Bioimpedanssianalyysi (BIA) AD5933: 9 -vaiheilla

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Olen ollut kiinnostunut tekemään bioimpedanssianalysaattorin kehon koostumuksen mittaamiseen, ja satunnaiset haut löysivät jatkuvasti mallin vuoden 2015 Biomedical Instrumentation -luokalta Vanderbiltin yliopistosta. Olen tutkinut suunnittelua ja parantanut sitä hieman. Haluan jakaa havaintoni kanssasi. Ota mitä voit hyödyntää tästä "läpiviennistä", jos jotain ei ole selvää, ehdota parannuksia. Ehkä jonain päivänä kirjoitan ajatukseni yhtenäisemmässä muodossa, mutta nyt toivon, että voit käyttää mitä näet täällä. (Jos luulet, että voit kirjoittaa tämän ja parantaa, olet tervetullut)

Nalle

Tämä malli koostuu AD5933-sirusta ja mukautetusta analogisesta käyttöliittymästä (AFE), joka yhdistää AD5933: n runkoon. AD5933 suorittaa sitten mittauksen ja tulokset voidaan sitten käsitellä mikrokontrollerilla (esim. Arduino).

Jos aiot käyttää Arduinoa virtalähteenä, varmista, että toiminta- ja instrumentointivahvistimet (op-vahvistimet ja -vahvistimet) tukevat niin kutsuttuja "yhden syöttöjännitteen" jännitteitä ja että niillä on kiskosta kiskoon liittyvät tiedot.

(Seuraavassa käytän 5 V: n virtalähdettä (Arduinolta) ja AD5933: n Range 1 -asetusta.)

Vaihe 1: Re-bias-vaihe

AFE: n ensimmäinen osa on bias-vaihe. Lähtöjännitesignaali ei ole keskellä syöttöjännitealueen keskellä (VDD/2). Tämä korjataan käyttämällä kondensaattoria estämään signaalin DC -osa ja lähettämällä se jännitteenjakajan kautta lisäämään DC -offset takaisin signaaliin.

Kaksi esijännitysvastusta voi olla mikä tahansa arvo, kunhan ne ovat samat. Korkin erityisarvo ei myöskään ole tärkeä.

Uudelleenpainotusvaihe toimii kuten ylipäästösuodatin, ja siksi sillä on rajataajuus:

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

Varmista, että rajataajuus on muutaman vuosikymmenen ajan alempi kuin mitä aiot käyttää. Jos aiot käyttää 1 kHz: tä sovelluksessasi, sinun tulee valita korkit ja vastusarvot, jotka antavat sinulle rajataajuuden luokkaa 1-10 Hz.

Tämän vaiheen viimeinen osa on op-vahvistin, joka on asetettu jännitteen seuraajaksi. Tällä varmistetaan, että vastuksen arvot eivät häiritse seuraavaa vaihetta

Vaihe 2: Virta -anturi

Seuraavan vaiheen ensimmäinen osa on virran tunnistava vastus. Tämän vastuksen kautta kulkeva virta on sama virta, jota vahvistin yrittää ylläpitää kehon läpi. Varmista, että virta on IEC6060-1-turvallisuusstandardien* mukainen:

Alle 1 kHz: n taajuuksilla sallitaan enintään 10 mikroAmps (RMS) kehon läpi. Yli 1 kHz: n taajuuksilla seuraava yhtälö antaa suurimman sallitun virran:

Suurin vaihtovirta <(minimitaajuus kHz) * 10 mikroAmp (RMS)

AC -signaalin huippuamplitudin ja sen RMS -arvon välinen suhde on: Huippu = sqrt (2) * RMS. (10 mikroAmps RMS vastaa 14 mikroAmps huippuamplitudia)

Käyttämällä ohmin lakia vastuksessa voimme laskea vastuksen arvon, joka täyttää turvallisuusstandardin. Käytämme AD5933: n viritysjännitettä ja maksimivirta -arvoa:

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

Esim. käyttämällä Alue 1 -asetusta Upeak = 3V / 2 = 1.5V (tai 1V @3.3V)

Käyttämällä 14 mikroAmp huippuarvoa ylhäältä saan vastuksen arvon vähintään 107 kOhm

Viitteet:

* Analogiset laitteet: "Bioimpedanssipiirin suunnittelu kehon kuluneille järjestelmille"

Vaihe 3: Trans-johtavuusvahvistin

Nykyisen tunnistusvastuksen jälkeen on op-vahvistin negatiivisessa palautekokoonpanossa. Tämä on ns. Load-in-the-Loop-asetus. Op-vahvistimen positiivinen tuloliitin on kytketty VDD/2-jännitteeseen. Op-vahvistin yrittää nyt säätää lähtönsä vastakkaiseen suuntaan virityssignaalin kanssa siten, että negatiivisen liittimen jännite on yhtä suuri kuin VDD/2. Tämä tuottaa näkyviä mahdollisuuksia työntää ja vetää virtaa kehon läpi.

Op-vahvistimen negatiivisesta liittimestä otettu virta on käytännössä nolla. Koko virran, joka kulkee virran tunnistavan vastuksen läpi, on siksi virtaava rungon läpi. Tämä on mekanismi, joka tekee tästä asetuksesta trans-johtavuusvahvistimen (jota kutsutaan myös jänniteohjatuksi virtalähteeksi, VCCS).

Op-vahvistin voi ylläpitää virtaa vain, jos rungon impedanssi ei ole liian korkea. Muussa tapauksessa op-vahvistimen lähtö vain maksimoi syöttöjännitteellä (0 tai 5 V). Suurin ylläpidettävä jännitealue on VDD/2 + Upeak (2,5 + 1,5 V = 4 V @ 5 V syöttö). Op-vahvistimen jännitemarginaalit on vähennettävä tästä arvosta, mutta jos op-vahvistimessa on kisko-kisko-tiedot, se olisi vain pieni määrä. Op-vahvistimen suurin impedanssi on siis:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(Asetuksissani Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, toive riittää kattamaan kehon impedanssialueen)

Suojavastuksella on erittäin suuri arvo (1-1,5 MOhms) runkoon verrattuna (noin 100 kOhm), ja kaikissa normaalitoiminnoissa tämä ei ota havaittavaa virtaa ja rinnakkaisliitännän impedanssi hallitsee rungon impedanssi. Jos rungon impedanssi nousee (esim. Tyynyt löystyvät), virta voi sitten kulkea vastuksen läpi ja op-vahvistimen maksimointi ei aiheuta epämiellyttäviä jännitteitä tyynyihin.

Vaihe 4: Instrumentation Amplifier

Seuraava vaihe on instrumenttivahvistin (in-amp), joka mittaa kehon koko jännitteen. Jännite kehon yli värähtelee noin 0 V: n ympärillä, mutta AD5933 tarvitsee tulojännitteen olevan positiivisella alueella. Siksi vahvistin lisää mitatulle jännitesignaalille DC-poikkeaman VDD/2.

VDD/2 -viite generoidaan jännitteenjakajalla. Mitä tahansa vastusta voidaan käyttää, kunhan ne ovat samat. Jännitteenjakaja erotetaan muun piirin impedanssista jännitteen seuraajalla. Jänniteseurannan lähtö voidaan sitten siirtää sekä vahvistimeen että trans-johtavuusvahvistimeen.

Vaihe 5: Syöttövaihe ja kalibrointi

AD5933: n tulovaihe sisältää op-vahvistimen negatiivisen palautteen kokoonpanossa. Vastuksia on kaksi: yksi sarjassa (Rin) ja toinen rinnakkain (RFB). Op-vahvistimen vahvistuksen antaa

A = - RFB / Rin

Tulon op-vahvistimen ja vahvistimen (ja PGA) vahvistusten on varmistettava, että AD5933: n ADC: hen tuleva signaali on aina 0 V: n ja VDD: n sisällä.

(Käytän yhtenäisyyden vahvistuksen vahvistimen ja vastuksen arvoja, jotka antavat noin A = 0,5)

AD5933: n sisällä ADC muuntaa jännitesignaalin a digitaaliseksi signaaliksi. Jännitealue 0V-VDD muunnetaan digitaaliseksi alueeksi 0-128 (2^7). (Asiakirjoista ei ole selvää, mutta [1] juonien perusteellinen tarkastelu ja osa kokeiluista vahvistaa tämän.)

DFT -moduulin sisällä on toinen skaalaus 256 (1024/4, katso [1]) ennen kuin tulos tallennetaan todelliseen ja kuvitteelliseen rekisteriin.

Seuraamalla jännitesignaalia AFE: n läpi ADC: hen ja käyttämällä edellä mainittuja skaalaustekijöitä voidaan arvioida vahvistustekijäksi:

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

Jotkut kalibroinnit saattavat silti olla tarpeen, joten ota huomioon muutamat vaikutukset, jotka eivät ole osa tätä matemaattista mallia, joten mittaa todellinen vahvistusarvo mittaamalla tunnetun impedanssin komponentteja, kuten vastuksia. (g = Z / mag, katso alla)

Impedanssi voidaan nyt laskea

Z = g * mag

mag = neliömetriä (todellinen^2 + kuvitteellinen^2)

PA = arctan2 (todellinen, kuvitteellinen) - deltaPA

PA on todennäköisesti kalibroitava, ja AD5933: ssa on järjestelmällinen vaihesiirto taajuuden funktiona. deltaPA on todennäköisesti jokin taajuuden lineaarinen funktio.

Vastus ja reaktanssi voidaan nyt laskea

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Viitteet: [1] Leonid Matsiev, "Järjestelmien suorituskyvyn ja monipuolisuuden parantaminen yksitaajuisten DFT-ilmaisimien, kuten AD5933, perusteella", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

Vaihe 6: Lisäasetukset: Spektraalivuoto (DC)

AD5933: een syöttämämme signaali on jännite/virta ajan funktiona, mutta tärkein intressimme on impedanssi taajuuden funktiona. Muuttaaksemme aikatunnuksen ja taajuusalueen välillä meidän on otettava aikatunnussignaalin Fourier-muunnos. AD5933: ssa on sisäänrakennettu diskreetti Fourier-muunnosmoduuli (DFT). Alhaisilla taajuuksilla (alle noin 10 kHz) DFT: n rakentamiseen vaikuttavat aliasing ja spektrivuodot. [1] Hän käy läpi matematiikkaa spektrivuotojen korjaamisesta. Tämän ydin on laskea viisi (plus kaksi) vakioita jokaiselle pyyhkäisyn taajuusvaiheelle. Tämä onnistuu helposti esim. Arduinon ohjelmisto.

Vuoto on kahdessa muodossa: DC -vuoto, joka on luonteeltaan additiivinen, ja AC -vuoto, joka on luonteeltaan moninkertainen.

DC -vuoto johtuu siitä, että jännitesignaali ADC: ssä ei värähtele 0V: n ympärillä vaan VDD/2: n ympärillä. DC -tason VDD/2 tulisi vastata noin 64 digitaalista DC -lukemaa (merkitty delta [1]).

Vaiheet DC -spektrivuotojen korjaamiseksi:

1) Laske verhokerroin E nykyiselle taajuudelle.

2) Laske kaksi vahvistustekijää GI (todellinen) ja GQ (kuvitteellinen)

3) Vähennä delta * GI reaalirekisterin arvosta ja delta * GQ kuvitteellisen rekisterin arvosta

Viitteet:

[1] Leonid Matsiev, "Järjestelmien suorituskyvyn ja monipuolisuuden parantaminen perustuen

Yksitaajuiset DFT-ilmaisimet, kuten 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. Mittaa. Syst., Voi. XXII (2015), nro 1, s. 13–24.

Vaihe 7: Lisäasetukset: Spektraalivuoto (AC)

Kuten DC -vuoto, myös AC -vuoto voidaan korjata matemaattisesti. [1] Vastusta ja reaktanssia kutsutaan vastaavasti A*cos (phi) ja A*sin (phi), missä A vastaa impedanssin suuruutta ja phi vastaa vaihekulmaa (PA).

Vaiheet AC -spektrivuotojen korjaamiseksi:

1) Laske verhokerroin E (ei sama kuin DC) nykyiselle taajuudelle.

2) Laske kolme tekijää a, b ja d. (likimääräiset arvot korkeammilla taajuuksilla: a = d = 256 ja b = 0)

3) Vastus (Acos (phi)) ja reaktanssi (Asin (phi)) voidaan nyt laskea digitaalisissa yksiköissä

Viitteet: [1] Leonid Matsiev, "Järjestelmien suorituskyvyn ja monipuolisuuden parantaminen yhden taajuuden DFT-ilmaisimien, kuten AD5933, perusteella", 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. Mittaa. Syst., Voi. XXII (2015), nro 1, s. 13–24.

Vaihe 8: Edistyneet asiat: teoreettinen vahvistuskerroin

Kun otetaan huomioon DFT: n matemaattinen mallinnus, koko AFE: n pitäisi myös olla mahdollista mallintaa matemaattisesti. Matemaattisesti jännitesignaali voidaan kuvata sinifunktiolla, jolla on tietty kiinteä taajuus, tasavirtasiirtymä ja AC -värähtely huippuamplitudilla. Taajuus ei muutu taajuusaskeleen aikana. Koska vahvistustekijä muuttaa vain impedanssin suuruutta eikä PA, emme tässä ole huolissamme signaalin aiheuttamasta vaihesiirrosta.

Tässä on lyhyt yhteenveto jännitesignaalista, kun se etenee AFE: n kautta:

1) Uudelleenpainotusvaiheen jälkeen AC-amplitudi on edelleen Upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) ja DC-offset on vaihdettu VDD/2: ksi.

2) Virranmittausvastuksessa jännite on sama kuin edellisessä vaiheessa …

3)… mutta op-vahvistimen kääntymisjännitteen vuoksi AC-värähtelyjen koko on Z*Upeak/Rcurrent. (DC -offset mitätöidään op -vahvistimien vertailujännitteellä VDD/2 - kääntymispisteen kääntöpiste - ja siitä tulee virtueläke tässä piirin osassa)

4) Unity-vahvistin lisää VDD/2: n DC-siirtymän takaisin sisään ja välittää signaalin AD5933: n tulovaiheeseen

5) Tulovaiheen op-vahvistimen vahvistus on A = -RFB/Rin ja AC-amplitudista tulee siten (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

6) Juuri ennen ADC: tä on ohjelmoitava vahvistinvahvistin (PGA), jossa on kaksi asetusta 1 tai 5.

ADC muuntaa v (t) -signaalin digitaaliseksi signaaliksi x (t) = u (t) / VDD * 2^7 12 -bittisellä tarkkuudella.

Suuruus A on kytketty impedanssiin Z vahvistuskertoimella k, kuten A = k * Z, ja sen likimääräinen arvo on k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

Jos haluat työskennellä vahvistustekijän kanssa, sen sijaan g = 1 / k ja Z = g * A.

Vaihe 9: Lisäasetukset: PA -siirto

[2] He löytävät järjestelmällisen muutoksen PA: ssa taajuuden funktiona. Tämä johtuu aikaviiveestä DAC: n, jossa herätesignaali muodostetaan, ja DFT: n välillä, jossa saapuva signaali on käännettävä lähtevän signaalin kanssa.

Siirtymiselle on tunnusomaista kellosyklien määrä, jolloin signaali viivästyy DAC: n ja DFT: n välillä sisäisesti AD5933: ssa.

Viitteet: [1] Leonid Matsiev, "Järjestelmien suorituskyvyn ja monipuolisuuden parantaminen yhden taajuuden DFT-ilmaisimien, kuten AD5933, perusteella", 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. Mittaa. Syst., Voi. XXII (2015), nro 1, s. 13–24.