Bio -impedansie -analise (BIA) Met die AD5933: 9 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

Ek was geïnteresseerd in die maak van 'n bio -impedansie -ontleder vir metings van liggaamsamestelling, en my ewekansige soektogte het steeds 'n ontwerp gevind uit die 2015 Biomedical Instrumentation -klas aan die Vanderbilt Universiteit. Ek het die ontwerp deurgewerk en dit effens verbeter. Ek deel graag my bevindings met u. Neem wat u kan gebruik uit hierdie 'deurloop', as iets nie duidelik is nie, stel verbeterings voor. Ek sou eendag my gedagtes in 'n meer samehangende vorm kan opskryf, maar vir eers hoop ek dat u alles wat u hier sien, kan gebruik. (As u dink dat u dit kan opskryf en verbeter, is u welkom)

Teddie

Hierdie ontwerp bestaan uit die AD5933-chip en 'n pasgemaakte analoge voorkant (AFE) om die AD5933 met die liggaam te koppel. Die AD5933 doen dan die meting en die resultate kan dan deur 'n mikrobeheerder (byvoorbeeld 'n Arduino) verwerk word.

As u van plan is om die Arduino as 'n kragtoevoer te gebruik, moet u seker maak dat die operasionele en instrumentale versterkers (op-amp en in-amp) sogenaamde "single supply" spannings ondersteun en dat dit spoor-tot-rail spesifikasies het.

(In die volgende gebruik ek 'n kragtoevoer (van 'n Arduino) van 5V en die Range 1 -instelling op die AD5933.)

Stap 1: Die re-bias stadium

Die eerste deel van die AFE is 'n re-bias stadium. Die uitgangsspanningsein is nie in die middel van die voedingsspanningsreeks (VDD/2) gesentreer nie. Dit word reggestel deur 'n kondensator te gebruik om die GS -deel van die sein te blokkeer en deur 'n spanningsverdeler te stuur om 'n gelykverskynsel in die sein terug te voeg.

Die twee re-bias weerstande kan enige waarde hê, solank hulle dieselfde is. Die spesifieke waarde van die pet is ook nie belangrik nie.

Die re-bias-fase werk soos 'n hoëpasfilter en het dus 'n afsnyprekwensie:

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

Maak seker dat die afsnyfrekwensie 'n paar dekades laer is as die minimum frekwensie wat u beplan. As u van plan is om 1 kHz in u toepassing te gebruik, moet u kappies en weerstandswaardes gebruik, wat u 'n afsnyfrekwensie van 1-10 Hz sal gee.

Die laaste deel van hierdie fase is 'n op-amp wat opgestel is om 'n spanningsvolger te wees. Dit is om seker te maak dat die weerstandswaardes nie inmeng met die volgende fase nie

Stap 2: Huidige waarnemingsweerstand

Die eerste deel van die volgende fase is die stroomwaarnemingsweerstand. Die stroom deur hierdie weerstand sal dieselfde stroom wees as wat die versterker deur die liggaam sal probeer handhaaf. Maak seker dat die stroom voldoen aan die IEC6060-1 veiligheidstandaarde*:

Onder frekwensies van 1 kHz word 'n maksimum van 10 microAmps (RMS) deur die liggaam toegelaat. By frekwensies bo 1kHz gee die volgende vergelyking die maksimum toegelate stroom:

Maksimum wisselstroom <(minimum frekwensie in kHz) * 10 mikroAmp (RMS)

Die verband tussen die piekamplitude van 'n WS -sein en sy RMS -waarde is: Piek = vierkante (2) * RMS. (10 microAmps RMS stem ooreen met 14 microAmps piekamplitude)

Deur die Ohms -wet op die weerstand te gebruik, kan ons die weerstandswaarde bereken wat aan die veiligheidstandaard sal voldoen. Ons gebruik die eksitasiespanning van die AD5933 en die maksimum stroomwaarde:

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

Bv. met behulp van die Range 1 -instelling Upeak = 3V / 2 = 1.5V (of 1V @3.3V)

As ek die piekwaarde van 14 microAmp van bo gebruik, kry ek 'n weerstandswaarde van ten minste 107kOhms

Verwysings:

* Analoog toestelle: "Ontwerp van die bio-impedansie-stroombaan vir liggaamsverslete stelsels"

Stap 3: Die trans-geleidingsversterker

Na die huidige waarnemingsweerstand is daar 'n op-amp in 'n negatiewe terugvoer-opset. Dit is 'n sogenaamde Load-in-the-Loop-opstelling. Die positiewe ingangsklem van die op-amp is gekoppel aan 'n VDD/2-spanning. Die op-amp sal nou probeer om sy uitset in die teenoorgestelde rigting aan te pas by die opwekkingsein sodat die spanning by die negatiewe terminaal gelyk is aan VDD/2. Dit sal 'n wippotensiaal oplewer om die stroom deur die liggaam te trek en te trek.

Die stroom wat getrek word vanaf die negatiewe terminaal van die op-amp is feitlik nul. Alle stroom deur die stroomwaarnemingsweerstand moet dus deur die liggaam vloei. Dit is die meganisme wat hierdie opstelling 'n trans-geleidingsversterker maak (ook 'n spanningsbeheerde stroombron, VCCS genoem).

Die op-amp kan slegs die stroom behou as die impedansie van die liggaam nie te hoog is nie. Andersins sou die op-amp-uitset net maksimum wees by die voedingsspanning (0 of 5 V). Die maksimum spanningspan wat in stand gehou kan word, is VDD/2 + Upeak (2.5 + 1.5V = 4V @ 5V supply). Die spanningsmarges van die op-amp moet van hierdie waarde afgetrek word, maar as die op-amp spoor-tot-spoor-spesifikasies het, is dit slegs 'n klein hoeveelheid. Die maksimum impedansie wat die op-amp kan bestuur, is dus:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(In my opstelling Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, is die wens genoeg om die impedansie van die liggaam te dek)

Die beskermingsweerstand het 'n baie groot waarde (1-1,5 MOhms) in vergelyking met die liggaam (ongeveer 100kOhms) en vir alle normale bedrywighede sal dit geen merkbare stroom trek nie en die impedansie van die parallelle verbinding word oorheers deur die impedansie van die liggaam. As die impedansie van die liggaam sou styg (bv. Pads wat loskom) kan die stroom deur die weerstand gaan en die maksimum uit die op-amp sal nie onaangename spannings in die pads veroorsaak nie.

Stap 4: Die instrumentasie versterker

Die volgende fase is die instrumentasie versterker (in-amp) wat die spanning oor die liggaam meet. Die spanning oor die liggaam ossilleer rondom 0V, maar die AD5933 moet die ingangsspanning in 'n positiewe omvang hê. Die versterker voeg dus 'n gelykverskyning van VDD/2 by die gemete spanningssein.

Die VDD/2 -verwysing word gegenereer deur 'n spanningsverdeler. Enige waardeweerstand kan gebruik word solank dit dieselfde is. Die spanningsverdeler word geskei van die impedansie van die res van die stroombane deur 'n spanningsvolger. Die uitset van die spanningsvolger kan dan na beide die versterker en die transgeleidingsversterker gestuur word.

Stap 5: Die invoerfase en kalibrasie

Die invoerstadium van die AD5933 bevat 'n op-amp in 'n negatiewe terugvoer-opset. Daar is twee weerstande: een in serie (Rin) en een parallel (RFB). Die wins van die op-amp word gegee deur

A = - RFB / Rin

Die winste van die ingang op-amp en die in-amp (en PGA) moet seker maak dat die sein wat na die ADC van die AD5933 gaan, altyd binne 0V en VDD is.

(Ek gebruik 'n eenheidsversterking in-amp en weerstandswaardes wat ongeveer A = 0.5 sal gee)

Binne die AD5933 sal die ADC die spanningssein omskakel in 'n digitale sein. Die spanningsbereik van 0V na VDD word omgeskakel na die digitale reeks 0-128 (2^7). (Die dokumentasie is nie duidelik hieroor nie, maar 'n noukeurige ondersoek van die erwe in [1] en 'n paar eksperimente van my kant bevestig dit.)

Binne die DFT -module is daar nog 'n skaal van 256 (1024/4, sien [1]) voordat die resultaat in die werklike en denkbeeldige register gestoor word.

Deur die spanningsignaal deur die AFE in die ADC te volg en die skaalfaktore wat hierbo genoem is, te gebruik, is dit moontlik om die versterkingsfaktor te skat:

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

sommige kalibrasie kan nog steeds nodig wees, dus hou rekening met sommige effekte wat nie deel uitmaak van hierdie wiskundige model nie, dus meet die werklike versterkingswaarde deur die komponente van bekende impedansie, soos resistors, te meet. (g = Z / mag, sien hieronder)

Die impedansie kan nou bereken word deur

Z = g * mag

mag = sqrt (werklike^2 + denkbeeldige^2)

PA = arctan2 (werklik, denkbeeldig) - deltaPA

Die PA moet waarskynlik gekalibreer word, sowel as dat daar 'n sistematiese faseverskuiwing as funksie van frekwensie in die AD5933 plaasvind. deltaPA sal waarskynlik 'n lineêre funksie van frekwensie wees.

Die weerstand en reaktansie kan nou bereken word deur

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Verwysings: [1] Leonid Matsiev, "Verbetering van prestasie en veelsydigheid van stelsels gebaseer op enkelfrekwensie DFT-detektore soos AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

Stap 6: Gevorderde goed: Spektrale lekkasie (GS)

Die sein wat ons in die AD5933 plaas, is 'n spanning/stroom as 'n funksie van tyd, maar ons belangrikste belang is die impedansie as 'n funksie van frekwensie. Om tussen tyddomein en frekwensiedomein om te skakel, moet ons die Fourier-transformasie van die tyddomeinsein neem. Die AD5933 het 'n ingeboude diskrete Fourier transform (DFT) module. By lae frekwensies (onder ongeveer 10 kHz) word die ingeboude DFT beïnvloed deur aliasing en spektrale lekkasies. In [1] gaan hy deur die wiskunde van hoe om die spektrale lekkasie reg te stel. Die essensie hiervan is om vyf (plus twee) konstantes vir elke frekwensiestap in die sweep te bereken. Dit kan maklik gedoen word bv. deur die Arduino in sagteware.

Die lekkasie kom in twee vorme voor: 'n DC -lekkasie wat additief van aard is en 'n AC -lekkasie wat van aard is.

Die DC -lekkasie spruit uit die feit dat die spanningssein by die ADC nie rondom 0V ossilleer nie, maar rondom VDD/2. 'N GS -vlak van VDD/2 moet ooreenstem met 'n digitale DC -lesing van ongeveer 64 (aangeduide delta in [1]).

Die stappe om die DC -spektrale lekkasie reg te stel:

1) Bereken die Envelope-faktor E vir die huidige frekwensie.

2) Bereken die twee versterkingsfaktore GI (reël) en GQ (denkbeeldig)

3) Trek delta * GI af van die waarde van die werklike register en delta * GQ van die waarde van die denkbeeldige register

Verwysings:

[1] Leonid Matsiev, "Verbetering van prestasie en veelsydigheid van stelsels gebaseer op

Enkelfrekwensie DFT-detektore soos AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Range Impedance Meter Based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Meet. Syst., Vol. XXII (2015), nr. 1, pp. 13–24.

Stap 7: Gevorderde goed: spektrale lekkasie (AC)

Net soos die DC -lekkasie, kan die AC -lekkasie wiskundig reggestel word. In [1] word die weerstand en reaktansie onderskeidelik A*cos (phi) en A*sin (phi) genoem, waar A ooreenstem met die grootte van die impedansie en phi ooreenstem met die fasehoek (PA).

Die stappe om die AC -spektrale lekkasie reg te stel:

1) Bereken die Envelope-faktor E (nie dieselfde as vir DC nie) vir die huidige frekwensie.

2) Bereken die drie faktore a, b en d. (ongeveer waardes by hoër frekwensies: a = d = 256 en b = 0)

3) Weerstand (Acos (phi)) en reaktansie (Asin (phi)) kan nou in digitale eenhede bereken word

Verwysings: [1] Leonid Matsiev, "Verbetering van prestasie en veelsydigheid van stelsels gebaseer op enkelfrekwensie DFT-detektore soos AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Range Impedance Meter Based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Meet. Syst., Vol. XXII (2015), nr. 1, pp. 13–24.

Stap 8: Gevorderde dinge: die teoretiese winste-faktor

Gegewe die wiskundige modellering van die DFT, behoort dit ook moontlik te wees om die hele AFE wiskundig te modelleer. Wiskundig kan die spanningssein beskryf word deur 'n sinusfunksie met 'n gegewe vaste frekwensie, 'n GS -offset en 'n AC -ossillasie met 'n piekamplitude. Die frekwensie verander nie tydens 'n frekwensiestap nie. Aangesien die versterkingsfaktor slegs die grootte van die impedansie verander en nie die PA nie, sal ons hier nie bekommerd wees oor enige faseverskuiwing wat op die sein veroorsaak word nie.

Hier is 'n kort opsomming van die spanningssein terwyl dit deur die AFE voortplant:

1) Na die hervooroordeel-fase is die wisselstroom amplitude steeds upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) en die DC-afskakeling is verander na VDD/2.

2) In die stroomwaarnemingsweerstand is die spanning dieselfde as die vorige fase …

3) … maar as gevolg van die wip-spanning van die op-amp het die AC-ossillasies 'n grootte van Z*Upeak/Rcurrent. (Die DC -offset word gekanselleer deur die op -amp -verwysingspanning van VDD/2 - die draaipunt van die wip - en word 'n goeie grond in hierdie deel van die stroombaan)

4) Die eenheid-versterker voeg die DC-verrekening van VDD/2 weer in en stuur die sein na die invoerstadium van die AD5933

5) Die op-amp in die ingangsfase het 'n versterking van A = -RFB/Rin en die AC-amplitude word dus (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

6) Net voor die ADC is daar 'n programmeerbare versterkingsversterker (PGA) met twee instellings 'n versterking van 1 of 5. Die spanningssein by die ADC word dus: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

Die ADC skakel die v (t) sein om in 'n digitale sein x (t) = u (t) / VDD * 2^7 met 'n akkuraatheid van 12 bit.

Die grootte A is verbind met die impedansie Z deur die versterkingsfaktor, k, as A = k * Z en het 'n benaderde waarde van k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rstroom * Rin).

Die as u daarvan hou om met gain-faktor te werk, in plaas daarvan g = 1 / k en Z = g * A.

Stap 9: Gevorderde dinge: die PA Shift

In [2] vind hulle 'n sistematiese verskuiwing in die PA as 'n funksie van frekwensie. Dit is te wyte aan 'n tydsvertraging tussen die DAC waar die opwekkingsein gegenereer word en die DFT waar die inkomende sein met die uitgaande sein ingewikkeld moet word.

Die verskuiwing word gekenmerk deur die aantal kloksiklusse wat die sein vertraag tussen die DAC en DFT intern in die AD5933.

Verwysings: [1] Leonid Matsiev, "Verbetering van prestasie en veelsydigheid van stelsels gebaseer op enkelfrekwensie DFT-detektore soos AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Range Impedance Meter Based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Meet. Syst., Vol. XXII (2015), nr. 1, pp. 13–24.