Verkryging, versterking en filtreerkringontwerp van 'n basiese elektrokardiogram: 6 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:23

Om hierdie instruksies te voltooi, is die enigste ding wat nodig is 'n rekenaar, internettoegang en 'n paar simulasiesagteware. Vir die doeleindes van hierdie ontwerp word alle stroombane en simulasies uitgevoer op LTspice XVII. Hierdie simulasiesagteware bevat biblioteke met meer as 1 000 komponente, wat dit baie maklik maak om stroombane te skep. Omdat hierdie stroombane veralgemeen sal word, word die 'UniversalOpAmp2' gebruik vir elke geval waar 'n op-amp nodig is. Boonop word elke op -amp aangedryf deur 'n +15V en -15V kragtoevoer. Hierdie kragtoevoer voorsien nie net die op-amp nie, maar ook die uitsetspanning as dit een van die twee ekstreme bereik.

Stap 1: Ontwerp van instrumentasieversterker

Nadat die sein verkry is, moet dit versterk word om berekeninge uit te voer en daarop te filter. Vir elektrokardiogramme is die mees algemene metode van versterking die instrumentasie versterker. Soos hierbo genoem, het die instrumentasieversterker baie voordele as dit kom by versterkingskringe, waarvan die grootste die hoë impedansie tussen die insetspannings is. Om hierdie stroombaan te bou, is 3 op-ampère saam met sewe resistors gebruik, waarvan ses van die resistors gelyk is aan grootte. Die wins van die meeste elektrokardiogramme is ongeveer 1000x die insetsein [1]. Die vergelyking vir die versterking van 'n instrumentasie versterker is soos volg: Gain = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Vir die eenvoud word aanvaar dat elke weerstand 1000 ohm is, behalwe R2, wat bepaal is om 2 ohm te wees. Hierdie waardes gee 'n wins van 1001 keer groter as die ingangsspanning. Hierdie wins is voldoende om die verworwe seine te versterk vir verdere analise. Deur die vergelyking te gebruik, kan die wins egter wees wat u wil vir hul stroombaanontwerp.

Stap 2: Bandpasfilterontwerp

'N Banddeurlaatfilter is 'n hoëpasfilter en 'n laagdeurlaatfilter wat gewoonlik in koördinasie werk met 'n op-amp om te voorsien wat bekend staan as 'n pasband. 'N Pasband is 'n reeks frekwensies wat kan slaag, terwyl alle ander, bo en onder, verwerp word. Industriestandaarde bepaal dat 'n standaard elektrokardiogram 'n pasband van 0,5 Hz tot 150 Hz [2] moet hê. Hierdie groot deurlaatband verseker dat al die elektriese seine van die hart aangeteken word en niks daarvan gefiltreer word nie. Net so verwerp hierdie pasband enige GS -verrekening wat die sein kan belemmer. Om dit te ontwerp, moet spesifieke weerstande en kapasitors gekies word sodat die hoë deurgangsnelheidsfrekwensie by 0,5 Hz is en die laespas -afsnyfrekwensie by 150 Hz. Die afsnyprekwensiefrekwensie vir beide die hoëpas- en die laagdeurlaatfilter is soos volg: Fc = 1/(2*pi*RC). Vir my berekeninge is 'n arbitrêre weerstand gekies, en met behulp van vergelyking 4 is 'n kapasitorwaarde bereken. Daarom sal die hoëpasfilter 'n weerstandswaarde van 100 000 ohm en 'n kapasitorwaarde van 3,831 mikrofarads hê. Net so sal die laagdeurlaatfilter 'n weerstandswaarde van 100 000 ohm en 'n kapasitorwaarde van 10,61 nano-farads hê. 'N Diagram van die banddeurlaatfilter met die aangepaste waardes word getoon.

Stap 3: Kerffilterontwerp

'N Kerffilter is in wese die teenoorgestelde van 'n banddeurlaatfilter. In plaas van 'n hoë pas gevolg deur 'n laagtepunt, is dit 'n laagte gevolg deur 'n hoë pas, daarom kan 'n mens in wese een klein ruisband uitskakel. Vir die kerffilter van die elektrokardiogram is 'n Twin-T-kerffilterontwerp gebruik. Met hierdie ontwerp kan 'n middelfrekwensie gefiltreer word en bied dit 'n groot kwaliteitsfaktor. In hierdie geval was die middelfrekwensie om van ontslae te raak by 60 Hz. Met behulp van vergelyking 4 is die weerstandswaardes bereken met behulp van 'n gegewe kapasitorwaarde van 0,1 mikrofarad. Die berekende weerstandswaardes vir 'n 60 Hz stopband was 26,525 ohm. Toe word R5 bereken as ½ van R3 en R4. C3 is ook bereken as dubbel die waarde wat vir C1 en C2 [3] gekies is. Willekeurige weerstande is gekies vir R1 en R2.

Stap 4: kombinasie stroombaan

Met behulp van nette is hierdie komponente saam in serie geplaas en die beeld van die voltooide stroombaan word op die foto getoon. Volgens 'n referaat wat deur Springer Science gepubliseer is, behoort 'n aanvaarbare versterking van die EKG -kring ongeveer 70 dB te wees wanneer die hele kring opgestel is [4].

Stap 5: Toets die hele stroombaan

Toe al die komponente in 'n reeks geplaas is, was die ontwerp nodig. By die toets van hierdie stroombaan is beide 'n kortstondige en 'n AC -sweep uitgevoer om vas te stel of al die komponente eendragtig werk. As dit die geval was, sou die oorgangsspanning steeds ongeveer 1000x die ingangsspanning wees. As die wisselstroom-sweep ook uitgevoer word, sou 'n bandpasfilter-bode-plot verwag word met 'n kerf by 60 Hz. As ons na die afbeeldings op die foto kyk, kon hierdie kring albei hierdie doelwitte suksesvol bereik. 'N Ander toets was om die doeltreffendheid van die kerffilter te sien. Om dit te toets, is 'n 60 Hz -sein deur die stroombaan gestuur. Soos op die foto, was die omvang van hierdie uitset slegs ongeveer 5x groter as die inset, vergeleke met 1000x as die frekwensie binne die pasband is.

Stap 6: Hulpbronne:

[1] “ECG Measurement System,” Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (besoek Desember 01, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko en M. E. Josephson, "Frekwensie -inhoud en eienskappe van ventrikulêre geleiding," Journal of electrocardiology, vol. 48, nee. 6, pp. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] "Bandstopfilters word afwysfilters genoem," Basic Electronics Tutorials, 22 Mei 2018.

[4] N. Guler en U. Fidan, "Wireless Transmission of ECG signal," Springer Science, vol. 30, Apr. 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.