Схемотехніка біомедичної апаратури
Спеціальність: Біомедична інженерія (інтернет речей)
Код дисципліни: 6.163.03.O.025
Кількість кредитів: 3.00
Кафедра: Електронні засоби інформаційно-комп'ютерних технологій
Лектор: Голяка Роман Любомирович
Семестр: 4 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у здобувачів освіти компетентностей:
загальні компетентності:
ЗК 2. Знання та розуміння предметної області та розуміння професійної діяльності.
ЗК 4. Навички використання інформаційних і комунікаційних технологій.
ЗК 5. Здатність проведення досліджень на відповідному рівні.
ЗК 6. Здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел.
ЗК 11. Здатність оцінювати та забезпечувати якість виконуваних робіт.
фахові компетентності:
ФК 1. Здатність застосовувати пакети інженерного програмного забезпечення для проведення досліджень, аналізу, обробки та представлення результатів, а також для автоматизованого проектування медичних приладів та систем.
ФК 3. Здатність вивчати та застосовувати нові методи та інструменти аналізу, моделювання, проектування та оптимізації медичних приладів і систем.
ФК 4. Здатність забезпечувати технічні та функціональні характеристики систем і засобів, що використовуються в медицині та біології (при профілактиці, діагностиці, лікуванні та реабілітації).
ФК 5. Здатність застосовувати фізичні, хімічні, біологічні та математичні методи в аналізі, моделюванні функціонування живих організмів та біотехнічних систем.
ФК 6. Здатність ефективно використовувати інструменти та методи для аналізу, проектування, розрахунку та випробувань при розробці біомедичних продуктів і послуг.
ФК 7. Здатність планувати, проектувати, розробляти, встановлювати, експлуатувати, підтримувати, технічно обслуговувати, контролювати і координувати ремонт приладів, обладнання та системи для профілактики, діагностики, лікування і реабілітації, а також пристрої інтернету речей, що використовується в лікарнях і науково-дослідних інститутах.
ФКС 1.3. Знання інженерних методів розрахунку та вибору сфери застосування класичних та новітніх конструкцій деталей машин, вузлів і механізмів, що використовуються в сучасних біотехнічних та медичних апаратах і системам з урахуванням наноматеріалів.
Результати навчання: В результаті вивчення дисципліни студент повинен продемонструвати такі результати навчання:
- знати вимоги до параметрів та процесу розроблення біомедичної апаратури;
- розуміти основні принципи функціонування компонентів цифрової та аналогової мікросхемотехніки;
- знати побудову та режими функціонування мікроелектронних схемних вузлів біомедичної апаратури;
- демонструвати знання та вміння проектувати пристрої мікросхемотехніки;
- демонструвати знання та вміння моделювання параметрів пристроїв мікросхемотехніки, синтезу та використання SPICE моделей;
- здатність провести вибір інтегральних схем біомедичної апаратури у відповідності до її параметрів;
- демонструвати вміння програмувати вбудовані системи біомедичної апаратури;
- демонструвати знання сучасних тенденцій розвитку мікросхемотехніки біомедичної апаратури.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Компонентна база біомедичної апаратури
Короткий зміст навчальної програми: Програма навчальної дисципліни “Схемотехніка БМА” укладена для студентів інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки, які навчаються за спеціальністю Біомедична інженерія. В результаті успішного навчання за програмою курсу студент засвоїть теоретичні засади з схемотехніки та практичні навички по схемотехнічному проектуванню, модельному та експериментальному дослідженню вузлів БМА та Інтернету Речей.
Курс має практичне спрямування, надаючи студентам можливості набуття досвіду в напрямку схемотехнічного проектування та дослідження пристроїв біомедичної інженерії. Самоосвіта вважається невід’ємною частиною даного навчального курсу, і особлива увага у програмі приділяється самостійній роботі студентів. В курсі розглядаються: вимоги до параметрів та процесу розроблення біомедичної апаратури; схемотехнічний аналіз та синтез; схемотехнічне моделювання; SPICE моделі; базові вузли схемотехніки та їх режими роботи – операційні підсилювачі, трансімпедансні перетворювачі, джерела опорної напруги, стабілізатори, мультиплексори; генератори імпульсів; аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі; інтерфейси; пристрої пам'яті; програмовані логічні матриці та пристрої; сигнальні перетворювачі БМА, мікроелектронних вузлів Інтернету Речей та сенсорики.
Зміст курсу спрямований на формування у студентів розуміння загальної тенденції розвитку схемотехніки БМА та Інтернету Речей, здатності студентів ефективно використовувати набуті знання під час практичних занять в аудиторіях та при виконанні лабораторних та самостійних завдань, вміння знаходити необхідну інформацію в спеціалізованій літературі та Інтернеті. Вивчення навчальної дисципліни передбачає використання програмного забезпечення для схемо технічного моделювання MicroCap11 (evaluation student version) та інтегрованих програмних середовищ розроблення (Integrated Development Environment, IDE) PSoC Creator, Arduino IDE. Всі вказані програмні продукти не вимагають ліцензійної оплати є у вільному доступі для студентів.
Опис: Тема 1. Сигнали БІ та аналогова схемотехніка
Вступ в схемотехніку біомедичної інженерії (БМІ). Вимоги та тенденції розвитку схемотехніки БМІ. Типи сигналів: аналогові, дискретні, кодові, цифрові. Основні розділи схемотехніки: аналогові та цифрові схеми, аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі, інтерфейси, системи на кристалі.
Елементарні транзисторні схеми: з спільною базою (спільним затвором), з спільним емітером (спільним витоком), спільним колектором (спільним стоком).
Струмові «дзеркала». Струмове «дзеркало» Уілстона. Диференціальний каскад. Каскади зсуву потенціалу сигналу, каскади двотактного підсилення на комплементарних та однотипних транзисторах.
Операційні підсилювачі (ОП). Типи ОП: загального призначення, rail-to-rail, прецизійні, швидкодіючі, мікропотужні, потужні та високовольтні ОП. Базові типи підсилювачів.
Диференційні підсилювачі. Підсилювачі з цифровим та аналоговим керуванням. Підсилювачі з компенсацією напруги зміщення. Сигнальні перетворювачі імпедансного типу.
Формувачі опорної напруги та стабілізатори живлення. Схемотехніка стабілізації напруг та струмів на принципі забороненої зони (band gap reference). Схеми захисту від перенавантажень. Інтегральні схеми джерел опорної напруги та стабілізаторів.
Тема 2. Системи числення та цифрова схемотехніка
Системи числення. Відображення інформації у цифровій техніці. Основи бульової алгебри. Типові коди цифрової техніки. Перетворення числової інформації
Визначення та назви логічних функцій. Форми зображення логічних функцій. Кон’юнктивний та диз’юнктивний терми. Діаграми Венна. Карти (таблиці) Карно. Мінімізація логічних функцій. Метод безпосередніх перетворень. Метод таблиць Карно.
Базові логічні елементи. Характеристики та різновиди цифрових мікросхем. Схемний синтез логічної функції. Генератори сигналів.
Комбінаційні пристрої. Шифратори. Дешифратори. Перетворювачі кодів. Мультиплексори. Демультиплексори. Сигнальні комутатори. Арифметичні пристрої. Комбінаційні суматори. Накопичувальні суматори. Визначення та класифікація арифметично-логічних пристроїв (АЛП). Структура АЛП.
Тригер – двостановий запам’ятовувач інформації . Загальна структура та сигнали тригерних схем. Класифікація тригерів. RS тригери. D тригери. MS та JK тригери. Т тригери. Тригери двотактної дії. Регістри. Лічильники.. Реверсивні та кільцеві лічильники.
Тема 3. Пам'ять, інтерфейси та спеціалізовані сигнальні перетворювачі
Інтегральні пристрої пам’яті. Класифікація та параметри. Статичні запам’ятовувачі ВІС ОЗП. Динамічні запам’ятовувачі ВІС ОЗП. Структурно-схемні рішення ВІС ОЗП. Постійні запам’ятовувальні пристрої. Класифікація. Структура та принцип побудови ПЗП. Програмовані логічні матриці. Flash пам’ять. Цифрові інтерфейси. Інтерфейси з гальванічним розділенням.
Взаємні перетворення цифрового та аналогового сигналів. Принцип ЦА-перетворення. Параметри ЦАП. Принципи АЦ-перетворення. Параметри АЦП. ЦАП на двійково-зважених резисторах. ЦAП на основі матриці резисторів R-2R. Перемножувальний ЦАП. АЦП послідовного наближення. АЦП паралельного кодування. АЦП подвійного інтегрування. Сигма-дельта АЦП. Конвеєрні АЦП. Перетворювачі типу «ємність-цифра». Мікроконвертери.
Концепція систем на кристалі (СнК). Методи розроблення та характеристика СнК. Основні підходи проектування СнК. Програмовані логічні інтегральні схеми (ПЛІС). ПЛІС компаній Xilinx, Actel, Altera. Програмовані СнК компанії Cypress.
Спеціалізовані сигнальні перетворювачі. Логарифмічні перетворювачі. Аналогові перемножувачі. Детектори та вимірювальні випрямлячі. Аналогові комутатори. Схеми на перемикальних конденсаторах. Частотні перетворювачі. Диференціюючі та інтегруючі перетворювачі. Фільтри. Активні фільтри.
Методи та критерії оцінювання: Поточний контроль: 20 балів (20%). Підсумковий контроль: 80 балів (80%).
Критерії оцінювання результатів навчання: 1) Захист лабораторних робіт включає демонстрацію результатів за індивідуальним варіантом, оформлення письмових звітів до лабораторних робіт.
2) Усне опитування відбувається на лабораторних заняттях та під час здачі екзамену. Опитування здійснюється за питаннями зі сформованих списків до кожної лабораторної роботи та екзамену.
3) Тестування відбувається у ВНС під час контрольного заходу (поточного опитування) та під час екзамену.
4) Екзамен складається з письмової компоненти (тест) та усної компоненти (індивідуальне опитування).
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Електроніка і мікросхемотехніка : у 4 т. За ред. Віталій Іванович Сенько В.І. – Київ : Обереги, 2000.
2. Мікросхемотехніка. Підручник за редакцією З.Ю.Готри / Гельжинський І.І, Голяка Р.Л., Готра З.Ю, Марусенкова Т.А. – Львів: Ліга-Прес. 2015.
3. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: підруч. / За ред. А.Г. Соскова. К.: Каравела. 2009.
4. Схемотехніка електронних систем: підруч. для студ. техн. спец. вищ. навч. загл. / Бойко В. І., Гуржій А. М., Жуйков В. Я..– 2-ге вид., допов. і переробл.– К.: Вища шк., 2004.
5. Бабич М. П. Комп'ютерна схемотехніка: навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл. / Бабич М. П., Жуков І. А.– К.: МК-Прес, 2004.
6. Капустій Б. О. Схемотехніка аналогових та цифрових мікросхем: навч. посіб. для студ. радіоелектрон. спец. вищ. закл. освіти України / Капустій Б. О., Кіселичник Д. М., Віхоть В. І.; Нац. ун-т "Львів. політехніка".– Л.:Вид-во Нац. ун-ту "Львів. політехніка", 2001.
7. Richard C. Jaeger. Microelectronic circuit design. - University of Virginia. Fifth edition. – 2015. ISBN 978-0-07-352960-8.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).
Схемотехніка біомедичної апаратури (курсова робота)
Спеціальність: Біомедична інженерія (інтернет речей)
Код дисципліни: 6.163.03.O.028
Кількість кредитів: 2.00
Кафедра: Електронні засоби інформаційно-комп'ютерних технологій
Лектор: Голяка Роман Любомирович
Семестр: 4 семестр
Форма навчання: денна
Результати навчання: В результаті вивчення дисципліни студент повинен продемонструвати такі результати навчання:
- знати вимоги до параметрів та процесу розроблення біомедичної апаратури;
- розуміти основні принципи функціонування компонентів цифрової та аналогової мікросхемотехніки;
- знати побудову та режими функціонування мікроелектронних схемних вузлів біомедичної апаратури;
- демонструвати знання та вміння проектувати пристрої мікросхемотехніки;
- демонструвати знання та вміння моделювання параметрів пристроїв мікросхемотехніки, синтезу та використання SPICE моделей;
- здатність провести вибір інтегральних схем біомедичної апаратури у відповідності до її параметрів;
- демонструвати вміння програмувати вбудовані системи біомедичної апаратури;
- демонструвати знання сучасних тенденцій розвитку мікросхемотехніки біомедичної апаратури.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Компонентна база біомедичної апаратури
Короткий зміст навчальної програми: Вимоги до параметрів та процесу розроблення біомедичної апаратури.
Cхемотехнічний аналіз та синтез. Схемотехнічне моделювання. SPICE моделі. Базові вузли мікросхемотехніки та їх режими роботи – операційні підсилювачі, трансімпедансні перетворювачі, джерела опорної напруги, стабілізатори, мультиплексори. Генератори імпульсів. Аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі. Інтерфейси. Пристрої пам'яті. Програмовані логічні матриці та пристрої. Сигнальні перетворювачі сенсорної техніки. Пристрої телемедицини та Інтернету Речей.
Методи та критерії оцінювання: Поточний контроль: 20 балів (20%). Підсумковий контроль: 80 балів (80%).
Рекомендована література: 1. Електроніка і мікросхемотехніка : у 4 т. За ред. Віталій Іванович Сенько В.І. – Київ : Обереги, 2000.
2. Мікросхемотехніка. Підручник за редакцією З.Ю.Готри / Гельжинський І.І, Голяка Р.Л., Готра З.Ю, Марусенкова Т.А. – Львів: Ліга-Прес. 2015.
3. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: підруч. / За ред. А.Г. Соскова. К.: Каравела. 2009.
4. Схемотехніка електронних систем: підруч. для студ. техн. спец. вищ. навч. загл. / Бойко В. І., Гуржій А. М., Жуйков В. Я..– 2-ге вид., допов. і переробл.– К.: Вища шк., 2004.
5. Бабич М. П. Комп'ютерна схемотехніка: навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл. / Бабич М. П., Жуков І. А.– К.: МК-Прес, 2004.
6. Капустій Б. О. Схемотехніка аналогових та цифрових мікросхем: навч. посіб. для студ. радіоелектрон. спец. вищ. закл. освіти України / Капустій Б. О., Кіселичник Д. М., Віхоть В. І.; Нац. ун-т "Львів. політехніка".– Л.:Вид-во Нац. ун-ту "Львів. політехніка", 2001.
7. Richard C. Jaeger. Microelectronic circuit design. - University of Virginia. Fifth edition. – 2015. ISBN 978-0-07-352960-8.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).