Perolehan, Amplifikasi, dan Reka Bentuk Litar Penapisan Elektrokardiogram Asas: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:06

Untuk menyelesaikan petunjuk ini, satu-satunya perkara yang diperlukan adalah komputer, akses internet, dan beberapa perisian simulasi. Untuk tujuan reka bentuk ini, semua litar dan simulasi akan dijalankan di LTspice XVII. Perisian simulasi ini mengandungi perpustakaan lebih dari 1, 000 komponen yang menjadikan pembuatan litar sangat mudah. Kerana rangkaian ini akan digeneralisasikan, "UniversalOpAmp2" akan digunakan untuk setiap kejadian di mana op-amp diperlukan. Selain itu, setiap op-amp dikuasakan oleh bekalan kuasa + 15V dan -15V. Bekalan kuasa ini bukan sahaja memberi kuasa kepada op-amp tetapi juga menjepit voltan keluaran jika ingin mencapai salah satu daripada kedua-dua ekstrem tersebut.

Langkah 1: Reka Bentuk Penguat Instrumentasi

Setelah isyarat diperoleh, ia perlu diperkuat untuk melakukan pengiraan dan menyaringnya. Untuk elektrokardiogram, kaedah penguatan yang paling biasa adalah penguat instrumentasi. Seperti yang disebutkan di atas, penguat instrumentasi mempunyai banyak kelebihan dalam rangkaian penguatan, yang terbesar adalah impedansi tinggi antara voltan input. Untuk membina litar ini, 3 op-amp digunakan bersama dengan tujuh perintang, dengan enam perintang sama besarnya. Keuntungan kebanyakan elektrokardiogram adalah sekitar 1000x isyarat input [1]. Persamaan untuk memperoleh penguat instrumentasi adalah seperti berikut: Keuntungan = 1 + (2 * R1 / R2) * (R7 / R6). Untuk kesederhanaan, setiap perintang dianggap 1000 ohm, kecuali R2, yang ditentukan menjadi 2 ohm. Nilai-nilai ini memberikan keuntungan 1001 kali lebih besar daripada voltan input. Keuntungan ini cukup untuk menguatkan isyarat yang diperoleh untuk analisis lebih lanjut. Walau bagaimanapun, dengan menggunakan persamaan, keuntungan boleh menjadi apa sahaja yang dikehendaki oleh reka bentuk litar mereka.

Langkah 2: Reka Bentuk Penapis Pas Laluan

Penapis jalur lebar adalah penapis lulus tinggi dan penuras lulus rendah berfungsi dalam koordinasi biasanya dengan op-amp untuk menyediakan apa yang dikenali sebagai jalur pas. Jalur laluan adalah rangkaian frekuensi yang boleh dilalui sementara semua yang lain, di atas dan di bawah, ditolak. Piawaian industri menyatakan bahawa elektrokardiogram standard mesti mempunyai jalur pas dari 0,5 Hz hingga 150 Hz [2]. Jalur laluan yang besar ini memastikan bahawa semua isyarat elektrik dari jantung direkodkan dan tidak ada yang ditapis. Begitu juga, jalur pas ini menolak sebarang offset DC yang boleh mengganggu isyarat. Untuk merancang ini, perintang dan kapasitor tertentu mesti dipilih supaya frekuensi pemotongan lulus tinggi pada 0.5 Hz dan frekuensi pemotongan lulus rendah adalah pada 150 Hz. Persamaan frekuensi pemotongan untuk saringan lulus tinggi dan lulus rendah adalah seperti berikut: Fc = 1 / (2 * pi * RC). Untuk pengiraan saya, perintang sewenang-wenangnya dipilih, kemudian menggunakan Persamaan 4, nilai kapasitor dikira. Oleh itu, penapis lulus tinggi akan mempunyai nilai perintang 100, 000 ohm dan nilai kapasitor 3.1831 mikrofarad. Begitu juga, penapis lulus rendah akan mempunyai nilai perintang 100, 000 ohm dan nilai kapasitor 10.61 nano-farad. Gambarajah penapis jalur lebar dengan nilai yang disesuaikan ditunjukkan.

Langkah 3: Reka Bentuk Penapis Notch

Penapis takik pada dasarnya bertentangan dengan penapis jalur lebar. Daripada mempunyai hantaran tinggi diikuti dengan hantaran rendah, itu adalah hantaran rendah diikuti dengan hantaran tinggi, oleh itu seseorang pada dasarnya dapat menghilangkan satu hingar kecil. Untuk saringan takik elektrokardiogram, reka bentuk saringan takik Twin-T telah digunakan. Reka bentuk ini membolehkan frekuensi pusat ditapis dan memberikan faktor kualiti yang besar. Dalam kes ini, frekuensi pusat untuk disingkirkan adalah pada 60 Hz. Dengan menggunakan Persamaan 4, nilai-nilai perintang dihitung menggunakan nilai kapasitor yang diberi 0.1 mikrofarad. Nilai perintang yang dihitung untuk jalur henti 60 Hz ialah 26, 525 ohm. Kemudian R5 dikira menjadi ½ dari R3 dan R4. C3 juga dikira sebagai dua kali ganda nilai yang dipilih untuk C1 dan C2 [3]. Perintang sewenang-wenang dipilih untuk R1 dan R2.

Langkah 4: Litar Gabungan

Dengan menggunakan jaring, komponen-komponen ini diletakkan secara bersiri dan gambar litar yang telah siap digambarkan. Menurut makalah yang diterbitkan oleh Springer Science, keuntungan yang dapat diterima dari litar ECG seharusnya sekitar 70 dB ketika keseluruhan litar disiapkan [4].

Langkah 5: Menguji Keseluruhan Litar

Apabila semua komponen diletakkan dalam satu siri, pengesahan reka bentuk diperlukan. Menguji litar ini, sapuan sementara dan AC dilakukan untuk menentukan sama ada semua komponen berfungsi secara serentak. Sekiranya ini berlaku, voltan keluaran sementara masih sekitar 1000x voltan masukan. Begitu juga, ketika sapuan AC dilakukan, plot bode filter pass-pass dijangka dengan takik pada 60 Hz. Melihat gambar yang dilukis, litar ini dapat berjaya mencapai kedua-dua tujuan tersebut. Ujian lain adalah untuk melihat kecekapan saringan takik. Untuk menguji ini, isyarat 60 Hz dilalui melalui litar. Seperti yang digambarkan, besarnya output ini hanya sekitar 5x lebih besar daripada input, dibandingkan dengan 1000x ketika frekuensi berada di dalam jalur pas.

Langkah 6: Sumber:

[1] “Sistem Pengukuran ECG,” Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (diakses 01 Disember, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko dan M. E. Josephson, "Kandungan Frekuensi dan Karakteristik Konduksi Ventrikular," Jurnal elektrokardiologi, vol. 48, tidak. 6, hlm.933–937, 2015, doi: 10.1016 / j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] "Band Stop Filter disebut Reject Filters," Tutorial Elektronik Asas, 22 Mei 2018.

[4] N. Guler dan U. Fidan, "Penghantaran isyarat ECG tanpa wayar," Springer Science, vol. 30, April 2005, doi: 10.1007 / s10916-005-7980-5.