Litar ECG (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Catatan: Ini BUKAN alat perubatan. Ini untuk tujuan pendidikan hanya menggunakan isyarat simulasi. Sekiranya menggunakan litar ini untuk pengukuran ECG sebenar, pastikan rangkaian dan sambungan litar-ke-instrumen menggunakan teknik pengasingan yang betul

Instruksional ini adalah cara terpandu untuk mensimulasikan, membangun, dan menguji litar yang mengambil, menyaring, dan menguatkan isyarat EKG. Anda memerlukan pengetahuan asas mengenai litar dan dan beberapa instrumen untuk melaksanakan keseluruhan arahan ini.

Elektrokardiografi (ECG atau EKG) adalah ujian tanpa rasa sakit dan tidak invasif yang merekodkan aktiviti elektrik jantung dan digunakan untuk mendapatkan gambaran mengenai keadaan jantung pesakit. Untuk berjaya mensimulasikan bacaan ECG, isyarat jantung input perlu diperkuat (penguat instrumentasi) dan disaring (penapis takuk dan lulus rendah). Komponen ini dibuat secara fizikal dan pada simulator litar. Untuk memastikan bahawa setiap komponen menguatkan atau menyaring isyarat dengan betul, sapuan AC dapat dilakukan menggunakan PSpice dan eksperimen. Setelah berjaya menguji setiap komponen secara berasingan, isyarat jantung dapat dimasukkan melalui litar lengkap yang terdiri daripada penguat instrumentasi, saringan takik, dan saringan lulus rendah. Selepas itu, isyarat ECG manusia boleh dimasukkan melalui ECG dan LabVIEW. Kedua-dua bentuk gelombang simulasi dan isyarat jantung manusia boleh dijalankan melalui LabVIEW untuk mengira denyutan per minit (BPM) isyarat input. Secara keseluruhan, isyarat jantung input dan isyarat manusia harus dapat dikuatkan dan disaring dengan berjaya, mensimulasikan ECG menggunakan kemahiran litar untuk merancang, mengubah, dan menguji penguat instrumen, saringan takik, dan litar saringan lulus rendah.

Langkah 1: Simulasi Litar di Komputer

Anda boleh menggunakan perisian yang ada untuk mensimulasikan rangkaian yang akan kami buat. Saya menggunakan PSpice jadi itulah yang akan saya jelaskan dengan terperinci tetapi nilai komponen (perintang, kapasitor, dan lain-lain) dan pengambilan utama adalah sama, jadi jangan ragu untuk menggunakan sesuatu yang lain (seperti circuitlab.com).

Hitung nilai komponen:

1. Pertama adalah menentukan nilai untuk penguat instrumentasi (lihat gambar). Nilai dalam gambar ditentukan dengan memperoleh keuntungan yang diinginkan 1000. Ini bermaksud bahawa apa pun voltan masukan yang anda berikan bahagian litar ini akan 'menguatkan' ini dengan nilai keuntungan. Contohnya jika anda menyediakan 1V seperti yang saya lakukan outputnya mestilah 1000V. Terdapat dua bahagian untuk penguat instrumentasi ini, jadi keuntungan dibahagi di antaranya dicatat sebagai K1 dan K2. Lihat gambar yang disertakan, kami mahukan keuntungan hampir (itulah sebabnya persamaan 2 dalam gambar), persamaan 2 dan 3 dalam gambar dijumpai dengan analisis nod, dan kemudian nilai perintang dapat dikira (lihat gambar).
2. Nilai perintang untuk penekan takik ditentukan dengan menetapkan faktor kualiti, Q, hingga 8 dan kerana kita tahu bahawa kita mempunyai banyak kapasitor 0.022uF, kita kemudian bergerak maju dalam pengiraan menggunakan dua keadaan ini. Lihat gambar dengan persamaan 5 - 10 untuk mengira nilai. Atau gunakan R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω, itulah yang kami buat!
3. Penapis lulus rendah adalah untuk menghilangkan kebisingan di atas frekuensi tertentu yang kami dapati dalam talian bahawa untuk ECG adalah baik untuk menggunakan frekuensi cutoff, 250 Hz. Dari frekuensi dan persamaan ini 11-15 (periksa gambar) hitung nilai perintang untuk penapis lulus rendah anda. Perlakukan R3 sebagai litar terbuka dan R4 sebagai litar pintas untuk mendapatkan keuntungan K = 1. Kami mengira R1 = 15, 300 ohm, R2 = 25, 600 ohm, C1 = 0.022 uF, C2 = 0.047 uF.

Buka dan Bina di PSpice:

Dengan semua nilai ini, Mulakan PSpice - Buka 'OrCAD Capture CIS', jika pop timbul untuk Cadence Project Choices terbuka pilih 'Allegro PCB Design CIS L', buka fail -> projek baru, ketik nama yang pintar untuk itu, pilih buat projek menggunakan A / D analog atau campuran, pilih 'buat projek kosong', lihat gambar untuk organisasi fail projek anda, di setiap halaman adalah tempat anda akan menyusun komponen (perintang, kapasitor, dll.) untuk membina bahagian anda litar yang anda mahukan. Pada setiap halaman anda akan mengklik bahagian pada bar alat di bahagian atas dan klik bahagian untuk membuka senarai bahagian di mana anda mencari perintang, kapasitor, penguat operasi, dan sumber kuasa. Juga di tempat drop down Tempat anda akan menjumpai tanah dan wayar yang perlu anda gunakan. Sekarang reka setiap halaman anda seperti yang dilihat dalam gambar yang disertakan menggunakan nilai yang anda hitung.

Jalankan Sapuan AC untuk memastikan penyaringan dan penguat benar-benar berlaku seperti yang anda harapkan

Saya menambah dua angka untuk simulasi ini. Perhatikan takik pada 60 Hz dan saring frekuensi tinggi. Perhatikan warna garis dan ungkapan jejak berlabel, saya juga menjalankan keseluruhan litar sehingga anda harus mendapat idea tentang apa yang anda harapkan!

Untuk sapuan pilih PSpice, klik PSpice, New Simulation Profile, ubah ke AC Sweep dan tetapkan frekuensi yang diingini untuk permulaan, berhenti, dan nilai kenaikan. Di bawah menu PSpice, saya juga memilih penanda, maju, dan memilih voltan dB dan meletakkan penanda di tempat saya ingin mengukur output ini membantu kemudian supaya anda tidak perlu menambahkan jejak secara manual. Kemudian pergi ke butang menu PSpice sekali lagi dan pilih Jalankan atau tekan F11. Apabila simulator dibuka, jika perlu: klik jejak, tambahkan jejak, dan kemudian pilih ungkapan jejak yang sesuai seperti V (U6: OUT) jika anda ingin mengukur output voltan pada pin OUT opamp U6.

Instrumentation Amplifier: Gunakan uA741 untuk ketiga-tiga penguat dan perhatikan penguat dalam gambar dirujuk mengikut label masing-masing (U4, U5, U6). Jalankan sapuan AC anda di PSpice untuk mengira tindak balas frekuensi litar dengan input satu voltan supaya output voltan sama dengan gandaan (1000) dalam kes ini.

Notch Filter: Gunakan sumber kuasa AC satu voltan seperti yang dilihat dalam gambar dan penguat operasi uA741 dan pastikan memberi kuasa pada setiap op yang anda gunakan (dikuasakan dengan 15V DC). Jalankan sapuan AC, saya cadangkan kenaikan 30 hingga 100 Hz hingga 10 Hz untuk memastikan takik pada 60 Hz yang akan menyaring isyarat elektrik.

Penapis Lulus Rendah: Gunakan penguat operasi uA741 (lihat gambar seperti label kami U1), dan sediakan litar kuasa AC satu volt. Kuatkan op op dengan DC 15 volt dan ukur output untuk sapuan AC pada pin 6 U1 yang bersambung dengan wayar yang dilihat dalam gambar. Sapuan AC digunakan untuk menghitung frekuensi tindak balas litar dan dengan satu input voltan yang anda tetapkan, output voltan harus sama dengan gain- 1.

Langkah 2: Bina Litar Fizikal di Papan Roti

Ini boleh mencabar tetapi saya percaya sepenuhnya kepada anda! Gunakan nilai dan skema yang anda buat dan uji (semoga anda tahu ia berfungsi berkat simulator litar) untuk membina ini di papan roti. Pastikan hanya menggunakan daya (1 Vp-p oleh generator fungsi) ke awal bukan pada setiap tahap jika menguji keseluruhan litar, untuk menguji keseluruhan litar menghubungkan setiap bahagian (penguat instrumentasi ke saringan takik ke lulus rendah), pastikan untuk sediakan V + dan V- (15V) ke setiap op amp, dan anda boleh menguji tahap individu dengan mengukur output pada frekuensi yang berbeza dengan osiloskop untuk memastikan perkara seperti penyaringan berfungsi. Anda boleh menggunakan bentuk gelombang jantung bawaan pada penjana fungsi semasa anda menguji keseluruhan litar bersama-sama dan kemudian anda akan melihat bentuk gelombang QRS seperti yang diharapkan. Dengan sedikit kekecewaan dan kegigihan anda seharusnya dapat membina ini secara fizikal!

Kami juga menambah kapasitor pita 0.1uF selari dengan kuasa op amp yang tidak digambarkan dalam PSpice.

Berikut adalah beberapa petua semasa membina komponen masing-masing:

Untuk penguat instrumentasi, jika anda menghadapi kesukaran untuk mencari sumber ralat, periksa setiap output dari tiga op-amp. Selain itu, pastikan anda membekalkan sumber kuasa dan input dengan betul. Sumber kuasa harus dihubungkan ke pin 4 dan 7, dan input dan output voltan ke pin 3 op-amp tahap pertama.

Untuk saringan takik, beberapa penyesuaian pada nilai resistor harus dilakukan agar penyaring dapat disaring pada frekuensi 60 Hz. Sekiranya penapisan berlaku lebih tinggi daripada 60 Hz, peningkatan salah satu perintang (kami menyesuaikan 2) akan membantu menurunkan frekuensi penapis (berlawanan dengan kenaikan).

Untuk penapis lorong rendah, memastikan nilai perintang sederhana (perintang yang sudah anda miliki) akan mengurangkan ralat dengan ketara!

Langkah 3: Tinjauan Lab untuk Memetakan Bentuk Gelombang ECG dan Mengira Denyutan Jantung (Beats Per Minute)

Di LabVIEW anda akan membuat gambarajah blok dan antara muka pengguna yang merupakan bahagian yang akan memaparkan bentuk gelombang ECG pada grafik sebagai fungsi masa dan memaparkan nombor denyut jantung digital. Saya melampirkan gambar apa yang akan dibina di labVIEW anda boleh menggunakan bar carian untuk mencari komponen yang diperlukan. Bersabarlah dengan ini dan anda juga boleh menggunakan pertolongan untuk membaca setiap bahagian.

Pastikan menggunakan DAQ fizikal untuk menyambungkan litar anda ke komputer. Pada pembantu DAQ ubah pensampelan anda kepada berterusan dan 4k.

Berikut adalah beberapa nasihat untuk membina rajah:

• Sambungan Pembantu DAQ keluar dari "data" dan "berhenti".
• Pembantu DAQ untuk "bentuk gelombang dalam" pada minimum min.
• Klik kanan, buat, dan pilih pemalar untuk nombor yang dilihat dalam gambar.
• Klik kanan, pilih item, dt, ini adalah untuk menukar t0 menjadi dt
• Pengesanan puncak mempunyai sambungan pada "signal in", "ambang" dan "lebar"
• Sambungkan ke "array" dan pemalar ke "indeks"
• Pastikan pin papan DAQ fizikal (iaitu analog 8) adalah pin yang anda pilih di DAQ Assistant (lihat gambar)

Video yang disertakan 'IMG_9875.mov' adalah komputer yang menunjukkan antara muka pengguna VI LabVIEW yang memaparkan perubahan gelombang ECG dan denyutan per minit berdasarkan input (dengarkan ketika diumumkan frekuensi diubah menjadi).

Uji reka bentuk anda dengan menghantar input frekuensi 1Hz dan ia mempunyai bentuk gelombang yang bersih (lihat gambar untuk dibandingkan) tetapi anda seharusnya dapat membaca 60 denyut seminit!

Apa yang anda buat juga boleh digunakan untuk membaca isyarat EKG manusia hanya untuk bersenang-senang kerana ini BUKAN alat perubatan. Anda masih harus berhati-hati walaupun dengan arus yang disertakan pada reka bentuk. Elektrod permukaan terpasang: positif ke pergelangan kaki kiri, negatif ke pergelangan tangan kanan, dan melekatkan tanah ke pergelangan kaki kanan. Jalankan labVIEW anda dan anda akan melihat bentuk gelombang muncul di grafik dan rentak seminit juga muncul di kotak paparan digital.