Samodejni EKG: ojačanje in simulacija filtra z uporabo LTspice: 5 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

To je slika zadnje naprave, ki jo boste zgradili, in zelo poglobljena razprava o vsakem delu. Opisuje tudi izračune za vsako stopnjo.

Slika prikazuje blokovni diagram za to napravo

Metode in materiali:

Cilj tega projekta je bil razviti napravo za pridobivanje signala, ki bi opredelila specifičen biološki signal/zbrala ustrezne podatke o signalu. Natančneje, avtomatiziran EKG. Blok diagram, prikazan na sliki 3, prikazuje predlagano shemo za napravo. Naprava bi prejela biološki signal preko elektrode in ga nato ojačala z ojačevalnikom z ojačitvijo 1000. To ojačanje je potrebno, saj bo biološki signal manjši pri približno 5 mV, kar je zelo majhno in ga je težko razlagati [5]. Nato bi s pomočjo pasovno dostopnega filtra zmanjšali hrup, da bi dobili želeno frekvenčno območje signala, 0,5-150 Hz, nato pa bi sledila zareza, da bi odstranili običajni hrup v okolici, ki ga povzročajo daljnovodi, ugotovljeni okoli 50-60 Hz [11]. Nazadnje je treba signal pretvoriti v digitalni, tako da ga je mogoče razlagati z računalnikom, kar se naredi z analogno -digitalnim pretvornikom. V tej študiji pa se bodo osredotočili predvsem na ojačevalnik, pasovni filter in zarezni filter.

Ojačevalnik, pasovni filter in zarezni filter so bili zasnovani in simulirani z uporabo LTSpice. Vsak odsek je bil najprej razvit ločeno in preizkušen, da bi se prepričal, da delujejo pravilno, nato pa združen v eno končno shemo. Ojačevalnik, ki ga vidimo na sliki 4, je bil zasnovan in izdelan na osnovi instrumentacijskega ojačevalnika. Instrumentalni ojačevalnik se običajno uporablja pri EKG-jih, merilcih temperature in celo potresnih detektorjih, ker lahko ojača zelo nizko raven signala, hkrati pa zavrača odvečni šum. Prav tako je zelo enostavno spremeniti, da se prilagodi glede na potreben dobiček [6]. Želeni dobiček za vezje je 1000 in to je bilo izbrano, saj bo vhod iz elektrode AC -signal manjši od 5 mV [5] in ga je treba za lažjo interpretacijo ojačati. Za pridobitev dobička 1000 smo uporabili enačbo (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3), ki je torej prinesla GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω)/1011,01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Da bi potrdili pravilno količino ojačanja, smo izvedli prehodni test z uporabo LTspice.

Druga stopnja je bil pasovni filter. Ta filter je prikazan na sliki 5 in je sestavljen iz nizkoprepustnega in nato visokoprehodnega filtra z operacijskim ojačevalnikom vmes, da prepreči, da bi se filtri med seboj izničili. Namen te stopnje je ustvariti niz frekvenc, ki bodo sprejemljive za prehod skozi napravo. Želeno območje za to napravo je 0,5 - 150 Hz, saj je to standardni razpon za EKG [6]. Za dosego tega ciljnega območja je bila uporabljena enačba (2) mejna frekvenca = 1/(2πRC) za določitev mejne frekvence za visokoprehodni in nizkoprepustni filter znotraj pasovnega pasu. Ker je moral biti spodnji del območja 0,5 Hz, so bile vrednosti upora visokega prehoda in kondenzatorja izračunane na 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83 μF), zgornji konec pa na 150 Hz, najnižji Vrednosti upora in kondenzatorja prehodnega filtra so bile 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). Da bi potrdili, da je bilo doseženo pravilno frekvenčno območje, smo s pomočjo LTspice zagnali izmenični tok.

Tretja in zadnja simulirana stopnja je zarezni filter, ki jo lahko vidimo na sliki 6. Zarezni filter služi kot sredstvo za odpravo neželenega šuma, ki se pojavi sredi želenega frekvenčnega območja, ki ga ustvari pasovni pas. Ciljna frekvenca v tem primeru je 60 Hz, saj je to standardna frekvenca daljnovoda v Združenih državah in povzroča motnje, če jih ne obravnavamo [7]. Za zatiranje teh motenj je bil izbran zarezni filter z dvojnimi zarezami z dvema op ojačevalcema in delilnikom napetosti. To bo omogočilo, da signal ne samo filtrira signal neposredno na ciljni frekvenci, ampak tudi v sistem vnese spremenljivo povratno informacijo, nastavljiv faktor kakovosti Q in spremenljiv izhod zahvaljujoč napetostnemu delilniku, zato je postal aktiven filter namesto pasivno [8]. Ti dodatni dejavniki pa so bili v začetnih preskusih večinoma nedotaknjeni, vendar se jih bomo dotaknili v prihodnjih delih in kako kasneje projekt izboljšati. Za določitev središča frekvence zavrnitve je enačba (3) srednja frekvenca zavrnitve = 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 je bilo uporabljenih. Da bi potrdili, da je bila dosežena pravilna frekvenca zavrnitve, je bil z uporabo LTspice izveden izmenični tok.

Nazadnje, potem ko je bila vsaka stopnja preizkušena posebej, so bile tri stopnje združene, kot je prikazano na sliki 7. Prav tako je treba opozoriti, da so bili vsi op ojačevalniki napajani z napajanjem +15V in -15V DC, da bi omogočili znatno ojačanje da se pojavijo, ko je to potrebno. Nato sta bila na dokončanem vezju izvedena tako prehodni preskus kot izmenični tok.

Rezultati:

Grafe za vsako stopnjo najdete neposredno pod ustrezno stopnjo v razdelku Slika v dodatku. Za prvo stopnjo instrumentalnega ojačevalnika je bil na vezju izveden prehodni preskus, da se preveri, ali je ojačevalnik ojačevalnika 1000. Test je trajal 1 - 1,25 sekunde z največjim časovnim korakom 0,05. Dobavljena napetost je sinusni sinusni val z amplitudo 0,005 V in frekvenco 50 Hz. Predvideni dobiček je bil 1000 in kot je prikazano na sliki 4, je imel Vout (zelena krivulja) amplitudo 5V. Simulirano povečanje je bilo izračunano tako, da je dobiček = Vout/Vin = 5V/0,005V = 1000. Zato je odstotna napaka za to stopnjo 0%. 0,005V je bil izbran kot vhod za ta odsek, saj bo tesno povezan z vhodom, prejetim od elektrode, kot je omenjeno v razdelku o metodah.

Druga stopnja, pasovni filter, je imela ciljno območje 0,5 - 150 Hz. Da bi preizkusili filter in se prepričali, da se doseg ujema, se je desetletje izvajalo izmenično napajanje s 100 točkami na desetletje od 0,01 do 1000 Hz. Slika 5 prikazuje rezultate izmeničnega toka in potrjuje, da je bilo doseženo frekvenčno območje od 0,5 do 150 Hz, ker največja minus 3 dB daje mejno frekvenco. Ta metoda je prikazana na grafu.

Tretja stopnja, zarezni filter, je bila zasnovana za odpravo hrupa, ugotovljenega okoli 60 Hz. Izračunano središče frekvence zavrnitve je bilo ~ 56 Hz. Da bi to potrdili, je desetletje potekalo izmenično napajanje s 100 točkami na desetletje od 0,01 do 1000 Hz. Slika 6 prikazuje rezultate izmeničnega toka in prikazuje središče frekvence zavrnitve ~ 56-59 Hz. Odstotek napake za ta razdelek bi bil 4,16 %.

Po potrditvi, da vsaka posamezna stopnja deluje, so bile nato sestavljene tri stopnje, kot je prikazano na sliki 7. Nato je bil izveden prehodni preskus za preverjanje ojačitve vezja in preskus je trajal od 1 - 1,25 sekunde z največjim časovnim korakom 0,05 z napajalna napetost AC sinusnega vala z amplitudo 0,005 V in frekvenco 50 Hz. Nastali graf je prvi graf na sliki 7, ki prikazuje Vout3 (rdeča), izhod celotnega vezja je 3,865 V, zato je dobiček = 3,865V/0,005V = 773. To se bistveno razlikuje od predvidenega dobička 1000 in daje napako 22,7%. Po prehodnem preskusu, desetletju, se je izmenjava izmeničnega toka izvajala s 100 točkami na desetletje od 0,01 do 1000 Hz in ustvarila drugi graf na sliki 7. Ta graf poudarja predvidene rezultate in prikazuje filtre, ki delujejo skupaj, da ustvarijo filter, ki sprejema frekvence od 0,5-150 Hz s središčem zavrnitve od 57,5-58,8 Hz.

Enačbe:

(1) - dobiček instrumentacijskega ojačevalnika [6], upori glede na tiste na sliki 4.

(2) - mejna frekvenca za nizko/visokoprepustni filter

(3) - za filter z dvojno zarezo [8], upori glede na tiste na sliki 6.

1. korak: Instrumentacijski ojačevalnik

1. stopnja: instrumentacijski ojačevalnik

enačba - DOBITK = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3)

Korak: Pasovni pas

stopnja 2: pasovni filter

enačba: mejna frekvenca = 1/2πRC

3. korak: 3. stopnja: zarezni filter

stopnja 3: Twin T Notch filter

enačba - frekvenca zavrnitve na sredini = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

4. korak: Končna shema vseh stopenj skupaj

Končna shema z izmeničnim tokom in prehodnimi krivuljami

5. korak: Razprava o napravi

Diskusija:

Rezultati zgornjih preskusov so bili za vezje kot celoto pričakovani. Čeprav ojačanje ni bilo popolno in se je signal rahlo poslabšal, dlje ko je šel skozi vezje (kar je razvidno iz slike 7, graf 1, kjer se je signal po prvi stopnji povečal z 0,005 V na 5 V, po drugi pa se je zmanjšal na 4 V in nato 3.865V po zadnji stopnji), je pasovni pas in zarezni filter deloval po predvidevanjih in ustvaril frekvenčno območje 0,5–150 Hz z odstranitvijo frekvence okoli 57,5–58,8 Hz.

Po določitvi parametrov za moj krog sem ga nato primerjal z dvema drugima EKG -jema. Neposrednejšo primerjavo s samo številkami najdemo v tabeli 1. Pri primerjavi mojih podatkov z drugimi viri literature so bili trije pomembni odlomki. Prvi je bil, da je bila ojačitev v mojem vezju bistveno manjša od ostalih dveh, ki sem jih tudi primerjal. Oba vezja literarnih virov sta dosegla ojačanje 1000, pri Gawalijevem EKG -ju [9] pa je bil signal še dodatno ojačan s faktorjem 147 v stopnji filtra. Čeprav je bil signal v mojem vezju ojačan za 773 (napaka 22,7% v primerjavi s standardnim ojačanjem) in se mu je zdelo dovolj, da lahko razlaga vhodni signal z elektrode [6], je v primerjavi s standardnim ojačanjem še vedno pritlikav 1000. Če bi v mojem vezju dosegli standardno ojačanje, bi bilo treba ojačanje v instrumentacijskem ojačevalniku povečati na faktor, večji od 1000, tako da se, ko dobiček po prehodu skozi vsako od stopenj filtra v mojem vezju zmanjša, še vedno ima dobiček najmanj 1000 ali pa je treba filtre prilagoditi, da se prepreči večji padec napetosti.

Drugi pomemben podatek je bil, da so imela vsa tri vezja zelo podobna frekvenčna območja. Gawalijev [9] je imel popolnoma enak razpon 0,5-150 Hz, Goa [10] pa nekoliko širši razpon 0,05-159 Hz. Goino vezje je imelo to rahlo odstopanje, ker je to območje bolj ustrezalo kartici za zbiranje podatkov, ki so jo uporabljali pri njihovi nastavitvi.

Zadnji pomemben podatek so bile razlike v središču frekvenc zavrnitve, ki so jih dosegli zarezni filtri v vsakem vezju. Gao in moje vezje sta imela cilj 60 Hz, da bi preprečila hrup linijske frekvence, ki je povzročil daljnovode, medtem ko je bil Gawalijev nastavljen na 50 Hz. Vendar je to odstopanje v redu, saj je lahko frekvenca daljnovoda, odvisno od lokacije na svetu, 50 ali 60 Hz. Zato smo naredili neposredno primerjavo le z Goinim vezjem, saj so motnje daljnovoda v Združenih državah 60 Hz [11]. Odstotek napake je 3,08%.