Automaattinen EKG: Vahvistus- ja suodatinsimulaatiot LTspice -tekniikan avulla: 5 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Tämä on kuva lopullisesta laitteesta, jonka rakennat, ja erittäin perusteellinen keskustelu jokaisesta osasta. Siinä kuvataan myös kunkin vaiheen laskelmat.

Kuvassa on tämän laitteen lohkokaavio

Menetelmät ja materiaalit:

Tämän projektin tavoitteena oli kehittää signaalinetsintälaite tietyn biologisen signaalin karakterisoimiseksi/kerätä asiaankuuluvaa tietoa signaalista. Tarkemmin sanottuna automaattinen EKG. Kuvan 3 lohkokaavio korostaa ehdotettua kaaviota laitteelle. Laite vastaanottaisi biologisen signaalin elektrodin kautta ja vahvistaisi sitä sitten vahvistimella, jonka vahvistus on 1000. Tämä vahvistaminen on välttämätöntä, koska biologinen signaali on pienempi noin 5 mV: ssa, mikä on hyvin pieni ja voi olla vaikea tulkita [5]. Myöhemmin kohinaa vähennettäisiin kaistanpäästösuodattimella, jotta signaalille saadaan haluttu taajuusalue, 0,5-150 Hz, ja sitten seuraa lovi, joka poistaa noin 50-60 Hz: n sähkölinjojen aiheuttaman normaalin ympäröivän melun [11]. Lopuksi signaali on muutettava digitaaliseksi, jotta se voidaan tulkita tietokoneella, ja tämä tehdään analogisesta digitaalimuuntimeen. Tässä tutkimuksessa painopiste on kuitenkin ensisijaisesti vahvistimessa, kaistanpäästösuodattimessa ja lovisuodattimessa.

Vahvistin, kaistanpäästösuodatin ja lovisuodatin suunniteltiin ja simuloitiin LTSpice -tekniikkaa käyttäen. Kukin osa kehitettiin ensin erikseen ja testattiin sen varmistamiseksi, että ne toimivat oikein ja yhdistettiin sitten lopulliseen kaavioon. Vahvistin, joka näkyy kuvassa 4, on suunniteltu ja perustettu instrumentaalivahvistimella. Instrumenttivahvistinta käytetään yleisesti EKG-laitteissa, lämpötilamittareissa ja jopa maanjäristysilmaisimissa, koska se voi vahvistaa erittäin alhaisen tason signaalia samalla kun se hylkää ylimääräisen kohinan. Sitä on myös erittäin helppo muokata tarvittavan vahvistuksen mukauttamiseksi [6]. Haluttu vahvistus piirille on 1000 ja tämä valittiin, koska elektrodin tulo on alle 5 mV: n AC -signaali [5] ja sitä on vahvistettava tietojen tulkinnan helpottamiseksi. Saadaksesi vahvistuksen 1000, käytettiin yhtälöä (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3), joten tuloksena oli GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/101,01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Oikean vahvistuksen määrän varmistamiseksi suoritettiin ohimenevä testi käyttäen LTspiceä.

Toinen vaihe oli kaistanpäästösuodatin. Tämä suodatin voidaan nähdä kuvassa 5 ja se koostuu alipäästösuodattimesta ja sitten ylipäästösuodattimesta, jonka välissä on operaatiovahvistin, jotta suodattimet eivät kumoa toisiaan. Tämän vaiheen tarkoituksena on tuottaa tietty taajuusalue, joka voidaan hyväksyä laitteen läpi. Tämän laitteen haluttu alue on 0,5 - 150 Hz, koska tämä on EKG: n vakioalue [6]. Tämän tavoitealueen saavuttamiseksi käytettiin yhtälön (2) rajataajuutta = 1/(2πRC) rajataajuuden määrittämiseksi sekä ylipäästö- että alipäästösuodattimelle kaistanpäästön sisällä. Koska alueen alareunan piti olla 0,5 Hz, ylipäästösuodattimen vastuksen ja kondensaattorin arvojen laskettiin olevan 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83 µF) ja yläpään on oltava 150 Hz, Päästösuodattimen vastuksen ja kondensaattorin arvojen laskettiin olevan 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1,061µF). Varmistaakseen, että oikea taajuusalue saavutettiin, suoritettiin AC -pyyhkäisy LTspice -ohjelmalla.

Kolmas ja viimeinen simuloitu vaihe on lovisuodatin, ja se näkyy kuviossa 6. Lovisuodatin toimii keinona poistaa ei -toivottua kohinaa, joka esiintyy kaistanpäästön luoman halutun taajuusalueen keskellä. Kohdetaajuus on tässä tapauksessa 60 Hz, koska se on Yhdysvalloissa tavanomainen sähkölinjan taajuus ja aiheuttaa häiriöitä, jos sitä ei käsitellä [7]. Tämän häiriön käsittelemiseksi valittu lovisuodatin oli kaksois -t -lovisuodatin, jossa oli kaksi tehovahvistinta ja jännitteenjakaja. Tämä mahdollistaa sen, että signaali ei ainoastaan suodata signaalia suoraan kohdetaajuudella, vaan myös tuo järjestelmään vaihtelevan takaisinkytkennän, säädettävän laatukertoimen Q ja muuttuvan lähdön jännitteenjakajan ansiosta ja teki tästä syystä aktiivisen suodattimen passiivinen [8]. Nämä lisätekijät jäivät kuitenkin enimmäkseen koskemattomaksi alkutestissä, mutta niitä käsitellään tulevissa töissä ja miten projektia voidaan parantaa myöhemmin. Hylkäystaajuuden keskipisteen määrittämiseksi yhtälö (3) keskipisteen hylkäystaajuus = 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 käytettiin. Varmistaakseen, että oikea hylkäystaajuus saavutettiin, suoritettiin AC -pyyhkäisy käyttäen LTspiceä.

Lopuksi, kun jokainen vaihe oli testattu erikseen, kolme vaihetta yhdistettiin kuvan 7 mukaisesti. On myös huomattava, että kaikki tehovahvistimet toimitettiin +15V ja -15V DC -virtalähteellä, jotta mahdollistettiin merkittävä vahvistaminen tapahtua tarvittaessa. Sitten suoritettiin sekä ohimenevä testi että AC -pyyhkäisy valmiille piirille.

Tulokset:

Kunkin vaiheen kaaviot löytyvät suoraan kunkin vaiheen alta liitteen Kuva -osasta. Ensimmäisessä vaiheessa, instrumentaalivahvistimessa, piirille tehtiin ohimenevä testi sen varmistamiseksi, että vahvistimen vahvistus oli 1000. Testi kesti 1 - 1,25 sekuntia ja enimmäisaika 0,05. Syöttöjännite oli AC -siniaalto, jonka amplitudi oli 0,005 V ja taajuus 50 Hz. Tarkoitettu vahvistus oli 1000 ja kuten kuviosta 4 nähdään, koska Voutin (vihreä käyrä) amplitudi oli 5 V. Simuloidun vahvistuksen laskettiin olevan: gain = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Siksi tämän vaiheen virheprosentti on 0%. Tämän osan tuloksi valittiin 0,005 V, koska se liittyy läheisesti tuloon, joka on vastaanotettu elektrodilta, kuten on mainittu menetelmäosassa.

Toisen vaiheen, kaistanpäästösuodattimen, tavoitealue oli 0,5 - 150 Hz. Suodattimen testaamiseksi ja alueen sopivuuden varmistamiseksi vuosikymmenen aikana AC -pyyhkäisy suoritettiin 100 pistettä vuosikymmentä kohden 0,01 - 1000 Hz. Kuva 5 esittää AC -pyyhkäisyn tulokset ja vahvistaa, että taajuusalue 0,5 - 150 Hz saavutettiin, koska suurin miinus 3 dB antaa rajataajuuden. Tämä menetelmä on esitetty kaaviossa.

Kolmas vaihe, lovisuodatin, on suunniteltu poistamaan melua, joka on noin 60 Hz. Hylkäystaajuuden laskettu keskipiste oli ~ 56 Hz. Tämän vahvistamiseksi kymmenen vuoden ajan AC -pyyhkäisy suoritettiin 100 pistettä vuosikymmentä kohden 0,01 - 1000 Hz. Kuva 6 esittää AC-pyyhkäisyn tulokset ja havaitsee hylkäystaajuuden keskipisteen ~ 56-59 Hz. Tämän osan prosenttiosuusvirhe olisi 4,16 %.

Sen jälkeen kun oli varmistettu, että kukin yksittäinen vaihe toimi, kolme vaihetta koottiin sitten kuvan 7 mukaisesti. Sitten suoritettiin ohimenevä testi piirin vahvistuksen tarkistamiseksi ja testi kesti 1-1,25 sekuntia, enimmäisaikaväli 0,05 syöttöjännite AC -siniaalolla, jonka amplitudi on 0,005 V ja taajuus 50 Hz. Tuloksena oleva käyrä on ensimmäinen kuvaaja kuviossa 7, jossa Vout3 (punainen), koko piirin lähtö, on 3,865 V ja tekee siten vahvistuksen = 3,865V/0,005V = 773. Tämä eroaa merkittävästi suunnitellusta vahvistuksesta 1000 ja antaa virheen 22,7%. Vuosikymmenen ohimenevän testin jälkeen AC -pyyhkäisy suoritettiin 100 pistettä vuosikymmenessä 0,01 - 1000 Hz: n taajuudella ja tuotti toisen kaavion kuviossa 7. Tämä kaavio korostaa aiotut tulokset ja näyttää suodattimet, jotka toimivat rinnakkain suodattimen tuottamiseksi hyväksyy taajuudet 0,5-150 Hz, hylkäyskeskuksen ollessa 57,5-58,8 Hz.

Yhtälöt:

(1) - instrumentointivahvistimen [6] vahvistus, vastukset suhteessa kuvassa 4 esitettyihin.

(2) - rajataajuus ali-/ylipäästösuodattimelle

(3) - kaksikerroksisella suodattimella [8], vastukset suhteessa kuvassa 6 esitettyihin.

Vaihe 1: Instrumentaalinen vahvistin

Vaihe 1: instrumentaalivahvistin

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

Vaihe 2: Bandpass

vaihe 2: kaistanpäästösuodatin

yhtälö: rajataajuus = 1/2πRC

Vaihe 3: Vaihe 3: lovisuodatin

vaihe 3: Twin T -lovisuodatin

yhtälö - keskuksen hylkäystaajuus = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Vaihe 4: Lopullinen kaavio kaikista vaiheista yhdessä

Lopullinen kaavio, jossa on AC -pyyhkäisy ja ohimenevät käyrät

Vaihe 5: Keskustelu laitteesta

Keskustelu:

Edellä tehtyjen testien tulos meni odotetusti koko piirille. Vaikka vahvistin ei ollut täydellinen ja signaali heikkeni hieman sitä pidemmälle se kulki piirin läpi (mikä näkyy kuviossa 7, kaavio 1, jossa signaali kasvoi 0,005 V: sta 5 V: een ensimmäisen vaiheen jälkeen ja laski sitten 4 V: een toisen vaiheen jälkeen ja sitten 3,865 V viimeisen vaiheen jälkeen), kaistanpäästö- ja lovisuodatin toimivat kuitenkin aiotulla tavalla ja tuottivat taajuusalueen 0,5–150 Hz poistamalla taajuuden noin 57,5–58,8 Hz.

Kun olen määrittänyt piirini parametrit, vertailin sitä kahteen muuhun EKG: hen. Suorampi vertailu pelkkiin numeroihin löytyy taulukosta 1. Tietoani verrattaessa muihin kirjallisuuden lähteisiin oli kolme suurta otetta. Ensimmäinen oli se, että piirini vahvistin oli merkittävästi pienempi kuin muut kaksi, joita vertailin. Molemmat kirjallisuuslähteiden piirit saavuttivat 1000 vahvistuksen ja Gawalin EKG: ssä [9] signaalia vahvistettiin vielä 147 kertoimella suodatinvaiheessa. Siksi, vaikka piirini signaalia vahvistettiin 773: lla (22,7%: n virhe verrattuna standardivahvistukseen) ja sitä pidettiin riittävän kykenevänä tulkitsemaan elektrodin tulosignaalia [6], se silti kääntyi tavanomaiseen vahvistukseen verrattuna 1000. Jos piirissäni olisi tarkoitus saavuttaa vakiovahvistus, instrumentaalivahvistimen vahvistusta olisi lisättävä yli 1000 -kertaiseksi, jotta kun vahvistus vähenee piirin jokaisen suodatinvaiheen läpi, sen vahvistus on edelleen vähintään 1000 tai suodattimet on säädettävä korkeamman jännitehäviötason välttämiseksi.

Toinen merkittävä nousu oli, että kaikilla kolmella piirillä oli hyvin samanlaiset taajuusalueet. Gawalin [9] taajuusalue oli täsmälleen 0,5-150 Hz, kun taas Goan [10] taajuusalue oli hieman laajempi 0,05-159 Hz. Goan piirissä oli tämä pieni ero, koska tämä alue sopi paremmin niiden määrityksessä käytettyyn tiedonkorttiin.

Viimeinen suuri otos oli erot hylkäystaajuuksien keskikohdassa, jotka saavutettiin kussakin piirissä olevilla lovisuodattimilla. Gaon ja minun piirini tavoite oli molemmat 60 Hz vaimentaakseen linjan taajuuden aiheuttamaa voimajohtoa, kun taas Gawalin taajuus oli 50 Hz. Tämä ero on kuitenkin hyvä, koska riippuen sijainnista maailmassa voimajohdon taajuus voi olla 50 tai 60 Hz. Siksi suoria vertailuja tehtiin vain Goan piiriin, koska voimajohdon häiriöt Yhdysvalloissa ovat 60 Hz [11]. Virheprosentti on 3,08%.