Otomatik EKG: LTspice Kullanarak Amplifikasyon ve Filtre Simülasyonları: 5 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Bu, inşa edeceğiniz son cihazın resmi ve her bir parça hakkında çok derinlemesine bir tartışma. Ayrıca her aşama için hesaplamaları açıklar.

Resim, bu cihazın blok şemasını gösterir

Yöntemler ve Malzemeler:

Bu projenin amacı, belirli bir biyolojik sinyali karakterize etmek/sinyalle ilgili verileri toplamak için bir sinyal toplama cihazı geliştirmekti. Daha spesifik olarak, otomatik bir EKG. Şekil 3'te gösterilen blok diyagram, cihaz için önerilen şemayı vurgulamaktadır. Cihaz biyolojik sinyali bir elektrot aracılığıyla alacak ve daha sonra 1000 kazançlı bir amplifikatör kullanarak yükseltecektir. Biyolojik sinyal yaklaşık 5mV'de daha az olacağından bu amplifikasyon gereklidir, bu çok küçük ve yorumlanması zor olabilir [5]. Daha sonra, sinyal için istenen frekans aralığı olan 0,5-150 Hz'i elde etmek için bir bant geçiren filtre kullanılarak gürültü azaltılacak ve ardından 50-60 Hz civarında bulunan enerji hatlarının neden olduğu normal çevre gürültüsünü ortadan kaldırmak için bir çentik takip edilecektir. [11]. Son olarak, bir bilgisayar kullanılarak yorumlanabilmesi için sinyalin dijitale dönüştürülmesi gerekir ve bu bir analogdan dijitale dönüştürücü ile yapılır. Ancak bu çalışmada, öncelikle amplifikatör, bant geçiren filtre ve notch filtresi üzerinde durulacaktır.

Amplifikatör, bant geçiren filtre ve notch filtresinin tümü LTSpice kullanılarak tasarlanmış ve simüle edilmiştir. Her bölüm önce ayrı ayrı geliştirildi ve düzgün çalıştıklarından emin olmak için test edildi ve ardından son bir şemada birleştirildi. Şekil 4'te görülebilen amplifikatör, enstrümantasyonel bir amplifikatörden tasarlanmış ve temel alınmıştır. Bir enstrümantasyon amplifikatörü, aşırı gürültüyü reddederken çok düşük bir sinyali yükseltebildiğinden, EKG'lerde, sıcaklık monitörlerinde ve hatta deprem dedektörlerinde yaygın olarak kullanılır. Ayrıca, hangi kazanıma ihtiyaç duyulursa ayarlanabilmesi için değiştirilmesi de çok kolaydır [6]. Devre için istenen kazanç 1000'dir ve elektrottan gelen giriş 5 mV'den düşük bir AC sinyali olacağından [5] ve verilerin yorumlanmasını kolaylaştırmak için yükseltilmesi gerektiğinden bu seçilmiştir. 1000 kazanç elde etmek için, (1) KAZANIM=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3) denklemi kullanıldı ve bu nedenle KAZANIM=(1+(5000Ω+5000Ω)/101.01Ω verdi.)(1000Ω/100Ω) = 1000. Doğru amplifikasyon miktarının elde edildiğini doğrulamak için LTspice kullanılarak bir geçici test yapıldı.

İkinci aşama bir bant geçiren filtredir. Bu filtre Şekil 5'te görülebilir ve filtrelerin birbirini iptal etmesini önlemek için aralarında işlemsel yükselteç bulunan bir alçak geçiren ve ardından bir yüksek geçiren filtreden oluşur. Bu aşamanın amacı, cihazdan geçmesi kabul edilebilir bir dizi frekans üretmektir. Bu cihaz için istenen aralık, EKG için standart aralık olduğundan 0,5 – 150 Hz'dir [6]. Bu hedef aralığı elde etmek için, bant geçişi içindeki hem yüksek geçiş hem de düşük geçiş filtresi için kesim frekansını belirlemek için denklem (2) kesim frekansı = 1/(2πRC) kullanılmıştır. Aralığın alt ucunun 0,5 Hz olması gerektiğinden, yüksek geçiren filtre direnci ve kapasitör değerleri 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318.83µF) ve üst ucun 150 Hz olması gerektiği için düşük olan değer hesaplanmıştır. geçiş filtresi direnci ve kapasitör değerleri 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF) olarak hesaplanmıştır. Doğru frekans aralığına ulaşıldığını doğrulamak için LTspice kullanılarak bir AC taraması çalıştırıldı.

Simüle edilen üçüncü ve son aşama, çentik filtresidir ve Şekil 6'da görülebilir. Çentik filtresi, bant geçişi tarafından oluşturulan istenen frekans aralığının ortasında oluşan istenmeyen gürültüyü ortadan kaldırmak için bir araç olarak hizmet eder. Bu durumda hedef frekans 60 Hz'dir çünkü bu Amerika Birleşik Devletleri'ndeki standart güç hattı frekansıdır ve ele alınmadığı takdirde girişime neden olur [7]. Bu girişimin üstesinden gelmek için seçilen çentik filtresi, iki op amper ve bir voltaj bölücü içeren bir ikiz t çentik filtresiydi. Bu, sinyalin yalnızca hedef frekanstaki sinyali doğrudan filtrelemesine değil, aynı zamanda sisteme değişken bir geri besleme, ayarlanabilir bir kalite faktörü Q ve voltaj bölücü sayesinde değişken çıkış getirmesine ve dolayısıyla bunu aktif bir filtre haline getirmesine olanak tanır. pasif [8]. Bununla birlikte, bu ekstra faktörlere ilk testlerde çoğunlukla dokunulmadı, ancak gelecekteki çalışmalarda ve projenin nasıl iyileştirileceğine daha sonra değinilecektir. Reddetme frekansının merkezini belirlemek için, denklem (3) merkez reddetme frekansı=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 kullanıldı. Doğru reddetme frekansına ulaşıldığını doğrulamak için LTspice kullanılarak bir AC taraması çalıştırıldı.

Son olarak, her aşama ayrı ayrı test edildikten sonra, Şekil 7'de görüldüğü gibi üç aşama birleştirildi. gerektiğinde gerçekleşmesi. Ardından, tamamlanmış devre üzerinde hem bir geçici durum testi hem de bir AC taraması gerçekleştirildi.

Sonuçlar:

Her aşama için grafikler, ekteki Şekil bölümünde doğrudan ilgili aşamanın altında bulunabilir. İlk aşama olan enstrümantasyonel amplifikatör için, amplifikatör kazancının 1000 olduğundan emin olmak için devre üzerinde bir geçici rejim testi yapıldı. Test, maksimum 0,05 zaman adımı ile 1 – 1.25 saniye arasında çalıştı. Sağlanan voltaj, 0,005 V genliğe ve 50 Hz frekansa sahip bir AC sinüs dalgasıydı. Amaçlanan kazanç 1000'di ve Şekil 4'te görüldüğü gibi, Vout (yeşil eğri) 5V'luk bir genliğe sahip olduğundan. Simüle edilen kazanç, kazanç = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000 olarak hesaplanmıştır. Bu nedenle, bu aşama için yüzde hata %0'dır. Yöntemler bölümünde belirtildiği gibi bir elektrottan alınan girişle yakından ilgili olacağından bu bölüm için giriş olarak 0.005V seçilmiştir.

İkinci aşama olan bant geçiren filtre 0,5 – 150 Hz hedef aralığına sahipti. Filtreyi test etmek ve aralığın eşleştiğinden emin olmak için, on yıl boyunca, AC taraması 0,01 – 1000 Hz'den on yılda 100 nokta ile çalıştırıldı. Şekil 5, AC taramasından elde edilen sonuçları gösterir ve maksimum eksi 3 dB kesme frekansını verdiği için 0,5 ila 150 Hz'lik bir frekans aralığına ulaşıldığını doğrular. Bu yöntem grafikte gösterilmiştir.

Üçüncü aşama, notch filtresi, 60 Hz civarında bulunan gürültüyü ortadan kaldırmak için tasarlanmıştır. Hesaplanan reddetme frekansı merkezi ~56 Hz idi. Bunu doğrulamak için, on yıllık bir AC taraması, 0,01 – 1000 Hz arasında on yılda 100 nokta ile çalıştırıldı. Şekil 6, AC taramasından elde edilen sonuçları gösterir ve ~56-59 Hz'lik bir reddetme frekansı merkezini gösterir. Bu bölüm için yüzde hata %4,16 olacaktır.

Her bir aşamanın çalıştığı doğrulandıktan sonra, üç aşama Şekil 7'de görüldüğü gibi birleştirildi. Daha sonra devrenin amplifikasyonunu kontrol etmek için bir geçici test yapıldı ve test 1 – 1.25 saniye arasında ve maksimum 0.05'lik bir zaman adımı ile gerçekleştirildi. 0,005 V genliğe ve 50 Hz frekansa sahip bir AC sinüs dalgasının sağlanan voltajı. Ortaya çıkan grafik, Şekil 7'deki ilk grafiktir, tüm devrenin çıktısı olan Vout3'ü (kırmızı) 3.865 V olarak gösterir ve bu nedenle kazancı = 3.865V/0.005V = 773 yapar. Bu, 1000'lik amaçlanan kazançtan önemli ölçüde farklıdır. ve %22.7 hata veriyor. On yıllık geçici testten sonra, AC taraması 0,01 – 1000 Hz arasında on yılda 100 nokta ile çalıştırıldı ve Şekil 7'deki ikinci grafiği oluşturdu. Bu grafik amaçlanan sonuçları vurgular ve filtre üretmek için birlikte çalışan filtreleri gösterir. 57.5-58.8 Hz'lik bir reddetme merkezi ile 0,5-150 Hz arasındaki frekansları kabul eder.

denklemler:

(1) - enstrümantasyon yükselticisinin kazancı [6], dirençler Şekil 4'te bulunanlara göre.

(2) – düşük/yüksek geçiş filtresi için kesme frekansı

(3) – ikiz t çentik filtresi [8] için, Şekil 6'da bulunanlara göre dirençler.

Adım 1: Enstrümantasyonel Amplifikatör

Aşama 1: enstrümantal amplifikatör

denklem - KAZANÇ=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3)

2. Adım: Bant Geçidi

2. aşama: bant geçiren filtre

denklem: kesme frekansı= 1/2πRC

Adım 3: Aşama 3: Çentik Filtresi

Aşama 3: İkiz T Çentik filtresi

denklem - merkez reddetme frekansı=1/2π √(1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Adım 4: Birlikte Tüm Aşamaların Son Şeması

ac süpürme ve geçici eğriler ile son şematik

Adım 5: Cihaz Tartışması

Tartışma:

Yukarıda yapılan testlerin sonucu, bir bütün olarak devre için beklendiği gibi gitti. Amplifikasyon mükemmel olmamasına ve sinyal devreden geçtikçe biraz bozulmasına rağmen (Şekil 7, grafik 1'de görülebilir, burada sinyal ilk aşamadan sonra 0,005V'den 5V'a yükselir ve ikinci aşamadan sonra 4V'a düşer) ve daha sonra son aşamadan sonra 3.865V), bant geçiren ve çentik filtresi amaçlandığı gibi çalıştı ve yaklaşık 57.5-58.8 Hz frekansın kaldırılmasıyla 0.5-150 Hz'lik bir frekans aralığı üretti.

Devrem için parametreleri belirledikten sonra diğer iki EKG ile karşılaştırdım. Sadece sayılarla daha doğrudan bir karşılaştırma Tablo 1'de bulunabilir. Verilerimi diğer literatür kaynaklarıyla karşılaştırırken üç ana çıkarım vardı. Birincisi, devremdeki amplifikasyonun da karşılaştırdığım diğer ikisinden önemli ölçüde düşük olmasıydı. Literatür kaynaklarının her iki devresi de 1000'lik bir amplifikasyon elde etti ve Gawali'nin EKG'sinde [9], sinyal filtre aşamasında 147 faktörü ile daha da güçlendirildi. Bu nedenle, devremdeki sinyal 773 (standart amplifikasyonla karşılaştırıldığında %22,7 hata) amplifiye edilmiş ve elektrottan gelen giriş sinyalini yorumlayabilecek kadar kabul edilmiş olsa da [6], standart amplifikasyona kıyasla hala cücedir. 1000. Devremde standart amplifikasyon elde edilecek olsaydı, enstrümantal amplifikatördeki amplifikasyonun 1000'den büyük bir faktöre yükseltilmesi gerekirdi, böylece devremdeki filtre aşamalarının her birinden geçtikten sonra kazanç düştüğünde, hala en az 1000'lik bir kazancı vardır veya daha yüksek voltaj düşüş seviyelerinin oluşmasını önlemek için filtrelerin ayarlanması gerekir.

İkinci büyük paket, üç devrenin de çok benzer frekans aralıklarına sahip olmasıydı. Gawali'nin [9] tam olarak aynı 0,5-150 Hz aralığına sahipken, Goa [10] biraz daha geniş bir 0,05-159 Hz aralığına sahipti. Goa'nın devresinde bu hafif farklılık vardı çünkü bu aralık, kurulumlarında kullanılan veri toplama kartına daha uygundu.

Son ana paket, her devredeki çentik filtreleri tarafından elde edilen reddetme frekanslarının merkezindeki farklılıklardı. Gao'nun ve benim devremin her ikisi de, Gawali'nin 50 Hz'e ayarlıyken, güç hatlarının neden olduğu hat frekansı gürültüsünü bastırmak için 60 Hz'lik bir hedefe sahipti. Ancak bu tutarsızlık iyidir, çünkü dünyadaki konuma bağlı olarak güç hattı frekansı 50 veya 60 Hz olabilir. Bu nedenle, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki güç hattı girişimi 60 Hz olduğu için sadece Goa'nın devresi ile doğrudan bir karşılaştırma yapıldı [11]. Yüzde hata %3,08'dir.