Outomatiese EKG: Amplifikasie en filtersimulasies met LTspice: 5 stappe

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

Dit is die prentjie van die finale toestel wat u gaan bou en 'n baie diepgaande bespreking oor elke deel. Beskryf ook die berekeninge vir elke fase.

Die prent toon 'n blokdiagram vir hierdie toestel

Metodes en materiale:

Die doel van hierdie projek was om 'n toestel vir die verkryging van seine te ontwikkel om 'n spesifieke biologiese sein te kenmerk/relevante data op die sein te versamel. Meer spesifiek, 'n outomatiese EKG. Die blokdiagram wat in Figuur 3 getoon word, beklemtoon die voorgestelde skema vir die toestel. Die toestel sou die biologiese sein via 'n elektrode ontvang en dit dan versterk deur 'n versterker met 'n wins van 1000 te gebruik. Daarna sou die geraas verminder word met 'n bandpassfilter om die gewenste frekwensiebereik vir die sein, 0,5-150 Hz, te kry, en dan sou 'n kerf volg om die normale omliggende geraas wat veroorsaak word deur kraglyne rondom 50-60 Hz te verwyder [11]. Laastens moet die sein na digitaal omgeskakel word sodat dit met 'n rekenaar geïnterpreteer kan word, en dit word gedoen met 'n analoog na digitaal omskakelaar. In hierdie studie sal die fokus egter hoofsaaklik val op die versterker, banddeurlaatfilter en kerffilter.

Die versterker, bandpassfilter en kerffilter is almal ontwerp en gesimuleer met behulp van LTSpice. Elke afdeling is eers afsonderlik ontwikkel en getoets om seker te maak dat hulle behoorlik presteer en dan saamgevoeg word tot 'n laaste skema. Die versterker, wat in figuur 4 gesien kan word, is ontwerp en gebaseer op 'n instrumentale versterker. 'N Instrumentversterker word algemeen gebruik in EKG's, temperatuurmonitors en selfs aardbewingsdetektore omdat dit 'n baie lae sein kan versterk terwyl oortollige geraas afgewys word. Dit is ook baie maklik om aan te pas om aan te pas by die wins wat nodig is [6]. Die gewenste versterking vir die stroombaan is 1000 en dit is gekies, aangesien die insette van die elektrode 'n wisselstroomsein van minder as 5 mV [5] sal wees en dit moet versterk word om die data makliker te interpreteer. Om 'n wins van 1000 te kry, is vergelyking (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) gebruik, wat dus GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/101.01Ω opgelewer het)) (1000Ω/100Ω) = 1000. Om te bevestig dat die korrekte versterking bereik is, is 'n kortstondige toets uitgevoer met LTspice.

Die tweede fase was 'n bandpass -filter. Hierdie filter kan in figuur 5 gesien word en bestaan uit 'n lae deurgang en dan 'n hoogdeurlaatfilter met 'n operasionele versterker tussenin om te voorkom dat die filters mekaar uitskakel. Die doel van hierdie fase is om 'n vasgestelde reeks frekwensies te produseer wat aanvaarbaar is om deur die toestel te gaan. Die gewenste reikwydte vir hierdie toestel is 0,5 - 150 Hz, aangesien dit die standaardbereik vir EKG [6] is. Om hierdie doelwitbereik te bereik, is vergelyking (2) afsnyfrekwensie = 1/(2πRC) gebruik om die afsnyfrekwensie vir beide die hoë- en laagdeurlaatfilter binne die banddeurgang te bepaal. Aangesien die onderste punt van die reeks 0,5 Hz moet wees, is die hoëpasfilterweerstand en kapasitorwaardes bereken tot 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83µF) en met die boonste punt 150 Hz, die lae Die deurlaatfilterweerstand en kapasitorwaardes is bereken tot 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). Om te bevestig dat die korrekte frekwensiebereik bereik is, is 'n AC -sweep uitgevoer met LTspice.

Die derde en laaste gesimuleerde stadium is die kerffilter en kan gesien word in figuur 6. Die kerffilter dien as 'n manier om ongewenste geraas wat in die middel van die gewenste frekwensiebereik wat deur die bandpas geskep word, uit te skakel. Die teikenfrekwensie in hierdie geval is 60 Hz, want dit is die standaard kraglynfrekwensie in die Verenigde State en kan interferensie veroorsaak as dit nie hanteer word nie [7]. Die kerffilter wat gekies is om hierdie interferensie te hanteer, was 'n dubbele filter met twee versterkers en 'n spanningsverdeler. Dit laat die sein toe om nie net die sein direk op die teikenfrekwensie uit te filter nie, maar ook 'n veranderlike terugvoer in die stelsel, 'n verstelbare kwaliteitsfaktor Q en veranderlike uitset danksy die spanningsverdeler, en daarom 'n aktiewe filter in plaas van 'n passiewe [8]. Hierdie ekstra faktore is egter meestal onaangeraak gelaat in die aanvanklike toetse, maar dit sal aangeraak word in toekomstige werke en hoe om die projek later te verbeter. Om die middelpunt van die verwerpingsfrekwensie te bepaal, is vergelyking (3) middelverwerpingsfrekwensie = 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 is gebruik. Om te bevestig dat die korrekte afkeurfrekwensie bereik is, is 'n AC -sweep uitgevoer met LTspice.

Uiteindelik, nadat elke fase afsonderlik getoets is, is die drie fases gekombineer soos gesien in Figuur 7. Daar moet ook op gelet word dat al die op -versterkers voorsien is van 'n +15V en -15V DC kragbron om aansienlike versterking moontlik te maak gebeur wanneer nodig. Daarna is beide 'n verbygaande toets en 'n wisselstroomvee op die voltooide stroombaan uitgevoer.

Resultate:

Die grafieke vir elke fase kan direk onder die onderskeie stadium in die figuurafdeling in die bylaag gevind word. Vir die eerste fase, die instrumentale versterker, is 'n kortstondige toets op die stroombaan uitgevoer om te toets of die versterking vir die versterker 1000 was. Die toets loop van 1 - 1,25 sekondes met 'n maksimum tydstap van 0,05. Die verskafde spanning was 'n wisselstroom -sinusgolf met 'n amplitude van 0,005 V en 'n frekwensie van 50 Hz. Die beoogde wins was 1000 en soos gesien in figuur 4, aangesien die Vout (die groen kurwe) 'n amplitude van 5V gehad het. Die gesimuleerde wins is bereken as wins = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Daarom is die persentasie fout vir hierdie stadium 0%. 0.005V is gekies as die inset vir hierdie afdeling, aangesien dit nou verband hou met die insette wat van 'n elektrode ontvang word, soos in die metodes -afdeling genoem.

Die tweede fase, die banddeurlaatfilter, het 'n doelwitbereik van 0,5 - 150 Hz gehad. Om die filter te toets en seker te maak dat die reeks binne 'n dekade 'n AC -sweep met 100 punte per dekade van 0,01 - 1000 Hz uitgevoer het. Figuur 5 toon die resultate van die AC -sweep en bevestig dat 'n frekwensiebereik van 0,5 tot 150 Hz bereik is omdat die maksimum minus 3 dB die afsnyfrekwensie gee. Hierdie metode word op die grafiek geïllustreer.

Die derde fase, kerffilter, is ontwerp om die geraas rondom 60 Hz uit te skakel. Die berekende sentrum van verwerpingsfrekwensie was ~ 56 Hz. Om dit te bevestig, is 'n dekade lank 'n AC -sweep uitgevoer met 100 punte per dekade van 0,01 - 1000 Hz. Figuur 6 toon die resultate van die AC-sweep en illustreer 'n sentrum van verwerpingsfrekwensie ~ 56-59 Hz. Die persentasie fout vir hierdie afdeling sal 4,16 %wees.

Nadat bevestig is dat elke individuele fase werk, is die drie fases dan saamgestel soos gesien in figuur 7. Daarna is 'n kortstondige toets uitgevoer om die versterking van die stroombaan te kontroleer en die toets het van 1 - 1,25 sekondes met 'n maksimum tydstap van 0,05 met 'n verskaf spanning van 'n wisselstroom sinusgolf met 'n amplitude van 0,005 V en 'n frekwensie van 50 Hz. Die resulterende grafiek is die eerste grafiek in Figuur 7 toon Vout3 (rooi), die uitset van die hele stroombaan is 3.865 V en maak dus die wins = 3.865V/0.005V = 773. Dit is aansienlik anders as die beoogde versterking van 1000 en gee 'n fout van 22,7%. Na die kortstondige toets, 'n dekade, is 'n AC -sweep met 100 punte per dekade van 0,01 - 1000 Hz uitgevoer en die tweede grafiek in figuur 7. Hierdie grafiek beklemtoon die beoogde resultate en toon die filters wat saam werk om 'n filter te produseer wat aanvaar frekwensies van 0,5-150 Hz met 'n middelpunt van verwerping van 57,5-58,8 Hz.

Vergelykings:

(1) - versterking van instrumentasie versterker [6], weerstande relatief tot dié in figuur 4.

(2) - afsnyfrekwensie vir 'n laag-/hoogdeurlaatfilter

(3) - vir tweeling -kerffilter [8], weerstande relatief tot dié in figuur 6.

Stap 1: Instrumentasionele versterker

Stadium 1: die instrumentale versterker

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

Stap 2: Bandpass

stadium 2: bandpasfilter

vergelyking: afsnyfrekwensie = 1/2πRC

Stap 3: Fase 3: kerffilter

stadium 3: Twin T -kerffilter

vergelyking - middelverwerpingsfrekwensie = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Stap 4: Finale skema van alle fases saam

Finale skematiese met wisselstroom sweep en kortstondige krommes

Stap 5: Bespreking van toestel

Bespreking:

Die resultaat van die toetse wat hierbo uitgevoer is, het vir die stroombaan as geheel na verwagting gegaan. Alhoewel die versterking nie perfek was nie en die sein effens agteruitgegaan het, hoe verder dit deur die stroombaan gegaan het (wat in figuur 7 gesien kan word, grafiek 1, waar die sein na die eerste fase van 0,005V na 5V toegeneem het en dan na die tweede fase na 4V afgeneem het en dan 3,865V na die laaste fase), werk die banddeur- en kerffilter volgens die bedoeling en lewer 'n frekwensiebereik van 0,5-150 Hz met 'n verwydering van die frekwensie van ongeveer 57,5-58,8 Hz.

Nadat ek die parameters vir my kring bepaal het, het ek dit vergelyk met twee ander EKG's. 'N Meer direkte vergelyking met netgetalle kan gevind word in tabel 1. Daar was drie belangrike wegneemetes wanneer ek my data met ander literatuurbronne vergelyk. Die eerste was dat die versterking in my stroombaan aansienlik laer was as die ander twee wat ek ook vergelyk het. Beide die bronne van die literatuurbronne het 'n versterking van 1000 behaal en in Gawali se EKG [9] is die sein nog verder versterk deur 'n faktor van 147 in die filterstadium. Alhoewel die sein in my stroombaan met 773 versterk is (22,7% fout by vergelyking met standaard versterking) en genoeg geag is om die insetsein van die elektrode [6] te kan interpreteer, is dit steeds verdwerg in vergelyking met die standaard versterking. 1000. As standaardversterking in my stroombaan bereik sou word, sou die versterking in die instrumentale versterker verhoog moes word tot 'n faktor groter as 1000, sodat wanneer die versterking verminder word nadat dit deur elk van die filterfases in my stroombaan gegaan het, dit het steeds 'n wins van minstens 1000 of die filters moet aangepas word om te voorkom dat hoër spanningsvalvlakke voorkom.

Die tweede groot wegneemetes was dat al drie kringe baie soortgelyke frekwensies het. Gawali's [9] het presies dieselfde omvang van 0,5-150 Hz, terwyl Goa [10] 'n effens groter omvang van 0,05-159 Hz gehad het. Die kring van Goa het hierdie geringe verskil, omdat die reeks beter pas by die dataverkrygingskaart wat in die opstelling gebruik is.

Die laaste groot wegneemete was die verskille in die middelpunt van afkeurfrekwensies wat die kerffilters in elke stroombaan bereik het. Gao's en my stroombaan het albei 'n mikpunt van 60 Hz gehad om die lynfrekwensie -geraas wat kraglyne veroorsaak, te onderdruk, terwyl Gawali op 50 Hz was. Hierdie verskil is egter goed, aangesien die frekwensie van die kraglyn, afhangende van die ligging in die wêreld, 50 of 60 Hz kan wees. Daarom is 'n direkte vergelyking getref net met die stroombaan van Goa, aangesien die kragstoring in die Verenigde State 60 Hz [11] is. Die persentasie fout is 3,08%.