Analiza bio impedance (BIA) z AD5933: 9 koraki

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Zanimalo me je, da naredim Bio Impedance Analyzer za merjenje telesne sestave in moja naključna iskanja so vedno iskala zasnovo iz razreda Biomedical Instrumentation 2015 na Univerzi Vanderbilt. Oblikoval sem oblikovanje in ga nekoliko izboljšal. Svoje ugotovitve bi rad delil z vami. Če nekaj ni jasno, vzemite, kar lahko uporabite, če predlagate izboljšave. Morda bom nekega dne svojo misel zapisal v bolj kohezivno obliko, vendar za zdaj upam, da lahko uporabite vse, kar vidite tukaj. (Če mislite, da lahko to napišete in izboljšate, ste dobrodošli)

medvedek

Ta zasnova je sestavljena iz čipa AD5933 in prilagojenega analognega vmesnika (AFE) za povezovanje AD5933 s telesom. AD5933 nato izvede meritve, rezultate pa lahko nato obdela z mikrokrmilnikom (npr. Arduino).

Če nameravate Arduino uporabljati kot napajalnik, se prepričajte, da operacijski ojačevalniki in instrumentacijski ojačevalniki (op-ojačevalniki in v-ojačevalniki) podpirajo tako imenovane "enojne napajalne" napetosti in imajo specifikacije od železnice do tirnice.

(V nadaljevanju bom uporabljal napajalnik (iz Arduina) 5 V in nastavitev Razpon 1 na AD5933.)

1. korak: Faza ponovne pristranskosti

Prvi del AFE je faza ponovne pristranskosti. Signal izhodne napetosti ni centriran sredi območja napajalne napetosti (VDD/2). To se popravi tako, da se s kondenzatorjem blokira enosmerni del signala in ga pošlje skozi razdelilnik napetosti, da se v signal doda enosmerni odmik.

Dva upora proti pristranskosti sta lahko poljubne vrednosti, če sta enaka. Posebna vrednost zgornje meje prav tako ni pomembna.

Stopnja ponovne pristranskosti deluje kot visokoprepustni filter in ima zato mejno frekvenco:

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

Poskrbite, da bo mejna frekvenca nekaj desetletij pod najmanjšo frekvenco, ki jo nameravate uporabiti. Če nameravate uporabljati 1kHz v svoji aplikaciji, se odločite za zgornje meje in uporne vrednosti, ki vam bodo dale mejno frekvenco reda 1-10 Hz.

Zadnji del te stopnje je op-amp, nastavljen kot sledilnik napetosti. S tem želimo zagotoviti, da vrednosti upora ne vplivajo na naslednjo stopnjo

Korak: Trenutni upor zaznavanja

Prvi del naslednje stopnje je upor za zaznavanje toka. Tok skozi ta upor bo enak toku, ki ga bo ojačevalnik poskušal vzdrževati skozi telo. Prepričajte se, da je tok v skladu z varnostnimi standardi IEC6060-1*:

Pod frekvencami 1 kHz je skozi telo dovoljeno največ 10 mikroAmp (RMS). Pri frekvencah nad 1 kHz naslednja enačba daje največji dovoljeni tok:

Največji izmenični tok <(najmanjša frekvenca v kHz) * 10 mikroAmp (RMS)

Razmerje med največjo amplitudo AC signala in njegovo vrednostjo RMS je: Peak = sqrt (2) * RMS. (10 mikroAmps RMS ustreza največji amplitudi 14 microAmps)

Z ohmskim zakonom o uporu lahko izračunamo vrednost upora, ki bo v skladu z varnostnim standardom. Uporabljamo vzbujalno napetost iz AD5933 in največjo vrednost toka:

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

Npr. z nastavitvijo območja 1 Upeak = 3V / 2 = 1,5 V (ali 1 V pri 3,3 V)

Z najvišjo vrednostjo 14 mikroAmp od zgoraj dobim vrednost upora najmanj 107 kOhms

Reference:

* Analogne naprave: "Oblikovanje vezja z bioimpedanco za sisteme, ki se obrabljajo"

Korak 3: Trans-prevodni ojačevalnik

Po trenutnem senzorju je op-amp v konfiguraciji negativne povratne informacije. To je tako imenovana nastavitev Load-in-the-Loop. Pozitivni vhodni priključek op-ojačevalnika je priključen na napetost VDD/2. Op-amp bo zdaj poskušal prilagoditi svoj izhod v nasprotni smeri od signala vzbujanja, tako da bo napetost na negativnem priključku enaka VDD/2. To bo ustvarilo potencial vidljivosti, ki potiska in vleče tok skozi telo.

Tok, ki ga črpa z negativnega priključka op-amp-a, je skoraj nič. Ves tok skozi upor zaznavanja toka mora zato teči skozi telo. To je mehanizem, zaradi katerega je ta nastavitev transprevodni ojačevalnik (imenovan tudi napetostni krmiljeni vir toka, VCCS).

Op-amp lahko vzdržuje tok le, če impedanca telesa ni previsoka. V nasprotnem primeru bi izhod op-amp-a dosegel največjo vrednost pri napajalni napetosti (0 ali 5 V). Največji razpon napetosti, ki ga je mogoče vzdrževati, je VDD/2 + Upeak (2,5 + 1,5 V = 4V pri 5V napajanju). Od te vrednosti je treba odšteti napetostne robe op-amp-a, če pa ima op-amp železniško-železniške specifikacije, bi to bilo le majhno. Največja impedanca, ki jo zmore op-amp, je:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(V moji nastavitvi Z <4V / 14 mikroAmps = 285 kOhms, želja je dovolj za pokrivanje impedančnega območja telesa)

Zaščitni upor ima zelo veliko vrednost (1-1,5 MOhms) v primerjavi s telesom (približno 100kOhms) in za vse normalne operacije to ne bo potegnilo nobenega opaznega toka, pri impedanci vzporedne povezave pa prevladuje impedanca telesa. Če bi se impedanca telesa zvišala (npr. Zrahljajo blazinice), lahko tok teče skozi upor in maksimiranje op-amp-a ne bo povzročilo neprijetnih napetosti v blazinicah.

4. korak: Instrumentacijski ojačevalnik

Naslednja faza je instrumentacijski ojačevalnik (in-amp), ki meri napetost na telesu. Napetost na telesu niha okoli 0V, vendar AD5933 potrebuje vhodno napetost v pozitivnem območju. In-amp torej doda izmerjeni napetosti signal DC offset VDD/2.

Referenco VDD/2 generira delilnik napetosti. Uporabite lahko kateri koli vrednostni upor, če sta enaka. Napetostni razdelilnik je ločen od impedance preostalega vezja. Izhod sledilnika napetosti se nato lahko posreduje tako v ojačevalnik kot v ojačevalnik s transprevodnostjo.

5. korak: Vhodna stopnja in kalibracija

Vhodna stopnja AD5933 vsebuje op-amp v konfiguraciji negativnih povratnih informacij. Obstajata dva upora: eden zaporedno (Rin) in eden vzporedno (RFB). Dobiček op-amp je podan z

A = - RFB / Rin

Dobički vhodnega op-amp in vhodnega ojačevalnika (in PGA) morajo zagotoviti, da je signal, ki gre v ADC AD5933, vedno znotraj 0V in VDD.

(Uporabljam vrednosti ojačevalnika ojačanja in upora upora, ki dajo približno A = 0,5)

Znotraj AD5933 bo ADC pretvoril napetostni signal v a v digitalni signal. Napetostno območje od 0V do VDD se pretvori v digitalno območje 0-128 (2^7). (Dokumentacija o tem ni jasna, vendar natančen pregled ploskev v [1] in nekaj poskusov z moje strani to potrjuje.)

Znotraj modula DFT je še eno merjenje 256 (1024/4, glej [1]), preden se rezultat shrani v realni in namišljeni register.

Sledenje napetostnemu signalu skozi AFE v ADC in uporabo prej omenjenih faktorjev lestvice je mogoče oceniti faktor dobička:

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

nekaj umerjanja je morda še vedno potrebno, zato upoštevajte nekatere učinke, ki niso del tega matematičnega modela, zato prosimo, da izmerite resnično vrednost dobička z merjenjem komponent znane impedance, kot so upori. (g = Z / mag, glej spodaj)

Impedanco lahko zdaj izračunamo po

Z = g * mag

mag = sqrt (realno^2 + namišljeno^2)

PA = arctan2 (resnično, namišljeno) - deltaPA

PA je verjetno treba umeriti, prav tako pa obstaja sistematičen fazni premik kot funkcija frekvence v AD5933. deltaPA bo verjetno neka linearna funkcija frekvence.

Odpornost in upornost lahko zdaj izračunamo z

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Reference: [1] Leonid Matsiev, "Izboljšanje učinkovitosti in vsestranskosti sistemov na podlagi enofrekvenčnih detektorjev DFT, kot je AD5933", Elektronika 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika4010001

6. korak: Napredne stvari: Spektralno puščanje (DC)

Signal, ki ga dajemo v AD5933, je napetost/tok kot funkcija časa, vendar je naš glavni interes impedanca kot frekvenčna funkcija. Za pretvorbo med časovno in frekvenčno domeno moramo vzeti Fourierjevo transformacijo signala časovne domene. AD5933 ima vgrajen modul diskretne Fourierjeve transformacije (DFT). Pri nizkih frekvencah (pod približno 10 kHz) na gradnjo DFT vplivajo vzporedni učinki in spektralna puščanja. V [1] je preučil matematiko, kako popraviti spektralno puščanje. Bistvo tega je izračunati pet (plus dve) konstanti za vsak frekvenčni korak v pometanju. To je mogoče enostavno narediti npr. s programsko opremo Arduino.

Uhajanje prihaja v dveh oblikah: puščanje enosmernega toka, ki je po naravi aditivno, in puščanje AC, ki je po naravi multiplikativno.

Uhajanje enosmernega toka izhaja iz dejstva, da napetostni signal na ADC ne niha okoli 0V, ampak okoli VDD/2. Nivo enosmernega toka VDD/2 mora ustrezati digitalnemu odčitku enosmernega toka približno 64 (označeno kot delta v [1]).

Koraki za odpravo spektralnega puščanja enosmernega toka:

1) Izračunajte faktor ovojnice E za trenutno frekvenco.

2) Izračunajte dva faktorja dobička GI (realno) in GQ (namišljeno)

3) Odštejte delta * GI od vrednosti realnega registra in delta * GQ od vrednosti imaginarnega registra

Reference:

[1] Leonid Matsiev, "Izboljšanje zmogljivosti in vsestranskost sistemov na podlagi

Enofrekvenčni detektorji DFT, kot je AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Enostaven merilnik impedance širokega frekvenčnega območja na podlagi integriranega vezja AD5933", Metrol. Meri. Syst., Letn. XXII (2015), št. 1, str. 13–24.

7. korak: Napredne stvari: Spektralno puščanje (AC)

Tako kot puščanje enosmernega toka se lahko uhajanje izmeničnega toka matematično popravi. V [1] se upor in reaktanca imenujeta A*cos (phi) oziroma A*sin (phi), kjer A ustreza velikosti impedance in phi ustreza faznemu kotu (PA).

Koraki za odpravo spektralnega puščanja AC:

1) Izračunajte faktor ovojnice E (ne enak kot pri enosmernem toku) za trenutno frekvenco.

2) Izračunajte tri faktorje a, b in d. (približne vrednosti pri višjih frekvencah: a = d = 256 in b = 0)

3) Odpornost (Acos (phi)) in reaktanco (Asin (phi)) je zdaj mogoče izračunati v digitalnih enotah

Reference: [1] Leonid Matsiev, "Izboljšanje učinkovitosti in vsestranskosti sistemov na podlagi enofrekvenčnih detektorjev DFT, kot je AD5933", Elektronika 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Enostaven merilnik impedance širokega frekvenčnega območja na podlagi integriranega vezja AD5933", Metrol. Meri. Syst., Letn. XXII (2015), št. 1, str. 13–24.

8. korak: Napredne stvari: teoretični faktor dobička

Glede na matematično modeliranje DFT bi moralo biti mogoče tudi matematično modelirati celoten AFE. Matematično lahko napetostni signal opišemo s sinusno funkcijo z določeno fiksno frekvenco, enosmernim odmikom in nihanjem izmeničnega toka z najvišjo amplitudo. Frekvenca se med frekvenčnim korakom ne spreminja. Ker faktor povečanja le spreminja velikost impedance in ne PA, nas tukaj ne bo skrbel noben fazni premik, ki ga povzroči signal.

Tu je kratek povzetek napetostnega signala, ki se širi po AFE:

1) Po stopnji ponovne pristranskosti je amplituda izmeničnega toka še vedno Upeak = 1,5 V (1 V pri VDD = 3,3 V), DC odmik pa je bil spremenjen v VDD/2.

2) V trenutnem zaznavalnem uporu je napetost še vedno enaka kot prejšnja stopnja …

3) … vendar zaradi nihajne napetosti op-amp-a nihanja AC imajo velikost Z*Upeak/Rcurrent. (Odmik enosmernega toka se izklopi z referenčno napetostjo op -amperov VDD/2 - točka vrtenja kladiva - in postane močna ozemljitev v tem delu vezja)

4) Enota v ojačevalniku doda DC odmik VDD/2 nazaj in signal posreduje na vhodno stopnjo AD5933

5) Op-amp na vhodni stopnji ima ojačanje A = -RFB/Rin, zato amplituda izmeničnega toka postane (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

6) Tik pred ADC -jem je nastavljiv ojačevalnik ojačanja (PGA) z dvema nastavitvama dobička 1 ali 5. Napetostni signal na ADC -ju torej postane: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

ADC pretvori signal v (t) v digitalni signal x (t) = u (t) / VDD * 2^7 z 12 -bitno natančnostjo.

Velikost A je povezana z impedanco Z s faktorjem dobička k kot A = k * Z in ima približno vrednost k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

Če želite delati s faktorjem povečanja, namesto tega g = 1 / k in Z = g * A.

9. korak: Napredne stvari: PA Shift

V [2] najdejo sistematičen premik PA kot funkcijo frekvence. To je posledica časovne zakasnitve med DAC, kjer nastane vzbujalni signal, in DFT, kjer je treba prihajajoči signal zviti z odhodnim signalom.

Za premik je značilno število urnih ciklov, v katerih signal zamuja med DAC in DFT znotraj AD5933.

Reference: [1] Leonid Matsiev, "Izboljšanje učinkovitosti in vsestranskosti sistemov na podlagi enofrekvenčnih detektorjev DFT, kot je AD5933", Elektronika 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Enostaven merilnik impedance širokega frekvenčnega območja na podlagi integriranega vezja AD5933", Metrol. Meri. Syst., Letn. XXII (2015), št. 1, str. 13–24.