SISTEMAS_ELECTRONICOS_PARA_INGENIERIA_BIOMEDICA

Trabajo 1 de Sistemas Electrónicos

Segundo Semestre de 2025

Introducción

Este semestre, su grupo es responsable de diseñar y fabricar un prototipo de estetoscopio electrónico para aplicar los conocimientos y tecnicas relacionados a la asignatura de Sistemas Electrónicos.

Un estetoscopio electrónico es un dispositivo médico que amplifica electrónicamente los sonidos corporales para facilitar la auscultación, especialmente de sonidos débiles o sutiles, como ciertos soplos cardíacos. A diferencia de los estetoscopios tradicionales, los electrónicos pueden filtrar el ruido ambiental y a menudo permiten grabar y reproducir los sonidos para su análisis posterior. Además, para el prototipo, se agregará la capacidad de estimar la frecuencia cardíaca automaticamente.

En resúmen, el prototipo debe tener las siguientes funcionalidades:

1. Medir, amplificar, filtrar y reproducir los sonidos corporales
2. Permitir controlar el volúmen
3. Estimar y permitir la visualización de la frecuencia cardíaca (Heart Rate - HR)
4. Emitir una señal de luz cuando hay un pulso cardíaco

El sistema que deben diseñar puede ser dividido en los siguientes bloques:

Figura 1: División del sistema del estetoscopio electrónico en bloques

En este primer trabajo el objetivo es estudiar y diseñar las partes del dispositivo responsables por amplificar la señal:

1. El circuito del Amplificador 1
2. El circuito del Control de volúmen
3. El amplificador de audio

El trabajo será un ensayo que debe contener la siguiente información:

• Identificación del grupo (color)
• Identificación de los integrantes del grupo (nombres, apellidos y RUT)
• La información que se pide en cada una de las siguientes sesiones de este documento

1. Amplificador 1

Una de las primeras funciones de un estetoscopio electrónico es convertir los sonidos corporales en una señal de voltaje utilizando un micrófono. En el caso del prototipo que su grupo está desarrollando, la amplitud de la señal generada es muy pequeña para ser utilizada como entrada del altavoz. Por lo tanto, se utilizará el circuito denominado Amplificador 1 para multiplicar la amplitud por aproximadamente 20.

Figura 2: Amplificador 1

Internamente, el primer amplificador es un circuito con 2 resistencias, $R_2$ y $R_3$, las cuales se relacionan a las características del amplificador de la siguiente forma:

$A_{V_{NL}} = - \frac{R_3}{R_2}$

$R_{i} = R_2 + R_3$

$R_{o} \approx 1\ k\Omega$

Además, para este proyecto, los valores de resistencias disponibles están limitados a los indicados en la tabla anexa.

1. Con esto en consideración, elijan un valor para $R_2$ y un valor para $R_3$ de tal forma que (1.5pt):

   • $

     A_{V_{NL}}

     \approx 20$ (margen de 20%)

   • $R_{i}$ está entre $10\ k\Omega$ y $100\ k\Omega$
   • Los valores de $R_2$ y $R_3$ son valores disponibles en el anexo

2. Control de volúmen

Para controlar el volúmen de salida se utilizará un amplificador muy similar al Amplificador 1, pero con la adición de un potenciómetro, el cual permite cambiar la relación entre las resistencias que determinan el factor de amplificación.

Figura 3: Control de volúmen

Las relaciones entre las resistencias y las características del amplificador son las siguientes:

$A_{V_{NL}} = - \frac{R_{BC}}{R_{AB}}$

$R_{i} = R_{AC}$

$R_{o} \approx 1\ k\Omega$

1. Identifiquen una fórmula para la ganancia absoluta maxima, $max{

   A_{V_{NL}}

   }$ y una fórmula para la ganancia absoluta mínima, $min{

   A_{V_{NL}}

   }$. (0.5pt) AYUDA: las ganancias maxima y minima se obtienen cuando el potenciometro está ajustado en sus extremos.

2. Elijan valores de $R_6$, $R_7$ y $R_{pot1}$ de tal forma que (2pt):
   • $R_{pot1}$ es uno de los siguientes valores: $1\ k\Omega$, $2\ k\Omega$, $5\ k\Omega$ o $10\ k\Omega$

   • $min{

     A_{V_{NL}}

     }$ está entre 0.2 y 0.6

   • $max{

     A_{V_{NL}}

     }$ está entre 5 y 10

   • Los valores de $R_6$ y $R_7$ son valores disponibles en el anexo

3. Amplificador de audio

Tanto el circuito del Amplificador 1 cuanto el del Control de volumen tienen una impedancia de salida de aproximadamente $1\ k\Omega$. El altavoz que se utilizará para reproducir los sonidos es un altavoz dinamico con impedancia nominal de $8\ \Omega$.

1. Considerando que la salida del Amplificador 1 está conectada a la entrada del Control de volúmen y que el potenciometro del Control de volúmen está ajustado para obtener la ganancia máxima, determinen la ganancia total del sistema. Ignoren las resistencias de entrada (microfono) y de salida (altavoz). (0.5pt)

2. ¿En cuanto cambia el valor de ganancia total del sistema calculado anteriormente si se conecta una carga de $8\ \Omega$ (altavoz) a la salida del Control de volúmen ? (0.5pt)

Las respuestas anteriores ilustran por qué se necesita un tercer amplificador para conectar el altavoz. Utilizaremos el amplificador de audio LM386 para cumplir con esta función. El LM386 es un circuito integrado (“chip”) con 8 pines que se muestra a continuación:

Figura 4: Circuito integrado LM386

1. Encuentren la hoja de datos (datasheet) del LM386 y contesten las siguientes preguntas (1pt):
   • ¿Cuáles son los números de los pines en los que se conectan la entrada y la salida del amplificador?
   • ¿Cuáles son los números de los pines de alimentación?
   • ¿ Es posible alimentar el LM386 con 5V ?
   • ¿Cuál es la impedancia minima del altavoz que se puede conectar a la salida del LM386? ¿ Se puede conectar el altavoz de $8\ \Omega$ ?
   • ¿Cual es la resistencia de entrada del amplificador?
   • ¿Cual es la ganancia $A_{V_{NL}}$ si los pines 1, 7 y 8 están desconectados?
   • ¿Cuál es el consumo de corriente del LM386 si se alimenta con 5V ?
   • ¿Cuál es la potencia de salida (entregada al altavoz) cuando el LM386 se alimenta con 5V?

EXTRA: Cuando se conecta una señal eléctrica a un altavoz dinamico, este consume energía. Suponiendo que el consumo del altavoz es de 100 mW, ¿ cuanta potencia realmente se convierte en energia acustica ? (0.5pt - en el caso de que el grupo obtenga nota superior a 7, el puntaje extra se suma al siguiente trabajo con nota inferior a 7)

Plazo de entrega: 23:59, 25 de Agosto de 2025

Anexos

Valores de Resistencias disponibles:

10Ω	220Ω	1kΩ	6.8kΩ	100kΩ
22Ω	270Ω	2kΩ	10kΩ	220kΩ
47Ω	330Ω	2.2kΩ	20kΩ	300kΩ
100Ω	470Ω	3.3kΩ	47kΩ	470kΩ
150Ω	510Ω	4.7kΩ	51kΩ	680kΩ
200Ω	680Ω	5.1kΩ	68kΩ	1MΩ