Simplificação de um circuito de um detector fetal

Sidnei Ângelo · 4 de novembro de 2017

Boa tarde pessoal tudo certo?

Estou em um projeto da faculdade onde me propus a desenvolver um protótipo de um detector fetal (circuito em anexo).

O circuito funciona com base no efeito doppler, que neste caso, tem a ver com as medidas de variação da amplitude da onda de ultrassom.

O circuito do transmissor emite um trem de pulsos estreitos de onda quadrada de tensão, mas o circuito sintonizado C18 com L2, começa a filtrar este pulso e deixar passar a corrente quase senoidal para o secundário de L2. O piezo do transmissor tem a mesma característica elétrica dos cristais. Uma (principal) ressonância série e outra paralela. Ambas as frequências se encontram bem próximas e definidas. A ressonância série do Piezo do transmissor provoca a passagem de uma corrente senoidal em 2,5MHz. Quase toda esta energia é convertida em vibrações nesta frequência altíssima. A escolha desta frequência é baseada em fatores que não vêm ao caso. Os pulsos de energia produzidos no transmissor são idênticos e tem a forma de um trem de senoides amortecidas. O grau de amortecimento tem a ver com o Q (fator de qualidade) do circuito C18, L2, R23 e do piezo Tx.

O receptor tem o piezo como transdutor. Ele tem que estar sintonizado na mesma frequência do piezo do Tx.

Com a mudança da geometria do organismo, provocada pelos batimentos cardíacos do feto (outras mudanças também seriam sentidas), o retorno das ondas de ultrasom alteram de potência. Tem a ver com reflexões, ângulos, atenuações etc.

Ao longo do tempo, é notada a modulação EM AMPLITUDE (AM) do sinal em 2,5MHz, assim como o Mestre88 afirmou. Este sinal é amplificado por T3, que basicamente possui um circuito sintonizado no coletor, na mesma frequência dos dois piezos. Então ele amplifica apenas o sinal em 2,5MHz. O Q do circuito é determinado pelo resistor R8 de 4k7, já que o resistor R14 é de valor bem mais alto, não influenciando no Q deste estágio. O mesmo pode-se dizer com relação à impedância de entrada do fet T5. O detalhe aí, é que, para que o sinal de AM seja detectado, o fet tem que se comportar como detector e não como um filtro passa-baixas frequências. Em sinais AM, a modulante (sinal útil) se encontra em frequências próximas à frequência da portadora (2,5MHz). Um simples filtro passa baixas eliminaria todo o sinal, portadora e modulante. Por este motivo é que acredito que a junção gate dreno do fet, atue, em determinados instantes, como um diodo retificador, que juntamente com R18 e C12, recuperam o contorno do sinal modulante. Este sinal tem as características das variações geométricas do local por onde ele circula. Movimenta-se o transdutor de ultrasom à procura do coração do feto. Ao se apontar convenientemente para o coração do feto, observa-se a tal variação, que é o sinal modulante. A parte importante deste sinal são os componentes de baixa frequências. Algo como nas frequências de áudio. Os estágios seguintes são dois amplificadores transistorizados (T4 e T6) com alto ganho na faixa de áudio. Os capacitores C13 e C15 tem a função de provocar um ganho maior nas faixas de áudio. Os capacitores C8 e C10 são meros capacitores de acoplamento entre os estágios. R17, R12 e C14 formam um filtro passa baixas frequências, sendo que basicamente permite passar os sinais de mais baixa frequência e filtram sinais a partir de 140Hz.

À partir daí tem o amplificador operacional, com um potenciômetro de volume. Sua função é a de ajustar o nível de tensão apropriado para o falante. A função de C14 é a de bloquear o nível cc existente na saída do amplificador operacional.

Segundo as premissas da disciplina, usaremos o software Eagle para o desenvolvimento, entretanto o circuito que meu grupo escolheu é um circuito muito grande, o que fica inviável o roteamento da placa.

Gostaria de saber se alguém tem alguma sugestão para a simplificação do circuito para facilitar o roteamento da minha placa, principalmente referente aos blocos de recepção/transmissão do sinal e pré-amplificação.

Grato desde já.

Circuito esquemático MD10 da WEM.pdf

MOR_AL · 4 de novembro de 2017

Parabéns! Entendeu tudo direitinho.

Tenho uma opção.

Divida o diagrama em estágios. Ex.: Transmissor, na recepção; parte de RF, parte de detecção e parte de baixa frequência.

Assim não precisa colocar tudo em apenas uma placa de CI e sim em tantas quanto necessárias.

Parece que o Eagle permite placas de 10 cm por 10 cm. Já é muita coisa. Talvez dê para fazer duas placas, uma do transmissor e outra do receptor. Depois você coloca tudo dentro de uma caixa.

Aliás, é até melhor você fazer assim. Aí você pode verificar melhor o funcionamento.

Coloque pinos que permitam medir determinados pontos do circuito. Sempre será necessário verificar se as características estão de acordo com o esperado.

"Estou em um projeto da faculdade onde me propus a desenvolver um protótipo de um detector fetal ..."

Mas pergunto. O projeto tem a finalidade de aprender a fazer placas de circuito impresso, não é? Porque o protótipo já foi feito e virou produto da WEN Equipamentos Eletrônicos Ltda.

MOR_AL

Sidnei Ângelo · 4 de novembro de 2017

52 minutos atrás, MOR disse:

Parabéns! Entendeu tudo direitinho.

Entendi tudo graças a você parceiro, obrigado pela ajuda.

52 minutos atrás, MOR disse:

Divida o diagrama em estágios. Ex.: Transmissor, na recepção; parte de RF, parte de detecção e parte de baixa frequência.

Entendi. Por acaso você saberia algum componente que eu possa fazer de transdutor no bloco de recepção e transmissão? Será que se eu utilizar as pastilhas piezoelétricas eu consigo a função que o equipamento se propõe a fazer? Estou quebrando a cabeça neste bloco.

56 minutos atrás, MOR disse:

O projeto tem a finalidade de aprender a fazer placas de circuito impresso, não é? Porque o protótipo já foi feito e virou produto da WEN Equipamentos Eletrônicos Ltda.

Isso, na verdade é pra aprendermos a confeccionar as placas, porém a nota final será se funcionou ou não o circuito, estou tentando juntar o maior número de informações possível pra tentar simplificar....

MOR_AL · 5 de novembro de 2017

19 horas atrás, Sidnei Ângelo disse:

Entendi. Por acaso você saberia algum componente que eu possa fazer de transdutor no bloco de recepção e transmissão? Será que se eu utilizar as pastilhas piezoelétricas eu consigo a função que o equipamento se propõe a fazer? Estou quebrando a cabeça neste bloco.

Bom.

A ordem de grandeza do comprimento de onda de ultrasom (US) é bem pequena para obter-se maior precisão.

O circuito tem transdutores com pico de corrente em 2,5MHz e os circuitos são apropriados para tal.

O transmissor deve poder ser capaz de suportar potência suficiente para entrar no corpo e retornar com alguma potência que seja maior que o nível de ruído do receptor. Traduzindo. O piezo deve ser da ordem de MHz e o do transmissor com algum tamanho para suportar a potência aplicada a ele.

Eu projetei e fiz um aparelho para medir a artéria transcraniana em recém nascidos. O transdutor era composto por uma matriz de 3 x 3 elementos quadrados, cada um com 1mm de lado. A finalidade era a de manter o US apontado para a artéria, mesmo quando o recém nascido se movia. Cada elemento recebia a mesma frequência, mas com fases tais, que continuassem a observar a tal artéria. A direção do feixe de US era determinada por um processo com interferências construtivas e destrutivas.

No seu caso, você pode começar a testar com cristais destes usados em microcontroladores. Faça um pequeno furo na caneca (0,8mm de diâmetro) e introduza um fluido que case o transdutor com o meio externo até encher a caneca completamente. Acho que o próprio creme usado em US serve. Feche o furo com cola. Ar no seu interior introduz uma alta impedância no circuito, transferindo pouca potência ao transdutor e consequentemente, ao meio externo.

Em muitos casos o transdutor é o mesmo para o transmissor e para o receptor. Claro que emite-se um pulso pelo transmissor. Considerando o maior tempo útil de retorno da onda, comuta-se o transmissor para o receptor.

Tem até um CI antigo que faz isso, mas ele é para trabalhar em frequências muito mais baixas.

MOR_AL

Sidnei Ângelo · 5 de novembro de 2017

7 minutos atrás, MOR disse:

No seu caso, você pode começar a testar com cristais destes usados em microcontroladores. Faça um pequeno furo na caneca (0,8mm de diâmetro) e introduza um fluido que case o transdutor com o meio externo até encher a caneca completamente. Acho que o próprio creme usado em US serve. Feche o furo com cola. Ar no seu interior introduz uma alta impedância no circuito, transferindo pouca potência ao transdutor e consequentemente, ao meio externo.

Entendi. Mas o meu problema é justamente o transdutor (receptor e transmissor), não consigo encontrar nada no mercado para poder confeccionar o circuito. Pensei em utilizar as pastilhas piezoelétricas, mas não sei se por conta da frequência irá funcionar.

Gostaria de simplificar o máximo possível o circuito, se pudesse não usar este transformador fazendo uma realimentação positiva com o transistor para o circuito oscilar seria perfeito. Será que se eu substituir este bloco por um cristal oscilador utilizados por microcontrolador e a pastilha piezoelétrica eu consigo o efeito desejado?

MOR_AL · 6 de novembro de 2017

Esquece a pastilha piezoelétrica. Elas têm uma base metálica para reduzir a frequência de ressonância, além disso, Tanto o transdutor no transmissor, como do receptor, TÊM QUE POSSUIR A MESMA FREQUÊNCIA DE RESSONÂNCIA.

O trafo tem duas características importantes. Baixa a impedância do primário para o secundário, além de promover o isolamento da componente CC. Materiais piezoelétricos ficam "torcidos" de acordo com a tensão CC.

Se for para montar e colocar funcionando e de acordo com o seu conhecimento prévio mostrado, vai te dar um trabalho para cerca de 300 hh (homem hora). Este valor pode ser bem variável, basta ver quanto tempo você já investiu apenas em entender o funcionamento do circuito e ainda se encontra na fase de substituição de materiais.

Como mencionei, baseado em suas dúvidas e para mostrar o circuito funcionando, eu, no seu lugar, não tentaria alterar nenhum componente.

Está na hora de você pesquisar todo o material contido neste tópico, no Google por maiores detalhes, partir para as suas decisões e começar a implementar a montagem.

MOR_AL

.if · 6 de novembro de 2017

Perdão mas não li tudo (2big) mas percebi os termos

21 horas atrás, Sidnei Ângelo disse:

pastilha piezoelétrica

e

21 horas atrás, MOR disse:

onda de ultrasom

o que me fez remeter à lembrança que aqueles nebulizadores usam os 2 termos pra nebulizar a água... Quiçá uma remota chance de conexão... ou não...

Em 04/11/2017 às 18:04, Sidnei Ângelo disse:

Isso, na verdade é pra aprendermos a confeccionar as placas

Ah li isso também... Se foi só pra isso, fizestes uma escolha bem desafiadora pois penso que há opções mais simples. P.ex. .. acender um led

Kleber Teixeira de Souza · 9 de agosto de 2018

Em 04/11/2017 às 16:25, Sidnei Ângelo disse:

Boa tarde pessoal tudo certo?

Estou em um projeto da faculdade onde me propus a desenvolver um protótipo de um detector fetal (circuito em anexo).

O circuito funciona com base no efeito doppler, que neste caso, tem a ver com as medidas de variação da amplitude da onda de ultrassom.

O circuito do transmissor emite um trem de pulsos estreitos de onda quadrada de tensão, mas o circuito sintonizado C18 com L2, começa a filtrar este pulso e deixar passar a corrente quase senoidal para o secundário de L2. O piezo do transmissor tem a mesma característica elétrica dos cristais. Uma (principal) ressonância série e outra paralela. Ambas as frequências se encontram bem próximas e definidas. A ressonância série do Piezo do transmissor provoca a passagem de uma corrente senoidal em 2,5MHz. Quase toda esta energia é convertida em vibrações nesta frequência altíssima. A escolha desta frequência é baseada em fatores que não vêm ao caso. Os pulsos de energia produzidos no transmissor são idênticos e tem a forma de um trem de senoides amortecidas. O grau de amortecimento tem a ver com o Q (fator de qualidade) do circuito C18, L2, R23 e do piezo Tx.

O receptor tem o piezo como transdutor. Ele tem que estar sintonizado na mesma frequência do piezo do Tx.

Com a mudança da geometria do organismo, provocada pelos batimentos cardíacos do feto (outras mudanças também seriam sentidas), o retorno das ondas de ultrasom alteram de potência. Tem a ver com reflexões, ângulos, atenuações etc.

Ao longo do tempo, é notada a modulação EM AMPLITUDE (AM) do sinal em 2,5MHz, assim como o Mestre88 afirmou. Este sinal é amplificado por T3, que basicamente possui um circuito sintonizado no coletor, na mesma frequência dos dois piezos. Então ele amplifica apenas o sinal em 2,5MHz. O Q do circuito é determinado pelo resistor R8 de 4k7, já que o resistor R14 é de valor bem mais alto, não influenciando no Q deste estágio. O mesmo pode-se dizer com relação à impedância de entrada do fet T5. O detalhe aí, é que, para que o sinal de AM seja detectado, o fet tem que se comportar como detector e não como um filtro passa-baixas frequências. Em sinais AM, a modulante (sinal útil) se encontra em frequências próximas à frequência da portadora (2,5MHz). Um simples filtro passa baixas eliminaria todo o sinal, portadora e modulante. Por este motivo é que acredito que a junção gate dreno do fet, atue, em determinados instantes, como um diodo retificador, que juntamente com R18 e C12, recuperam o contorno do sinal modulante. Este sinal tem as características das variações geométricas do local por onde ele circula. Movimenta-se o transdutor de ultrasom à procura do coração do feto. Ao se apontar convenientemente para o coração do feto, observa-se a tal variação, que é o sinal modulante. A parte importante deste sinal são os componentes de baixa frequências. Algo como nas frequências de áudio. Os estágios seguintes são dois amplificadores transistorizados (T4 e T6) com alto ganho na faixa de áudio. Os capacitores C13 e C15 tem a função de provocar um ganho maior nas faixas de áudio. Os capacitores C8 e C10 são meros capacitores de acoplamento entre os estágios. R17, R12 e C14 formam um filtro passa baixas frequências, sendo que basicamente permite passar os sinais de mais baixa frequência e filtram sinais a partir de 140Hz.

À partir daí tem o amplificador operacional, com um potenciômetro de volume. Sua função é a de ajustar o nível de tensão apropriado para o falante. A função de C14 é a de bloquear o nível cc existente na saída do amplificador operacional.

Segundo as premissas da disciplina, usaremos o software Eagle para o desenvolvimento, entretanto o circuito que meu grupo escolheu é um circuito muito grande, o que fica inviável o roteamento da placa.

Gostaria de saber se alguém tem alguma sugestão para a simplificação do circuito para facilitar o roteamento da minha placa, principalmente referente aos blocos de recepção/transmissão do sinal e pré-amplificação.

Grato desde já.

Circuito esquemático MD10 da WEM.pdf