Analisis Impedans Bio (BIA) Dengan Langkah AD5933: 9

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Saya berminat membuat Bio Impedance Analyzer untuk pengukuran komposisi badan dan carian rawak saya terus menemui reka bentuk dari kelas Instrumen Bioperubatan 2015 di Universiti Vanderbilt. Saya telah mengusahakan reka bentuk dan memperbaikinya sedikit. Saya ingin berkongsi penemuan saya dengan anda. Ambil apa yang boleh anda gunakan dari "panduan" ini jika ada yang tidak jelas, harap tunjukkan penambahbaikan. Saya mungkin suatu hari nanti menuliskan pemikiran saya dalam bentuk yang lebih padu, tetapi buat masa ini saya harap anda dapat menggunakan apa sahaja yang anda lihat di sini. (Sekiranya anda fikir anda dapat menuliskannya dan memperbaiki, anda dipersilakan)

Teddy

Reka bentuk ini terdiri daripada cip AD5933 dan front-end analog khas (AFE) untuk menghubungkan antara AD5933 dengan badan. AD5933 kemudian melakukan pengukuran dan hasilnya kemudian dapat diproses oleh mikrokontroler (mis. Arduino).

Sekiranya anda merancang untuk menggunakan Arduino sebagai bekalan kuasa, pastikan penguat operasi dan instrumentasi (op-amp dan in-amp) menyokong voltan "bekalan tunggal" yang disebut dan mempunyai spesifikasi rel ke rel.

(Berikut ini saya akan menggunakan bekalan kuasa (dari Arduino) 5V dan tetapan Range 1 pada AD5933.)

Langkah 1: Tahap Re-bias

Bahagian pertama AFE adalah tahap re-bias. Isyarat voltan keluaran tidak berpusat di tengah julat voltan bekalan (VDD / 2). Ini diperbetulkan dengan menggunakan kapasitor untuk menyekat bahagian DC dari isyarat dan menghantarnya melalui pemisah voltan untuk menambahkan pengimbasan DC kembali ke dalam isyarat.

Kedua-dua perintang bias semula boleh mempunyai nilai selagi sama. Nilai khusus dari topi juga tidak penting.

Tahap bias semula berfungsi seperti penapis lulus tinggi dan oleh itu mempunyai frekuensi pemotongan:

f_c = 1 / (2 * pi * (0,5 * R) * C)

Pastikan frekuensi pemotongan adalah beberapa dekad di bawah frekuensi minimum yang anda rancangkan untuk digunakan. Sekiranya anda merancang untuk menggunakan 1kHz dalam aplikasi anda, anda harus menggunakan nilai had dan perintang yang akan memberi anda frekuensi pemotongan pada urutan 1-10 Hz.

Bahagian terakhir tahap ini adalah op-amp yang disiapkan untuk menjadi pengikut voltan. Ini untuk memastikan bahawa nilai perintang tidak mengganggu tahap seterusnya

Langkah 2: Perintang Sensing Semasa

Bahagian pertama peringkat seterusnya adalah perintang penginderaan semasa. Arus melalui perintang ini akan sama dengan arus yang akan dikekalkan oleh penguat melalui badan. Pastikan arus mematuhi piawaian keselamatan IEC6060-1 *:

Di bawah frekuensi 1 kHz maksimum 10 microAmps (RMS) dibenarkan melalui badan. Pada frekuensi melebihi 1kHz, persamaan berikut memberikan arus maksimum yang dibenarkan:

Arus AC maksimum <(frekuensi minimum dalam kHz) * 10 microAmps (RMS)

Hubungan antara amplitud puncak isyarat AC dan nilai RMSnya ialah: Puncak = sqrt (2) * RMS. (10 microAmps RMS sesuai dengan 14 amplitud puncak mikroAmps)

Dengan menggunakan Hukum Ohms pada perintang kita dapat mengira nilai perintang yang akan mematuhi standard keselamatan. Kami menggunakan voltan pengujaan dari AD5933 dan nilai arus maksimum:

U = R * I => R = U / I

Cth. menggunakan tetapan Range 1 Upeak = 3V / 2 = 1.5V (atau 1V @ 3.3V)

Dengan menggunakan nilai puncak 14 microAmp dari atas, saya mendapat nilai perintang sekurang-kurangnya 107kOhms

Rujukan:

* Peranti Analog: "Reka Bentuk Litar Bio-Impedansi untuk Sistem yang Dipakai Badan"

Langkah 3: Penguat Trans-konduktansi

Selepas daftar masuk pengesan semasa terdapat op-amp dalam konfigurasi maklum balas negatif. Ini adalah penyediaan Load-in-the-Loop yang disebut. Terminal input positif op-amp disambungkan ke voltan VDD / 2. Op-amp sekarang akan cuba menyesuaikan outputnya ke arah yang berlawanan dengan isyarat pengujaan sehingga voltan pada terminal negatif sama dengan VDD / 2. Ini akan menghasilkan potensi penggergajian mendorong dan menarik arus melalui badan.

Arus yang diambil dari terminal negatif op-amp adalah hampir sifar. Oleh itu, semua arus melalui perintang penginderaan semasa harus mengalir ke seluruh badan. Mekanisme inilah yang menjadikan persediaan ini sebagai penguat trans-konduktansi (juga disebut sumber arus terkawal voltan, VCCS).

Op-amp hanya dapat mengekalkan arus jika impedans badan tidak terlalu tinggi. Jika tidak, output op-amp hanya akan keluar pada voltan bekalan (0 atau 5 V). Jangka voltan maksimum yang dapat dikekalkan adalah VDD / 2 + Upeak (2.5 + 1.5V = 4V @ 5V bekalan). Margin voltan op-amp harus dikurangkan dari nilai ini, tetapi jika op-amp mempunyai spesifikasi rel ke rel yang hanya akan sedikit. Oleh itu, impedans maksimum yang boleh dipacu oleh op-amp adalah:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(Dalam persediaan saya Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, harapan banyak untuk merangkumi jarak impedans badan)

Perintang pelindung mempunyai nilai yang sangat besar (1-1,5 MOhms) berbanding badan (kira-kira 100kOhms) dan untuk semua operasi normal ini tidak akan menarik arus yang ketara dan impedans sambungan selari didominasi oleh impedans badan. Sekiranya impedans badan meningkat (mis. Pad yang longgar) arus dapat melalui perintang dan maksimum op-amp tidak akan menghasilkan voltan yang tidak menyenangkan di pad.

Langkah 4: Penguat Instrumentasi

Tahap seterusnya adalah penguat instrumentasi (in-amp) yang mengukur voltan di seluruh badan. Voltan di seluruh badan berayun sekitar 0V, tetapi AD5933 memerlukan voltan input berada dalam julat positif. Oleh itu, in-amp menambah pengimbangan DC VDD / 2 pada isyarat voltan yang diukur.

Rujukan VDD / 2 dihasilkan oleh pembahagi voltan. Sebarang perintang nilai boleh digunakan asalkan sama. Pembahagi voltan dipisahkan dari impedans litar selebihnya oleh pengikut voltan. Output pengikut voltan kemudian boleh diteruskan ke penguat in-amp dan trans-conductance.

Langkah 5: Tahap Input dan Penentukuran

Tahap input AD5933 mengandungi op-amp dalam konfigurasi maklum balas negatif. Terdapat dua perintang: satu dalam siri (Rin) dan satu lagi selari (RFB). Keuntungan op-amp diberikan oleh

A = - RFB / Bilas

Keuntungan op-amp input dan in-amp (dan PGA) perlu memastikan bahawa isyarat yang masuk ke ADC AD5933 sentiasa berada dalam 0V dan VDD.

(Saya menggunakan nilai peningkatan kesatuan dalam amp dan perintang yang akan memberikan kira-kira A = 0,5)

Di dalam AD5933 ADC akan menukar isyarat voltan menjadi isyarat digital. Julat voltan dari 0V hingga VDD ditukar ke julat digital 0-128 (2 ^ 7). (Dokumentasi tidak jelas mengenai ini tetapi pemeriksaan mendalam terhadap plot di [1] dan percubaan som dari pihak saya mengesahkan ini.)

Di dalam modul DFT terdapat skala lain 256 (1024/4, lihat [1]) sebelum hasilnya disimpan dalam daftar nyata dan khayalan.

Dengan mengikuti isyarat voltan melalui AFE, masuk ke ADC dan menggunakan faktor skala yang disebutkan sebelumnya, adalah mungkin untuk mengira faktor keuntungan menjadi:

g = (VDD * Rcurrent * Rin) / (256 * PGA * Upeak * RFB * 2 ^ 7)

beberapa penentukuran mungkin masih diperlukan jadi pertimbangkan beberapa kesan bukan sebahagian daripada model matematik ini, jadi sila ukur nilai keuntungan yang sebenarnya dengan mengukur komponen impedans yang diketahui, seperti perintang. (g = Z / mag, lihat di bawah)

Impedans kini dapat dikira dengan

Z = g * mag

mag = sqrt (nyata ^ 2 + khayalan ^ 2)

PA = arctan2 (nyata, khayalan) - deltaPA

PA mungkin perlu dikalibrasi kerana terdapat pergeseran fasa sistematik sebagai fungsi frekuensi pada AD5933. deltaPA mungkin akan menjadi fungsi frekuensi linear.

Rintangan dan reaktansi kini dapat dikira dengan

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Rujukan: [1] Leonid Matsiev, "Meningkatkan Prestasi dan Serbaguna Sistem Berdasarkan Pengesan DFT Frekuensi Tunggal Seperti AD5933", Elektronik 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390 / elektronik4010001

Langkah 6: Bahan Lanjutan: Kebocoran Spektral (DC)

Isyarat yang kami masukkan ke dalam AD5933 adalah voltan / arus sebagai fungsi masa, tetapi kepentingan utama kami adalah impedans sebagai fungsi frekuensi. Untuk menukar antara domain masa dan frekuensi-domain, kita perlu melakukan transformasi Fourier dari isyarat domain masa. AD5933 mempunyai modul transformasi Fourier diskrit (DFT) bawaan. Pada frekuensi rendah (di bawah kira-kira 10 kHz) peningkatan DFT dipengaruhi oleh kebocoran aliasing dan spektrum. Dalam [1] dia menjalani matematik bagaimana membetulkan kebocoran spektrum. Inti dari ini adalah mengira lima (tambah dua) pemalar untuk setiap langkah kekerapan dalam sapuan. Ini dapat dilakukan dengan mudah cth. oleh Arduino dalam perisian.

Kebocoran terdapat dalam dua bentuk: kebocoran DC yang bersifat aditif dan kebocoran AC yang bersifat multiplatif.

Kebocoran DC berpunca dari kenyataan bahawa isyarat voltan pada ADC tidak berayun sekitar 0V tetapi sekitar VDD / 2. Tahap DC VDD / 2 harus sesuai dengan bacaan DC digital kira-kira 64 (delta yang ditentukan dalam [1]).

Langkah-langkah untuk membetulkan kebocoran spektrum DC:

1) Hitung Envelope-factor E untuk frekuensi semasa.

2) Hitung dua faktor keuntungan GI (nyata) dan GQ (khayalan)

3) Kurangkan delta * GI dari nilai daftar sebenar dan delta * GQ dari nilai daftar khayalan

Rujukan:

[1] Leonid Matsiev, "Meningkatkan Prestasi dan Serbaguna Sistem Berdasarkan

Pengesan DFT Frekuensi Tunggal Seperti AD5933 , Elektronik 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390 / elektronik4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Meter Impedans Julat Frekuensi Lebar Sederhana Berdasarkan Litar Bersepadu AD5933", Metrol. Mengukur Syst., Jilid XXII (2015), No. 1, hlm. 13–24.

Langkah 7: Bahan Lanjutan: Kebocoran Spektral (AC)

Seperti kebocoran DC kebocoran AC dapat diperbaiki secara matematik. Dalam [1] rintangan dan reaktansi masing-masing disebut A * cos (phi) dan A * sin (phi), di mana A sesuai dengan besarnya impedans dan phi sesuai dengan sudut fasa (PA).

Langkah-langkah untuk memperbaiki kebocoran spektrum AC:

1) Hitung Envelope-factor E (tidak sama dengan DC) untuk frekuensi semasa.

2) Hitung tiga faktor a, b, dan d. (kira-kira nilai pada frekuensi yang lebih tinggi: a = d = 256 dan b = 0)

3) Rintangan (Acos (phi)) dan reaktans (Asin (phi)) kini dapat dikira dalam unit digital

Rujukan: [1] Leonid Matsiev, "Meningkatkan Prestasi dan Serbaguna Sistem Berdasarkan Pengesan DFT Frekuensi Tunggal Seperti AD5933", Elektronik 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390 / elektronik4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Meter Impedans Julat Frekuensi Lebar Sederhana Berdasarkan Litar Bersepadu AD5933", Metrol. Mengukur Syst., Jilid XXII (2015), No. 1, hlm. 13–24.

Langkah 8: Bahan Lanjutan: Faktor Keuntungan Teoretikal

Memandangkan pemodelan matematik DFT juga dimungkinkan untuk memodelkan keseluruhan AFE secara matematik. Secara matematik isyarat voltan dapat digambarkan oleh fungsi sinus dengan frekuensi tetap tertentu, ofset DC dan ayunan AC dengan amplitud puncak. Frekuensi tidak berubah semasa langkah frekuensi. Oleh kerana faktor keuntungan hanya mengubah besarnya impedans dan bukan PA, kita di sini tidak akan peduli dengan perubahan fasa yang disebabkan oleh isyarat.

Berikut adalah ringkasan pendek isyarat voltan yang disebarkan melalui AFE:

1) Selepas tahap bias semula amplitud AC masih Upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) dan DC offcet telah diubah menjadi VDD / 2.

2) Pada perintang penginderaan semasa, voltan tetap sama dengan tahap sebelumnya …

3)… tetapi kerana voltan gergaji op-amp, ayunan AC mempunyai ukuran Z * Upeak / Rcurrent. (Offset DC dibatalkan oleh voltan rujukan op-amp VDD / 2 - titik pangsi gergaji besi - dan menjadi tanah virtuel di bahagian litar ini)

4) Unity in-amp menambah DC offset VDD / 2 kembali dan meneruskan isyarat ke tahap input AD5933

5) Op-amp di peringkat input mempunyai keuntungan A = -RFB / Rin dan oleh itu amplitud AC menjadi (Z * Upeak / Rcurrent) * (RFB / Rin)

6) Tepat sebelum ADC ada penguat keuntungan diprogram (PGA) dengan dua tetapan kenaikan 1 atau 5. Oleh itu, isyarat voltan pada ADC menjadi: PGA * (Z * Upeak / Rcurrent) * (RFB / Rin)

ADC menukar isyarat v (t) menjadi isyarat digital x (t) = u (t) / VDD * 2 ^ 7 dengan ketepatan 12 bit.

Besarnya A disambungkan ke impedans Z dengan faktor keuntungan, k, sebagai A = k * Z dan mempunyai nilai kira-kira k = PGA * Upeak * RFB * 2 ^ 7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

Sekiranya anda ingin bekerja dengan faktor keuntungan bukan g = 1 / k dan Z = g * A.

Langkah 9: Bahan Lanjutan: PA Shift

Dalam [2] mereka mendapati peralihan sistematik dalam PA sebagai fungsi frekuensi. Ini disebabkan oleh kelewatan waktu antara DAC di mana isyarat pengujaan dihasilkan dan DFT di mana isyarat masuk perlu berbelit-belit dengan isyarat keluar.

Pergeseran dicirikan oleh bilangan kitaran jam isyarat adalah kelewatan antara DAC dan DFT secara dalaman pada AD5933.

Rujukan: [1] Leonid Matsiev, "Meningkatkan Prestasi dan Serbaguna Sistem Berdasarkan Pengesan DFT Frekuensi Tunggal Seperti AD5933", Elektronik 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390 / elektronik4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Meter Impedans Julat Frekuensi Lebar Sederhana Berdasarkan Litar Bersepadu AD5933", Metrol. Mengukur Syst., Jilid XXII (2015), No. 1, hlm. 13–24.