiên phạm vi hoạt động giới hạn chỉ trong khoảng -500C đến 1500C.

a) Nguyên lý chung của IC đo nhiệt độ:

Là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thàn tính hiệu dưới dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện Dựa vào đặt tính rất nhạy cảm của bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối Đo tín hiệu điện, ta biết được nhiệt độ của tín hiệu cần đo

Sự tích cực của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lổ trống trong chất báb dẫn bằng sự phá vỡ của các phân tử, bức các electron thành dạng tự do di chuyển qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lổ trống nhiệt làm cho tỷ lệ điện tử tự do và các lổ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ Kết quả của hiện tượng này là với mức điện áp thuận, dòng thuận của mối nối p-n (trong diode hay trong transistor) sẽ tăng theo hàm mũ nhiệt độ

b)Đặc tính một số IC đo nhiệt thông dụng:

Ngõ ra là điện áp Độ nhạy: 10mV/0CDòng làm việc : 400μA ⇒ 500 μA không thay đổi đặc tínhLM135 có sai số cực đại là 1,50C khi nhiệt độ lớn hơn 1000CPhạm vi sử dụng:

LM335 : -100C ⇒ 1250CLM235 : -400C ⇒ 1400CLM135 : -550C ⇒ 2000CLM35 : -550C ⇒ 1500C

Đề Tài: Tìm hiểu và xây dựng hệ thống Telemedicine Trang 37

Tầm nhiệt sử dụng: -250C ⇒ 1000CĐộ chính xác : +6C

3.2 Giới thiệu chung về bộ biến đổi ADC và họ IC74

Ngày nay với sự phát triển của công nghệ điện tử, cụm từ “kỹ thuật số” không còn xa lạ đối với một kỹ sư điện tử, về ưu điểm thì kỹ thuật số vượt trội

so với tương tự về cả chất lượng (xữ lý tín hiệu, tính kháng nhiễu, lưu trữ,v.v…) và cả về gia cả của thiết bị Bộ chuyển đổi ADC và DAC (tương tự sang số và số sang tương tự) là cầu nối của hai kỹ thuật này, bất kỳ tín hiệu nào điều được số hóa và ngược lại từ số sang tương tự (hay quá trình khôi phục lại tín hiệu ban đầu - Analog) Như vậy kỹ thuật số sẽ là sự lựa chọn tốt nhất cho giai đoạn hiện nay và trong tương lai

3.2.1 Bộ biến đổi tương tự – số(ADC

3.2.1.1 Biến đổi tương tự – số(ADC):

Biến đổi tương tự – số (analog – digital) là thành phần cần thiết trong việc xử lý thông tin và các cách điều khiển sử dụng phương pháp số Tín hiệu thực ở analog, một hệ thống tiếp nhận dữ liệu phải có các bộ phận giao tiếp Analog – Digital (A/D)

Các bộ chuyển đổi tương tự – số, viết tắt là ADC thực hiện hai chức năng cơ bản là lượng tử hóa và mã hóa Lượng tử hóa là gán cho những mã nhị phân từng giá trị rời rạc sinh ra trong quá trình lượng tử hóa

3.2.1.2 Tổng quát:

3.2.1.2.1 Quan hệ In – Out:

Biến đổi A/D có tính chất tỉ lệ Tín hiệu vào Analog được biến đổi thành một phân số X bằng cách so sánh với tính hiệu tham chiếu Vref Đầu ra của bộ ADC là mã của phân số này Bất kỳ một sai số tín hiệu Vref nào cũng sẽ dẫn tới sai số mức ra, vì vậy người ta cố gắn giữ cho Vref càng ổn định càng tốt

Vref

ADC

Quan hệ vào ra của ADC.