EKG -piiri (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Huomaa: Tämä EI ole lääketieteellinen laite. Tämä on tarkoitettu vain opetustarkoituksiin käyttäen simuloituja signaaleja. Jos käytät tätä piiriä todellisiin EKG-mittauksiin, varmista, että piiri ja piirin ja laitteen väliset liitännät käyttävät oikeita eristystekniikoita

Tämä ohje on ohjattu tapa simuloida, rakentaa ja testata piiri, joka ottaa vastaan, suodattaa ja vahvistaa EKG -signaaleja. Tarvitset perustiedot piireistä ja vähän välineitä tämän ohjeen toteuttamiseksi kokonaisuudessaan.

Elektrokardiografia (EKG tai EKG) on kivuton, ei-invasiivinen testi, joka tallentaa sydämen sähköisen toiminnan ja jota käytetään näkemään potilaan sydämen tila. Jotta EKG -lukema voidaan simuloida, syötettävät sydämen signaalit on vahvistettava (instrumentointivahvistin) ja suodatettava (lovi- ja alipäästösuodattimet). Nämä komponentit luotiin fyysisesti ja piirisimulaattorilla. Sen varmistamiseksi, että jokainen komponentti vahvistaa tai suodattaa signaalia oikein, voidaan suorittaa AC -pyyhkäisy PSpice -protokollalla ja kokeellisesti. Kun jokainen komponentti on testattu onnistuneesti erikseen, sydämen signaali voidaan syöttää täydellisen piirin läpi, joka koostuu instrumenttivahvistimesta, lovisuodattimesta ja alipäästösuodattimesta. Tämän jälkeen ihmisen EKG -signaali voidaan syöttää EKG: n ja LabVIEW: n kautta. Sekä simuloitu aaltomuoto että ihmisen sydämen signaali voidaan ajaa LabVIEW: n läpi tulosignaalin lyöntejä minuutissa (BPM) laskemaan. Kaiken kaikkiaan syötetyn sydämen signaalin ja ihmisen signaalin pitäisi pystyä vahvistamaan ja suodattamaan onnistuneesti, simuloimalla EKG: tä käyttäen piiritaitoja instrumenttivahvistimen, lovisuodattimen ja alipäästösuodatinpiirin suunnitteluun, muokkaamiseen ja testaamiseen.

Vaihe 1: Simuloi piiriä tietokoneessa

Voit simuloida luomamme piiriä käyttämällä mitä tahansa käytettävissä olevaa ohjelmistoa. Käytin PSpiceä, joten selitän yksityiskohdat, mutta komponenttien arvot (vastukset, kondensaattorit jne.) Ja tärkeimmät takeet ovat kaikki samat, joten voit käyttää jotain muuta (kuten circuitlab.com).

Laske komponenttien arvot:

1. Ensin on määritettävä instrumenttivahvistimen arvot (katso kuva). Kuvan arvot määritettiin siten, että haluttu vahvistus oli 1000. Mikä tarkoittaa sitä, että mikä tahansa syöttöjännite, jonka syöt tähän piirin osaan, "vahvistaa" sen vahvistusarvolla. Esimerkiksi jos annat 1V kuten minä, lähdön pitäisi olla 1000V. Tässä instrumentointivahvistimessa on kaksi osaa, joten vahvistus jaetaan niiden kesken merkittyinä K1 ja K2. Katso mukana tuleva kuva, haluamme, että vahvistukset ovat lähellä (siksi kuvan yhtälö 2), kuvan yhtälöt 2 ja 3 löydetään solmuanalyysillä ja sitten voidaan laskea vastuksen arvot (katso kuva).
2. Lovisuodattimen vastusarvot määritettiin asettamalla laatukerroin Q arvoon 8 ja koska tiesimme, että meillä oli runsaasti 0,022uF kondensaattoreita, siirryimme sitten eteenpäin laskelmissa käyttämällä näitä kahta ehtoa. Katso kuva yhtälöillä 5-10 laskeaksesi arvot. Tai käytä R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω, mitä teimme!
3. Alipäästösuodatin poistaa melun tietyn taajuuden yläpuolelta, jonka löysimme verkossa, että EKG: lle on hyvä käyttää 250 Hz: n rajataajuutta fo. Laske tästä taajuudesta ja yhtälöistä 11-15 (tarkista kuva) vastusarvot alipäästösuodattimellesi. Käsittele R3: ta avoimena piirinä ja R4: tä oikosuluna saadaksesi vahvistuksen K = 1. Laskimme R1 = 15, 300 ohmia, R2 = 25, 600 ohmia, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Avaa ja rakenna PSpice:

Näillä arvoilla voit käynnistää PSpice - Avaa 'OrCAD Capture CIS', jos Cadence Project Choices -ikkuna avautuu, valitse 'Allegro PCB Design CIS L', avaa tiedosto -> uusi projekti, kirjoita sille fiksu nimi, valitse luo projekti käyttämällä analogista tai sekoitettua A/D -toimintoa, valitse "luo tyhjä projekti", katso projektisi tiedostojärjestyksen kuva, jokaisella sivulla voit koota komponentit (vastukset, kondensaattorit jne.) rakentaaksesi osan haluamasi piiri. Napsauta jokaisen sivun yläosassa olevan työkalupalkin osaa ja avaa osaluettelo napsauttamalla osaa, josta etsit vastuksia, kondensaattoreita, operaatiovahvistimia ja virtalähteitä. Myös Place -pudotusvalikosta löydät maan ja johdot, joita sinun on käytettävä. Suunnittele nyt jokainen sivusi, kuten mukana olevissa kuvissa, käyttämällä laskemiasi arvoja.

Suorita AC Sweeps varmistaaksesi, että suodatus ja vahvistaminen tapahtuvat odotetulla tavalla

Lisäsin kaksi lukua näiden simulointiin. Huomaa lovi 60 Hz: llä ja suodattaa pois korkeat taajuudet. Huomaa viivan värit ja merkityt jäljityslausekkeet, juoksin myös koko piirin yhteen, jotta saat käsityksen siitä, mitä sinun pitäisi odottaa!

Valitse pyyhkäisytyypeiksi PSpice, napsauta PSpice, Uusi simulaatioprofiili, vaihda AC -pyyhkäisyyn ja aseta haluamasi käynnistys-, pysäytys- ja lisäystaajuudet. PSpice -valikosta valitsin myös markkereita, edistyneitä ja poimittuja jännitteitä dB ja asetin merkin paikkaan, jossa halusin mitata ulostulon. Tämä auttaa myöhemmin, joten sinun ei tarvitse lisätä jälkimuutosta manuaalisesti. Siirry sitten pakkaamaan PSpice -valikkopainikkeeseen uudelleen ja valitse Suorita tai paina vain F11. Kun simulaattori avautuu, napsauta tarvittaessa: jäljitä, lisää jäljitys ja valitse sitten sopiva jäljityslauseke, kuten V (U6: OUT), jos haluat mitata opamp U6: n nastan OUT jännitelähdön.

Mittarivahvistin: Käytä uA741 kaikkia kolmea vahvistinta ja ota huomioon, että kuvien vahvistimiin viitataan niiden tarran mukaan (U4, U5, U6). Suorita AC -pyyhkäisy PSpice -laitteella, jotta voit laskea piirin taajuusvasteen yhdellä jännitetulolla siten, että ulostulon tulee olla tässä tapauksessa sama kuin vahvistus (1000).

Lovisuodatin: Käytä kuvassa näkyvää yhden jännitteen vaihtovirtalähdettä ja operaatiovahvistinta uA741 ja varmista, että käytät jokaista käyttämääsi vahvistinta (15 V DC). Suorita AC -pyyhkäisy, suosittelen 30-100 Hz 10 Hz: n välein, jotta varmistetaan lovi 60 Hz: ssä, joka suodattaa pois sähköiset signaalit.

Alipäästösuodatin: Käytä operaatiovahvistinta uA741 (katso kuva, kuten meidän oli merkitty U1) ja toimita piirille yhden voltin vaihtovirta. Kytke tehovahvistimet DC -jännitteellä 15 volttia ja mittaa AC -pyyhkäisyn ulostulo U1: n nastassa 6, joka on yhteydessä kuvassa näkyvään johtoon. AC-pyyhkäisyä käytetään piirin taajuusvasteen laskemiseen, ja yhden määritetyn jännitetulon avulla jännitteen ulostulon tulee olla sama kuin vahvistus 1.

Vaihe 2: Rakenna fyysinen piiri leipälevylle

Tämä voi olla haastavaa, mutta uskon sinuun täysin! Käytä luomiasi ja testattuja arvoja ja kaavioita (toivottavasti tiedät niiden toimivan piirisimulaattorin ansiosta) rakentaaksesi tämän leipälevylle. Varmista, että käytät vain virtaa (1 Vp-p funktiogeneraattorilla) alkuun, ei kaikissa vaiheissa, jos testaat koko piiriä, kytke koko piiri testaukseen yhdistämällä jokainen osa (instrumentointivahvistin loven suodattimen alipäästöön), varmista, että Syötä V+ ja V- (15 V) jokaiselle op-vahvistimelle, ja voit testata yksittäisiä vaiheita mittaamalla lähtöä eri taajuuksilla oskilloskoopilla varmistaaksesi, että sen kaltaiset suodatukset toimivat. Voit käyttää toimintogeneraattorin sisäänrakennettua sydämen aaltomuotoa, kun testaat koko piirin yhdessä ja näet sitten QRS-aaltomuodon odotetusti. Pienellä turhautumisella ja sinnikkyydellä sinun pitäisi pystyä rakentamaan tämä fyysisesti!

Lisäsimme myös 0,1 uF: n kaistakondensaattorin rinnakkain op -vahvistimien kanssa, joita ei ole kuvattu PSpicessa.

Seuraavassa on muutamia vinkkejä yksittäisten komponenttien rakentamisessa:

Jos instrumentointivahvistimessa on vaikeuksia löytää virheen lähde, tarkista kolmen op-vahvistimen jokainen lähtö. Varmista myös, että syötit virtalähteen ja tulon oikein. Virtalähde on kytkettävä nastoihin 4 ja 7 ja jännitteen tulo ja lähtö ensimmäisen vaiheen vahvistimien nastoihin 3.

Lokasuodattimelle vastusarvoja oli muutettava, jotta suodatin suodatettiin pois 60 Hz: n taajuudella. Jos suodatus tapahtuu yli 60 Hz: n, yhden vastuksen lisääminen (säätimme 2) auttaa vähentämään suodattimen taajuutta (päinvastainen lisätä).

Alipäästösuodattimen yksinkertaisten vastusarvojen varmistaminen (jo olemassa olevat vastukset) vähentää virheitä merkittävästi!

Vaihe 3: LabVIEW piirtää EKG -aaltomuodon ja laskee sykkeen (lyöntiä minuutissa)

LabVIEW -ohjelmassa luot lohkokaavion ja käyttöliittymän, joka näyttää EKG -aaltomuodon kaaviossa ajan funktiona ja näyttää digitaalisen sykkeenumeron. Olen liittänyt kuvan siitä, mitä labVIEW: lle kannattaa rakentaa. Voit etsiä tarvittavat komponentit hakupalkin avulla. Ole kärsivällinen tämän suhteen ja voit myös käyttää apua lukemalla jokaisesta kappaleesta.

Muista kytkeä piiri tietokoneeseen fyysisellä DAQ: lla. Vaihda DAQ -avustajan näytteenotto jatkuvaksi ja 4 k: ksi.

Tässä vinkkejä kaavion rakentamiseen:

• DAQ Assistant -yhteys tulee "datasta" ja "pysäytyksestä".
• DAQ -avustaja "aaltomuodon" min.
• Napsauta hiiren kakkospainikkeella, luo ja valitse vakio kuvassa näkyvästä numerosta.
• Napsauta hiiren kakkospainikkeella, valitse kohde, dt, tämä muuttaa t0 arvoksi dt
• Huipputunnistuksella on liitännät "signaali sisään", "kynnys" ja "leveys"
• Yhdistä "matriisiin" ja vakiot "indeksiin"
• Varmista, että DAQ -kortin tappi (esim. Analoginen 8) on DAQ Assistantissa valitsemasi tappi (katso kuva)

Mukana oleva video 'IMG_9875.mov' on tietokoneesta, joka näyttää LabVIEW: n VI -käyttöliittymän ja näyttää muuttuvan EKG -aaltomuodon ja lyönnit minuutissa tulon perusteella (kuuntele, kun ilmoitetaan taajuudeksi).

Testaa suunnittelua lähettämällä 1 Hz: n taajuustulo ja sillä on puhdas aaltomuoto (vertaa kuvaa), mutta sinun pitäisi pystyä lukemaan 60 lyöntiä minuutissa!

Tekemäsi voidaan käyttää myös ihmisen EKG -signaalin lukemiseen huvin vuoksi, koska tämä EI ole lääketieteellinen laite. Sinun on silti oltava varovainen suunnittelun mukana tulevan virran kanssa. Kiinnitetyt pintaelektrodit: positiivinen vasempaan nilkkaan, negatiivinen oikeaan ranteeseen ja kiinnitä maa oikeaan nilkkaan. Suorita labVIEW ja näet, että aaltomuoto näkyy kaaviossa ja lyöntiä minuutissa ilmestyy myös digitaaliseen näyttöruutuun.