ავტომატური ეკგ: გამაძლიერებელი და ფილტრაციის სიმულაციები LTspice– ის გამოყენებით: 5 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:15

ეს არის საბოლოო მოწყობილობის სურათი, რომელსაც თქვენ ააშენებთ და ძალიან ღრმა დისკუსია თითოეულ ნაწილზე. ასევე აღწერს გამოთვლებს თითოეული ეტაპისთვის.

სურათი გვიჩვენებს ბლოკის დიაგრამას ამ მოწყობილობისთვის

მეთოდები და მასალები:

ამ პროექტის მიზანი იყო სიგნალის მოპოვების მოწყობილობის შემუშავება კონკრეტული ბიოლოგიური სიგნალის დასახასიათებლად/სიგნალზე შესაბამისი მონაცემების შეგროვების მიზნით. უფრო კონკრეტულად, ავტომატური ეკგ. ფიგურა 3 -ში ნაჩვენები ბლოკ -დიაგრამა ხაზს უსვამს მოწყობილობისთვის შემოთავაზებულ სქემატურს. მოწყობილობა მიიღებს ბიოლოგიურ სიგნალს ელექტროდის საშუალებით და შემდეგ გააძლიერებს მას გამაძლიერებლის გამოყენებით 1000 -ით. ეს გაძლიერება აუცილებელია ვინაიდან ბიოლოგიური სიგნალი იქნება ნაკლები 5mV- ზე, რაც ძალიან მცირეა და მისი ინტერპრეტაცია ძნელია [5]. ამის შემდეგ, ხმაური შემცირდება bandpass ფილტრის გამოყენებით, რათა მივიღოთ სასურველი სიხშირის დიაპაზონი სიგნალისთვის, 0.5-150 Hz, შემდეგ კი იქნება მაღალი დონის მოცილება, რათა ამოიღოს ნორმალური მიმდებარე ხმაური, გამოწვეული ელექტროგადამცემი ხაზებით, რომელიც ნაპოვნია დაახლოებით 50-60 Hz. [11]. დაბოლოს, სიგნალი უნდა გადაკეთდეს ციფრულზე, რათა მისი ინტერპრეტაცია მოხდეს კომპიუტერის გამოყენებით და ეს კეთდება ანალოგიურ ციფრულ გადამყვანთან ერთად. ამ კვლევაში, აქცენტი, უპირველეს ყოვლისა, გამაძლიერებელზე, გამტარ ფილტრზე და მაღალი დონის ფილტრზე იქნება.

გამაძლიერებელი, ზოლებიანი ფილტრი და მაღალი დონის ფილტრი შექმნილია და მოდელირებულია LTSpice– ის გამოყენებით. თითოეული სექცია ჯერ ცალკე იყო შემუშავებული და გამოცდილი, რათა დავრწმუნდეთ, რომ ისინი სწორად ასრულებენ და შემდეგ გაერთიანდნენ ერთ საბოლოო სქემატურ ფორმაში. გამაძლიერებელი, რომელიც ჩანს ფიგურაში 4, შემუშავებულია და დაფუძნებულია ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის საფუძველზე. ინსტრუმენტული გამაძლიერებელი ჩვეულებრივ გამოიყენება ეკგ-ში, ტემპერატურის მონიტორებში და მიწისძვრის დეტექტორებშიც კი, რადგან მას შეუძლია სიგნალის ძალიან დაბალი დონის გაძლიერება ზედმეტი ხმაურის უარყოფისას. ასევე ძალიან ადვილია მოდიფიცირება, რათა მოერგოს ნებისმიერ მოგებას, რაც საჭიროა [6]. მიკროსქემისათვის სასურველი მოგება არის 1000 და ეს შეირჩა მას შემდეგ, რაც ელექტროდიდან შესასვლელი იქნება AC სიგნალი 5 მვ -ზე ნაკლები [5] და საჭიროებს გაძლიერებას, რათა მოხდეს მონაცემების ინტერპრეტაცია. 1000 -ის მოგების მისაღებად გამოყენებულ იქნა განტოლება (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) რამაც გამოიმუშავა მოგება = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. იმისათვის, რომ დადასტურდეს სწორი რაოდენობის გამაძლიერებელი, ჩატარდა გარდამავალი ტესტი LTspice– ის გამოყენებით.

მეორე ეტაპი იყო bandpass ფილტრი. ეს ფილტრი ჩანს მე -5 ფიგურაში და შედგება დაბალი და შემდეგ მაღალი გამავლობის ფილტრისგან, რომელსაც აქვს ოპერატიული გამაძლიერებელი, რათა თავიდან აიცილოს ფილტრები ერთმანეთის გაუქმებისგან. ამ ეტაპის მიზანია წარმოქმნას სიხშირეების დიაპაზონი, რომელიც მისაღები იქნება მოწყობილობის გავლით. ამ მოწყობილობისთვის სასურველი დიაპაზონი არის 0.5-150 Hz, რადგან ეს არის ეკგ -ს სტანდარტული დიაპაზონი [6]. ამ სამიზნე დიაპაზონის მისაღწევად, განტოლება (2) შეწყვეტის სიხშირე = 1/(2πRC) იქნა გამოყენებული, რათა დადგინდეს შეწყვეტის სიხშირე როგორც მაღალი გამავლობის, ასევე დაბალი გავლის ფილტრისთვის. მას შემდეგ, რაც დიაპაზონის ქვედა ბოლო უნდა იყოს 0.5 ჰც, მაღალი გამტარობის ფილტრის რეზისტორისა და კონდენსატორის მნიშვნელობები გამოითვლება 0.5 ჰც = 1/(2π*1000Ω*318.83µF) და ზედა ბოლოში 150 ჰც, დაბალი გავლის ფილტრის რეზისტორისა და კონდენსატორის მნიშვნელობები გამოითვლება 150 ჰც = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). იმისათვის, რომ დადასტურდეს, რომ მიღწეულია სიხშირის სწორი დიაპაზონი, AC გაწმენდა ჩატარდა LTspice– ის გამოყენებით.

მესამე და ბოლო იმიტირებული ეტაპი არის მაღალი დონის ფილტრი და ის ნაჩვენებია ფიგურაში 6. მაღალი დონის ფილტრი ემსახურება როგორც არასასურველი ხმაურის აღმოფხვრის საშუალებას, რომელიც წარმოიქმნება სარქველების მიერ სასურველი სიხშირის დიაპაზონის შუაგულში. ამ შემთხვევაში სამიზნე სიხშირეა 60 ჰერცი, რადგან ეს არის სტანდარტული ელექტროგადამცემი ხაზის სიხშირე შეერთებულ შტატებში და იწვევს ჩარევას, თუ არ იქნა დამუშავებული [7]. ამ ჩარევის გადასაჭრელად შერჩეული მაღალი დონის ფილტრი იყო ორსართულიანი ფილტრი ორი ოპ ამპერით და ძაბვის გამყოფი. ეს საშუალებას მისცემს სიგნალს არა მხოლოდ გაფილტროს სიგნალი პირდაპირ სამიზნე სიხშირეზე, არამედ შეიტანოს ცვლადი უკუკავშირი სისტემაში, რეგულირებადი ხარისხის ფაქტორი Q და ცვლადი გამომუშავება ძაბვის გამყოფის წყალობით და, შესაბამისად, ეს გახადოს აქტიური ფილტრი ნაცვლად პასიური [8]. თუმცა ეს დამატებითი ფაქტორები უმეტესად ხელუხლებელი დარჩა საწყის ტესტებში, მაგრამ შეხება იქნება მომავალ სამუშაოებში და როგორ გავაუმჯობესოთ პროექტი შემდგომში. უარყოფის სიხშირის ცენტრის დასადგენად, განტოლება (3) ცენტრის უარყოფის სიხშირე = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4)))) = 1/(2π)* 1 (1/[(0.1*10^-6µF)*(0.1*10^-6µF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 ჰც იმისათვის, რომ დადასტურდეს, რომ მიღწეულია სწორი უარყოფის სიხშირე, AC გაწმენდა ჩატარდა LTspice– ის გამოყენებით.

საბოლოოდ, მას შემდეგ, რაც თითოეული ეტაპი ცალკე იქნა შემოწმებული, სამი საფეხური გაერთიანდა, როგორც ნაჩვენებია ფიგურაში 7. ასევე უნდა აღინიშნოს, რომ ყველა ამპ ამპერი აღჭურვილი იყო +15V და -15V DC დენის წყლით, რათა შესაძლებელი გაეხადა მნიშვნელოვანი გამაძლიერებელი მოხდეს საჭიროების შემთხვევაში. შემდეგ ორივე გარდამავალი ტესტი და AC გაწმენდა შესრულდა დასრულებულ წრეზე.

შედეგები:

თითოეული ეტაპის გრაფიკები შეგიძლიათ იხილოთ უშუალოდ მის შესაბამის საფეხურზე, დანართში ფიგურის განყოფილებაში. პირველი ეტაპისთვის, ინსტრუმენტული გამაძლიერებელი, გარდამავალი გამოცდა ჩაუტარდა წრედს, რათა შეემოწმებინა, რომ გამაძლიერებლის მომატება იყო 1000. ტესტი მიმდინარეობდა 1 - 1.25 წამში, მაქსიმალური დროის საფეხურით 0.05. მიწოდებული ძაბვა იყო AC სინუსური ტალღა 0,005 V ამპლიტუდით და 50 Hz სიხშირით. მოსალოდნელი მოგება იყო 1000 და როგორც ჩანს ფიგურა 4 -ში, ვინაიდან Vout (მწვანე მრუდი) ჰქონდა ამპლიტუდა 5V. იმიტირებული მოგება გამოითვლება, რომ იყოს, მოგება = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. მაშასადამე, პროცენტული შეცდომა ამ ეტაპზე არის 0%. 0.005V შეირჩა ამ მონაკვეთის შესასვლელად, რადგან ის მჭიდროდ იქნება დაკავშირებული ელექტროდიდან მიღებულ შეყვანასთან, როგორც ეს ნახსენებია მეთოდების განყოფილებაში.

მეორე ეტაპი, bandpass ფილტრი, ჰქონდა სამიზნე დიაპაზონი 0.5 - 150 Hz. იმისათვის, რომ შეამოწმოთ ფილტრი და დარწმუნდეთ, რომ დიაპაზონი ემთხვევა, ათწლეულის განმავლობაში, AC გაწმენდა ჩატარდა 100 ქულით ათწლეულში 0.01 - 1000 Hz– დან. სურათი 5 გვიჩვენებს AC გაწმენდის შედეგებს და ადასტურებს, რომ მიღწეულია სიხშირის დიაპაზონი 0.5-150 Hz, რადგან მაქსიმალური მინუს 3 dB იძლევა შეწყვეტის სიხშირეს. ეს მეთოდი ასახულია გრაფიკში.

მესამე ეტაპი, მაღალი დონის ფილტრი, შექმნილია 60 ჰც -ის გარშემო აღმოჩენილი ხმაურის აღმოსაფხვრელად. უარყოფის სიხშირის გამოთვლილი ცენტრი იყო H 56 ჰერცი. ამის დასადასტურებლად, ათწლეულის განმავლობაში, AC გაწმენდა ჩატარდა 100 ქულით ათწლეულში 0.01 - 1000 ჰერციდან. სურათი 6 გვიჩვენებს AC გაწმენდის შედეგებს და ასახავს უარყოფის სიხშირის ცენტრს ~ 56-59 Hz. ამ მონაკვეთის პროცენტული შეცდომა იქნება 4.16 %.

მას შემდეგ, რაც დადასტურდა, რომ თითოეული ეტაპი მუშაობს, სამი ეტაპი შემდეგ შეიკრიბა, როგორც ნაჩვენებია ფიგურაში 7. შემდეგ ჩატარდა გარდამავალი ტესტი, რათა შემოწმებულიყო მიკროსქემის გამაგრება და გამოცდა 1 - 1.25 წამიდან, მაქსიმალური დროის საფეხურით 0.05 მიეწოდება AC სინუსური ტალღის ამპლიტუდა 0.005 V და სიხშირე 50 Hz. დიაგრამა არის პირველი გრაფა ფიგურაში 7 გვიჩვენებს Vout3 (წითელი), მთლიანი წრის გამომავალი 3.865 V და, შესაბამისად, ზრდის = 3.865V/0.005V = 773. ეს მნიშვნელოვნად განსხვავდება 1000 -დან და იძლევა შეცდომას 22,7%. გარდამავალი ტესტის შემდეგ, ათწლეულის განმავლობაში, AC გაწმენდა მიმდინარეობდა 100 ქულით ათწლეულში 0.01 - 1000 Hz– მდე და აიღო მეორე გრაფიკი ფიგურაში 7. ეს დიაგრამა ხაზს უსვამს დანიშნულ შედეგებს და აჩვენებს ფილტრებს, რომლებიც მუშაობენ პარალელურად ფილტრის შესაქმნელად. იღებს სიხშირეებს 0.5-150 ჰერციდან, უარყოფის ცენტრით 57.5-58.8 ჰერცამდე.

განტოლებები:

(1) - ინსტრუმენტული გამაძლიერებლის მომატება [6], რეზისტორები შედარებით მე -4 სურათზე ნაპოვნი.

(2) - შეწყვეტის სიხშირე დაბალი/მაღალი გავლის ფილტრისთვის

(3) - ორმაგი t დონის ფილტრისთვის [8], რეზისტორები შედარებით მე -6 სურათზე ნაპოვნი.

ნაბიჯი 1: ინსტრუმენტული გამაძლიერებელი

ეტაპი 1: ინსტრუმენტული გამაძლიერებელი

განტოლება - მოგება = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3)

ნაბიჯი 2: Bandpass

ეტაპი 2: ბენდის ფილტრი

განტოლება: შეწყვეტის სიხშირე = 1/2πRC

ნაბიჯი 3: ეტაპი 3: მაღალი დონის ფილტრი

ეტაპი 3: Twin T Notch ფილტრი

განტოლება - ცენტრის უარყოფის სიხშირე = 1/2π (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

ნაბიჯი 4: ყველა ეტაპის საბოლოო სქემა ერთად

საბოლოო სქემა AC გაწმენდისა და გარდამავალი მოსახვევებით

ნაბიჯი 5: მოწყობილობის განხილვა

დისკუსია:

ზემოთ ჩატარებული ტესტების შედეგი წავიდა ისე, როგორც მოსალოდნელი იყო მთლიანი წრისთვის. მიუხედავად იმისა, რომ გამაძლიერებელი არ იყო სრულყოფილი და სიგნალი ოდნავ გაუარესდა რაც უფრო გადიოდა წრეში (რაც ჩანს დიაგრამა 7 -ში, გრაფიკი 1 სადაც სიგნალი გაიზარდა 0.005V– დან 5V– მდე პირველი ეტაპის შემდეგ და შემდეგ შემცირდა 4V– მდე მეორის შემდეგ და შემდეგ 3.865V ფინალური ეტაპის შემდეგ), გადასალახი და მაღალი დონის ფილტრი მუშაობდა დანიშნულებისამებრ და წარმოქმნიდა სიხშირის დიაპაზონს 0.5-150 Hz სიხშირის მოხსნით დაახლოებით 57.5-58.8 Hz.

მას შემდეგ, რაც დავადგინე ჩემი მიკროსქემის პარამეტრები, მე მას შევადარებ ორ სხვა ეკგ -ს. უფრო პირდაპირი შედარება მხოლოდ ციფრებთან შეგიძლიათ ნახოთ ცხრილში 1. იყო სამი ძირითადი მოსაზრება ჩემი მონაცემების ლიტერატურის სხვა წყაროებთან შედარებისას. პირველი ის იყო, რომ ჩემს წრეში გაძლიერება მნიშვნელოვნად დაბალი იყო, ვიდრე დანარჩენი ორი, რომელსაც მეც ვადარებდი. ორივე ლიტერატურული წყაროს სქემამ მიაღწია 1000 -ის გაძლიერებას და გავალის ეკგ -ში [9], სიგნალი კიდევ უფრო გაძლიერდა ფილტრის ეტაპზე 147 ფაქტორით. მაშასადამე, მიუხედავად იმისა, რომ სიგნალი ჩემს წრეში გაძლიერდა 773 -ით (22.7% შეცდომა სტანდარტულ გამაძლიერებელთან შედარებით) და საკმარისად ჩაითვალა, რომ შეეძლო ელექტროდიდან შემავალი სიგნალის ინტერპრეტაცია [6], ის მაინც ჯუჯღუნა სტანდარტულ გამაძლიერებელთან შედარებით 1000. თუკი ჩემს წრედში სტანდარტული გაძლიერება იქნებოდა მიღწეული, ინსტრუმენტულ გამაძლიერებელში გაძლიერება უნდა გაიზარდოს 1000 -ზე მეტ ფაქტორზე, ასე რომ, როდესაც მოგება მცირდება ჩემს წრეში თითოეული ფილტრის საფეხურის გავლის შემდეგ, მას მაინც აქვს მოგება მინიმუმ 1000 ან ფილტრები უნდა მორგდეს, რათა თავიდან აიცილოს უფრო მაღალი ძაბვის ვარდნის დონე.

მეორე მნიშვნელოვანი მიღწევა იყო ის, რომ სამივე სქემას ჰქონდა ძალიან მსგავსი სიხშირის დიაპაზონი. გავალის [9] ჰქონდა ზუსტად იგივე დიაპაზონი 0.5-150 ჰც, ხოლო გოას [10] ოდნავ უფრო ფართო დიაპაზონი 0.05-159 ჰც. გოას სქემას ჰქონდა ეს უმნიშვნელო შეუსაბამობა, რადგან ეს დიაპაზონი უფრო შეეფერებოდა მონაცემთა მოპოვების ბარათს, რომელიც გამოიყენებოდა მათ კონფიგურაციაში.

ბოლო მნიშვნელოვანი მიღწევა იყო განსხვავებები უარყოფის სიხშირეების ცენტრში, რომლებიც მიღწეულია მაღალი დონის ფილტრებით თითოეულ წრეში. გაოს და ჩემს წრეს ორივეს ჰქონდა სამიზნე 60 ჰც, ხაზის სიხშირის ხმაურის ჩახშობის მიზნით ელექტროგადამცემი ხაზები, ხოლო გავალის 50 ჰერცამდე. თუმცა, ეს შეუსაბამობა კარგია, რადგან მსოფლიოში მდებარეობიდან გამომდინარე, ელექტროგადამცემი ხაზის სიხშირე შეიძლება იყოს 50 ან 60 ჰც. ამრიგად, პირდაპირი შედარება მოხდა მხოლოდ გოას წრესთან, რადგან შეერთებულ შტატებში ელექტროგადამცემი ხაზის ჩარევა არის 60 ჰერცი [11]. პროცენტული შეცდომა არის 3.08%.