ECG automatik: Amplifikasi dan Simulasi Penapis Menggunakan LTspice: 5 Langkah

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

Ini adalah gambar peranti terakhir yang akan anda bina dan perbincangan yang mendalam mengenai setiap bahagian. Juga menerangkan pengiraan untuk setiap peringkat.

Gambar menunjukkan gambarajah blok untuk peranti ini

Kaedah dan Bahan:

Objektif projek ini adalah untuk mengembangkan alat pemerolehan isyarat untuk mencirikan isyarat biologi tertentu / mengumpulkan data yang relevan pada isyarat tersebut. Lebih khusus lagi, ECG automatik. Gambarajah blok yang ditunjukkan dalam Rajah 3 menyoroti skema yang dicadangkan untuk peranti tersebut. Peranti akan menerima isyarat biologi melalui elektrod dan kemudian menguatkannya menggunakan penguat dengan penguatan 1000. Penguatan ini diperlukan kerana isyarat biologi akan kurang pada sekitar 5mV yang sangat kecil dan sukar ditafsirkan [5]. Setelah itu, kebisingan akan dikurangkan menggunakan penapis jalur lebar untuk mendapatkan julat frekuensi yang diinginkan untuk isyarat, 0,5-150 Hz, dan kemudian takik akan mengikuti untuk menghilangkan kebisingan sekitar yang normal yang disebabkan oleh talian kuasa yang dijumpai sekitar 50-60 Hz [11]. Terakhir, isyarat itu perlu ditukar menjadi digital supaya dapat ditafsirkan menggunakan komputer dan ini dilakukan dengan penukar analog ke digital. Walau bagaimanapun, dalam kajian ini, tumpuan akan diberikan kepada penguat, penapis jalur lebar, dan penapis takik.

Penguat, saringan jalur lebar, dan saringan takik semuanya dirancang dan disimulasikan menggunakan LTSpice. Setiap bahagian pertama kali dikembangkan secara terpisah dan diuji untuk memastikannya berfungsi dengan baik dan kemudian digabungkan menjadi satu skema akhir. Penguat, yang dapat dilihat pada gambar 4, dirancang dan berdasarkan penguat instrumen. Penguat instrumentasi biasanya digunakan dalam ECG, monitor suhu, dan bahkan alat pengesan gempa bumi kerana dapat menguatkan tahap sinyal yang sangat rendah sambil menolak kebisingan yang berlebihan. Ia juga mudah diubah suai untuk menyesuaikan dengan apa sahaja keuntungan yang diperlukan [6]. Keuntungan yang diinginkan untuk litar adalah 1000 dan ini dipilih kerana input dari elektrod akan menjadi isyarat AC kurang dari 5 mV [5] dan perlu diperkuat agar data lebih mudah ditafsirkan. Untuk mendapatkan keuntungan 1000, persamaan (1) GAIN = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3) digunakan yang oleh itu menghasilkan GAIN = (1+ (5000Ω + 5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω / 100Ω) = 1000. Untuk mengesahkan jumlah penguatan yang betul dicapai, ujian sementara dilakukan menggunakan LTspice.

Tahap kedua adalah penapis jalur lebar. Penapis ini dapat dilihat pada Gambar 5 dan terdiri dari saringan lulus rendah dan kemudian lulus tinggi dengan penguat operasi di antara untuk mengelakkan penapis saling membatalkan. Tujuan tahap ini adalah untuk menghasilkan rangkaian frekuensi yang dapat diterima melalui peranti ini. Julat yang dikehendaki untuk peranti ini ialah 0.5 - 150 Hz kerana ini adalah julat standard untuk ECG [6]. Untuk mencapai julat sasaran ini, persamaan (2) frekuensi pemotongan = 1 / (2πRC) digunakan untuk menentukan frekuensi pemotongan bagi kedua-dua saringan lulus tinggi dan lulus rendah di jalur lebar. Oleh kerana hujung bawah julat harus 0,5 Hz, nilai resistor penapis lulus tinggi dan kapasitor dikira 0,5 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 318,83µF) dan dengan hujung atas perlu 150 Hz, rendah perintang penapis lulus dan nilai kapasitor dikira 150 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 1.061µF). Untuk mengesahkan bahawa julat frekuensi yang betul dicapai, sapuan AC dijalankan menggunakan LTspice.

Tahap simulasi ketiga dan terakhir adalah saringan takik dan dapat dilihat pada Gambar 6. Saringan takik berfungsi sebagai alat untuk menghilangkan bunyi yang tidak diingini yang terjadi di tengah-tengah julat frekuensi yang diinginkan yang dibuat oleh jalur lebar. Kekerapan sasaran dalam kes ini adalah 60 Hz kerana itu adalah frekuensi talian kuasa standard di Amerika Syarikat dan menyebabkan gangguan jika tidak ditangani [7]. Penapis takik yang dipilih untuk menangani gangguan ini adalah penapis tak berkembar dengan dua op amp dan pembahagi voltan. Ini akan membolehkan isyarat tidak hanya menyaring isyarat secara langsung pada frekuensi sasaran tetapi juga memperkenalkan maklum balas berubah-ubah ke dalam sistem, faktor kualiti Q yang boleh disesuaikan, dan output berubah berkat pembahagi voltan dan oleh itu menjadikan ini sebagai penapis aktif dan bukannya pasif [8]. Walau bagaimanapun, faktor-faktor tambahan ini kebanyakannya tidak tersentuh dalam ujian awal tetapi akan disentuh dalam karya-karya yang akan datang dan bagaimana untuk memperbaiki projek itu di kemudian hari. Untuk menentukan pusat frekuensi penolakan, persamaan (3) frekuensi penolakan pusat = 1 / (2π) * √ (1 / (C2 * C3 * R5 * (R3 + R4))) = 1 / (2π) * √ (1 / [(0.1 * 10 ^ -6µF) * (0.1 * 10 ^ -6µF) (15000Ω) * (26525Ω + 26525Ω)]) = 56.420 Hz digunakan. Untuk mengesahkan bahawa kekerapan penolakan yang betul dicapai, sapuan AC dijalankan menggunakan LTspice.

Akhirnya, setelah setiap tahap diuji secara berasingan, ketiga tahap digabungkan seperti yang terlihat pada Gambar 7. Perlu juga diperhatikan bahawa semua op op dibekalkan dengan bekalan kuasa DC + 15V dan -15V untuk memungkinkan penguatan yang besar berlaku apabila perlu. Kemudian ujian sementara dan sapuan AC dilakukan pada litar yang telah siap.

Keputusan:

Grafik untuk setiap peringkat boleh didapati secara langsung di bawah tahapnya masing-masing di bahagian Gambar di lampiran. Untuk peringkat pertama, penguat instrumen, ujian sementara dijalankan di litar untuk menguji untuk memastikan bahawa keuntungan bagi penguat adalah 1000. Ujian ini berlangsung dari 1 - 1,25 saat dengan langkah waktu maksimum 0,05. Voltan yang dibekalkan adalah gelombang sinus AC dengan amplitud 0,005 V dan frekuensi 50 Hz. Keuntungan yang dimaksudkan adalah 1000 dan seperti yang terlihat pada Gambar 4, sejak Vout (kurva hijau) mempunyai amplitud 5V. Keuntungan simulasi dikira menjadi, gain = Vout / Vin = 5V / 0.005V = 1000. Oleh itu, peratus ralat untuk tahap ini adalah 0%. 0,005V dipilih sebagai input untuk bagian ini karena akan berhubungan erat dengan input yang diterima dari elektrod seperti yang disebutkan di bagian metode.

Tahap kedua, penapis jalur lebar, mempunyai julat sasaran 0,5 - 150 Hz. Untuk menguji saringan dan memastikan jarak yang sesuai, satu dekad, sapuan AC dijalankan dengan 100 mata setiap dekad dari 0,01 - 1000 Hz. Gambar 5 menunjukkan hasil dari sapuan AC dan mengesahkan bahawa julat frekuensi 0,5 hingga 150 Hz dicapai kerana minus 3 dB maksimum memberikan frekuensi pemotongan. Kaedah ini digambarkan pada grafik.

Tahap ketiga, saringan takik, dirancang untuk menghilangkan kebisingan yang terdapat sekitar 60 Hz. Pusat kekerapan penolakan yang dikira ialah ~ 56 Hz. Untuk mengesahkan ini, satu dekad, penyapu AC dijalankan dengan 100 mata setiap dekad dari 0,01 - 1000 Hz. Rajah 6 menunjukkan hasil dari sapuan AC dan menggambarkan pusat kekerapan penolakan ~ 56-59 Hz. Kesalahan peratus untuk bahagian ini akan 4.16%.

Setelah mengesahkan bahawa setiap tahap berfungsi, ketiga-tiga tahap itu kemudian dipasang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Kemudian ujian sementara dijalankan untuk memeriksa penguatan litar dan ujian berlangsung dari 1 - 1,25 saat dengan langkah waktu maksimum 0,05 dengan dibekalkan voltan gelombang sinus AC dengan amplitud 0,005 V dan frekuensi 50 Hz. Graf yang dihasilkan adalah graf pertama dalam Rajah 7 menunjukkan Vout3 (merah), output keseluruhan litar, menjadi 3.865 V dan dengan itu membuat keuntungan = 3.865V / 0.005V = 773. Ini berbeza secara signifikan daripada keuntungan yang diinginkan 1000 dan memberikan kesalahan 22.7%. Selepas ujian sementara, satu dekad, sapuan AC dijalankan dengan 100 mata setiap dekad dari 0,01 - 1000 Hz dan menghasilkan graf kedua pada Rajah 7. Grafik ini menyoroti hasil yang dimaksudkan dan menunjukkan saringan berfungsi secara bersamaan untuk menghasilkan penapis yang menerima frekuensi dari 0,5-150 Hz dengan pusat penolakan dari 57,5-58,8 Hz.

Persamaan:

(1) - keuntungan penguat instrumentasi [6], perintang berbanding dengan yang terdapat dalam Rajah 4.

(2) - frekuensi pemotongan untuk penapis lulus rendah / tinggi

(3) - untuk penapis tak berkembar t [8], perintang relatif dengan yang terdapat dalam Rajah 6.

Langkah 1: Penguat Instrumentasi

Tahap 1: penguat instrumen

persamaan - GAIN = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3)

Langkah 2: Jalur Lebar

tahap 2: penapis jalur lebar

persamaan: frekuensi cutoff = 1 / 2πRC

Langkah 3: Tahap 3: Penapis Notch

tahap 3: Penapis Twin T Notch

persamaan - kekerapan penolakan pusat = 1 / 2π √ (1 / (C_2 C_3 R_5 (R_3 + R_4)))

Langkah 4: Skema Akhir Semua Tahap Bersama

Skema akhir dengan sapuan ac dan lengkungan sementara

Langkah 5: Perbincangan Peranti

Perbincangan:

Hasil dari ujian yang dilakukan di atas berjalan seperti yang diharapkan untuk litar secara keseluruhan. Walaupun penguatnya tidak sempurna dan sinyal menurun sedikit semakin jauh melalui litar (yang dapat dilihat pada Gambar 7, grafik 1 di mana isyarat meningkat dari 0,005V menjadi 5V setelah tahap pertama dan kemudian menurun menjadi 4V setelah kedua dan kemudian 3.865V setelah tahap akhir), saringan jalur lebar dan takik berfungsi sebagaimana mestinya dan menghasilkan julat frekuensi 0,5-150 Hz dengan penghapusan frekuensi sekitar 57,5-58,8 Hz.

Setelah menetapkan parameter untuk litar saya, saya kemudian membandingkannya dengan dua ECG lain. Perbandingan yang lebih langsung dengan nombor yang tepat boleh didapati di Jadual 1. Terdapat tiga perkara utama ketika membandingkan data saya dengan sumber literatur lain. Yang pertama adalah bahawa penguatan di litar saya jauh lebih rendah daripada dua yang lain yang saya bandingkan. Kedua-dua rangkaian sumber literatur mencapai penguatan 1000 dan dalam ECG Gawali [9], isyarat itu semakin diperkuat oleh faktor 147 pada tahap saringan. Oleh itu, walaupun isyarat dalam litar saya diperkuat oleh 773 (ralat 22.7% ketika membandingkan dengan penguatan standard) dan dianggap cukup untuk dapat menafsirkan isyarat input dari elektrod [6], ia masih kerdil dibandingkan dengan penguatan standard adalah 1000. Sekiranya penguatan standard dapat dicapai dalam litar saya, penguatan pada penguat instrumen perlu ditingkatkan menjadi faktor yang lebih besar dari 1000 sehingga ketika keuntungan diturunkan setelah melewati setiap tahap penapis dalam litar saya, ia masih mempunyai keuntungan sekurang-kurangnya 1000 atau penapis perlu disesuaikan untuk mengelakkan tahap penurunan voltan yang lebih tinggi daripada berlaku.

Pengambilan utama kedua adalah bahawa ketiga-tiga litar mempunyai julat frekuensi yang sangat serupa. [9] Gawali mempunyai julat yang sama 0,5-150 Hz sementara Goa [10] mempunyai julat yang sedikit lebih lebar dari 0,05-159 Hz. Litar Goa mempunyai sedikit perbezaan kerana jarak tersebut lebih sesuai dengan kad pemerolehan data yang digunakan dalam penyediaannya.

Pengambilan utama terakhir adalah perbezaan di pusat frekuensi penolakan yang dicapai oleh penekan takik di setiap litar. Gao dan litar saya kedua-duanya mempunyai sasaran 60 Hz untuk menekan frekuensi talian yang menyebabkan kebisingan disebabkan oleh talian kuasa sementara Gawali ditetapkan pada 50 Hz. Walau bagaimanapun, perbezaan ini baik-baik saja kerana bergantung pada lokasi di dunia, frekuensi talian kuasa boleh menjadi 50 atau 60 Hz. Oleh itu, perbandingan langsung dibuat hanya dengan litar Goa kerana gangguan talian kuasa di Amerika Syarikat ialah 60 Hz [11]. Kesalahan peratus ialah 3.08%.