ბიო წინაღობის ანალიზი (BIA) AD5933: 9 საფეხურით

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:18

მე დაინტერესებული ვარ სხეულის შემადგენლობის გაზომვისათვის ბიო წინაღობის ანალიზატორის გაკეთებით და ჩემი შემთხვევითი ჩხრეკისას ვანდერბილტის უნივერსიტეტში ვიპოვე დიზაინი 2015 წლის ბიოსამედიცინო ინსტრუმენტების კლასიდან. მე ვიმუშავე დიზაინზე და ოდნავ გავაუმჯობესე. მინდა გაგიზიაროთ ჩემი დასკვნები. მიიღეთ ის, რისი გამოყენებაც შეგიძლიათ ამ "გასავლელიდან", თუ რაიმე გაუგებარია, გთხოვთ შემოგვთავაზოთ გაუმჯობესება. შეიძლება ოდესმე დავწერო ჩემი აზრი უფრო შეკრული სახით, მაგრამ ჯერჯერობით ვიმედოვნებ, რომ შეგიძლია გამოიყენო რასაც აქ ხედავ. (თუ ფიქრობთ, რომ ამის დაწერა და გაუმჯობესება შეგიძლიათ, მოგესალმებით)

ტედი

ეს დიზაინი შედგება AD5933 ჩიპისა და პერსონალური ანალოგური წინა ნაწილისგან (AFE) AD5933 კორპუსთან დასაკავშირებლად. AD5933 შემდეგ აკეთებს გაზომვას და შედეგების დამუშავება შესაძლებელია მიკროკონტროლის მიერ (მაგ. არდუინო).

თუ თქვენ გეგმავთ არდუინოს დენის წყაროს გამოყენებას, დარწმუნდით, რომ საოპერაციო და ინსტრუმენტული გამაძლიერებლები (ოპ-ამპერები და ამპერები) მხარს უჭერენ ეგრეთ წოდებულ "ერთჯერადი მიწოდების" ძაბვებს და აქვთ სარკინიგზო-სარკინიგზო მახასიათებლები.

(შემდგომში ვიყენებ 5V დენის წყაროს (არდუინოდან) და დიაპაზონის 1 პარამეტრს AD5933- ზე.)

ნაბიჯი 1: ხელახალი მიკერძოების ეტაპი

AFE– ის პირველი ნაწილი არის ხელახალი მიკერძოების ეტაპი. გამომავალი ძაბვის სიგნალი არ არის ცენტრში მიწოდების ძაბვის დიაპაზონის შუაგულში (VDD/2). ეს გამოსწორებულია კონდენსატორის გამოყენებით, რომელიც ბლოკავს სიგნალის DC ნაწილს და აგზავნის მას ძაბვის გამყოფის საშუალებით, რათა DC სიგნალი დაუბრუნდეს სიგნალს.

ორი ხელახალი მიკერძოების რეზისტორი შეიძლება იყოს ნებისმიერი მნიშვნელობა, სანამ ისინი ერთი და იგივეა. თავსახურის სპეციფიკური მნიშვნელობა ასევე არ არის მნიშვნელოვანი.

ხელახალი მიკერძოების ეტაპი მუშაობს მაღალი გამავლობის ფილტრის მსგავსად და, შესაბამისად, აქვს შეწყვეტის სიხშირე:

f_c = 1 / (2 * pi * (0.5 * R) * C)

დარწმუნდით, რომ შეწყვეტის სიხშირე რამდენიმე ათეული წლით დაბალია იმ მინიმალური სიხშირისა, რომლის გამოყენებას გეგმავთ. თუ თქვენ გეგმავთ 1 კჰც – ის გამოყენებას თქვენს აპლიკაციაში, თქვენ უნდა აირჩიოთ ქუდები და რეზისტორის მნიშვნელობები, რაც მოგცემთ შეწყვეტის სიხშირეს 1–10 ჰც – ის ბრძანებით.

ამ ეტაპის ბოლო ნაწილი არის op-amp, რომელიც შექმნილია ძაბვის მიმდევრად. ეს არის იმის უზრუნველსაყოფად, რომ რეზისტორის მნიშვნელობები არ ჩაერიოს მომდევნო ეტაპზე

ნაბიჯი 2: მიმდინარე მგრძნობიარე რეზისტორი

შემდეგი ეტაპის პირველი ნაწილი არის მიმდინარე მგრძნობიარე რეზისტორი. დენი ამ რეზისტორის მეშვეობით იქნება იგივე დენი, რომელსაც გამაძლიერებელი შეეცდება შეინარჩუნოს სხეულის მეშვეობით. დარწმუნდით, რომ დენი შეესაბამება IEC6060-1 უსაფრთხოების სტანდარტებს*:

ქვემოთ 1 კჰც სიხშირეზე დაშვებულია მაქსიმუმ 10 მიკროამპერი (RMS) სხეულის მეშვეობით. სიხშირეზე 1 კჰც -ზე ზემოთ შემდეგი განტოლება იძლევა მაქსიმალურ დასაშვებ დენს:

მაქსიმალური AC დენი <(მინიმალური სიხშირე kHz) * 10 მიკროამპერი (RMS)

კავშირი AC სიგნალის პიკის ამპლიტუდასა და მის RMS მნიშვნელობას შორის არის: პიკი = sqrt (2) * RMS. (10 microAmps RMS შეესაბამება 14 microAmps პიკის ამპლიტუდას)

Ohms კანონის გამოყენებით რეზისტორზე ჩვენ შეგვიძლია გამოვთვალოთ რეზისტორის მნიშვნელობა, რომელიც შეესაბამება უსაფრთხოების სტანდარტს. ჩვენ ვიყენებთ აღგზნების ძაბვას AD5933– დან და მაქსიმალური მიმდინარე მნიშვნელობას:

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

Მაგალითად. Range 1 პარამეტრის გამოყენებით Upeak = 3V / 2 = 1.5V (ან 1V @3.3V)

ზემოდან 14 microAmp პიკის მნიშვნელობის გამოყენებით ვიღებ რეზისტორის მნიშვნელობას მინიმუმ 107kOhms

წყაროები:

* ანალოგური მოწყობილობები: "ბიო-წინაღობის სქემის დიზაინი სხეულის დამცავი სისტემებისთვის"

ნაბიჯი 3: ტრანს გამტარობის გამაძლიერებელი

მას შემდეგ, რაც ახლანდელი სენსორული წინააღმდეგობა არსებობს op-amp უარყოფითი უკუკავშირის კონფიგურაციაში. ეს არის ეგრეთ წოდებული Load-in-the-Loop კონფიგურაცია. Op-amp- ის დადებითი შეყვანის ტერმინალი უკავშირდება VDD/2 ძაბვას. Op-amp ახლა შეეცდება შეცვალოს მისი გამომუშავება აღგზნების სიგნალის საპირისპირო მიმართულებით ისე, რომ უარყოფითი ტერმინალის ძაბვა უდრის VDD/2-ს. ეს გამოიწვევს ნახვის პოტენციალს, რომელიც უბიძგებს და უბიძგებს დენს სხეულში.

Op-amp– ის უარყოფითი ტერმინალიდან მიღებული დენი პრაქტიკულად ნულის ტოლია. მთელი დენი მიმდინარე სენსორული რეზისტორის მეშვეობით უნდა გადიოდეს სხეულში. ეს არის მექანიზმი, რომელიც ამ კონფიგურაციას ხდის ტრანს გამტარობის გამაძლიერებელს (მას ასევე უწოდებენ ძაბვის კონტროლირებადი დენის წყაროს, VCCS).

Op-amp- ს შეუძლია შეინარჩუნოს დენი მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ სხეულის წინაღობა არ არის ძალიან მაღალი. წინააღმდეგ შემთხვევაში op-amp- ის გამომუშავება მაქსიმალურად გაიზრდება მიწოდების ძაბვისას (0 ან 5 V). მაქსიმალური ძაბვის დიაპაზონი, რომელიც შეიძლება შენარჩუნდეს არის VDD/2 + Upeak (2.5 + 1.5V = 4V @ 5V მიწოდება). Op-amp- ის ძაბვის ზღვარი უნდა გამოაკლდეს ამ მნიშვნელობას, მაგრამ თუ op-amp- ს აქვს სარკინიგზო-სარკინიგზო მახასიათებლები, ეს იქნება მხოლოდ მცირე რაოდენობა. მაქსიმალური წინააღმდეგობა, რომელსაც op-amp შეუძლია მართოს არის:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(ჩემს კონფიგურაციაში Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, დიდი სურვილია დაფაროს სხეულის წინაღობის დიაპაზონი)

დამცავ რეზისტორს აქვს ძალიან დიდი მნიშვნელობა (1-1,5 MOhms) სხეულთან შედარებით (დაახლოებით 100kOhms) და ყველა ნორმალური ოპერაციისთვის ეს არ გამოიწვევს რაიმე შესამჩნევ დენს და პარალელური კავშირის წინაღობას დომინირებს სხეულის წინაღობა. თუ სხეულის წინაღობა უნდა გაიზარდოს (მაგალითად, ბალიშები იშლება), დენი შეიძლება გაიაროს რეზისტორში და op-amp- დან გამოსვლა არ შექმნის უსიამოვნო ძაბვებს ბალიშებში.

ნაბიჯი 4: ინსტრუმენტების გამაძლიერებელი

შემდეგი ეტაპი არის ინსტრუმენტის გამაძლიერებელი (in-amp), რომელიც ზომავს ძაბვას სხეულზე. ძაბვა მთელ სხეულში იცვლება 0V– ის გარშემო, მაგრამ AD5933– ს სჭირდება შეყვანის ძაბვა პოზიტიურ დიაპაზონში. ამ-ამპერი, შესაბამისად, დასძენს VDD/2-ის DC ოფსეტს გაზომილ ძაბვის სიგნალს.

VDD/2 მითითება წარმოიქმნება ძაბვის გამყოფის მიერ. ნებისმიერი მნიშვნელობის რეზისტორი შეიძლება გამოყენებულ იქნას მანამ, სანამ ისინი ერთნაირია. ძაბვის გამყოფი გამოყოფილია დანარჩენი მიკროსქემის წინაღობისგან ძაბვის მიმდევრით. ძაბვის მიმდევრის გამომუშავება შემდეგ შეიძლება გადაეგზავნოს როგორც გამაძლიერებელს, ასევე გამტარობის გამაძლიერებელს.

ნაბიჯი 5: შეყვანის ეტაპი და კალიბრაცია

AD5933– ის შეყვანის ეტაპი შეიცავს op-amp– ს უარყოფითი უკუკავშირის კონფიგურაციაში. არსებობს ორი რეზისტორი: ერთი სერიაში (Rin) და ერთი პარალელურად (RFB). Op-amp- ის მომატება მოცემულია

A = - RFB / Rin

შეყვანის op-amp და in-amp (და PGA) მიღწევებმა უნდა დარწმუნდეს რომ სიგნალი AD5933– ის ADC– ში შედის 0V და VDD ფარგლებში.

(მე ვიყენებ ერთიანობის მომატებას ამპერისა და რეზისტორის მნიშვნელობებში, რაც იძლევა დაახლოებით A = 0.5)

AD5933- ის შიგნით ADC გარდაქმნის ძაბვის სიგნალს ციფრულ სიგნალად. ძაბვის დიაპაზონი 0V– დან VDD– მდე გარდაიქმნება ციფრულ დიაპაზონში 0-128 (2^7). (დოკუმენტაცია არ არის ნათელი ამაზე, მაგრამ ნაკვეთების მჭიდრო გამოკვლევა [1] და ჩემი მხრიდან გარკვეული ექსპერიმენტები ამას ადასტურებს.)

DFT მოდულის შიგნით არის კიდევ 256 სკალირება (1024/4, იხ. [1]) სანამ შედეგი შეინახება რეალურ და წარმოსახვით რეესტრში.

ძაბვის სიგნალის მონიტორინგი AFE– ს მეშვეობით, ADC– ში და მანამდე ნახსენები მასშტაბური ფაქტორების გამოყენებით შესაძლებელია შეფასდეს მოგების ფაქტორი:

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

შესაძლოა გარკვეული კალიბრაცია მაინც იყოს საჭირო, რათა გავითვალისწინოთ ზოგიერთი ეფექტი, რომელიც არ შედის მათემატიკური მოდელის შემადგენლობაში, ასე რომ გთხოვთ გაზომოთ რეალური მოგების მნიშვნელობა ცნობილი წინაღობის კომპონენტების გაზომვით, როგორიცაა რეზისტორები. (g = Z / mag, იხ. ქვემოთ)

წინაღობა ახლა შეიძლება გამოითვალოს

Z = g * mag

mag = sqrt (რეალური^2 + წარმოსახვითი^2)

PA = arctan2 (რეალური, წარმოსახვითი) - deltaPA

სავარაუდოდ, PA უნდა იყოს დაკალიბრებული, ისევე როგორც სისტემატიური ფაზის ცვლა AD5933– ში სიხშირის ფუნქციის შესაბამისად. deltaPA ალბათ იქნება სიხშირის ზოგიერთი ხაზოვანი ფუნქცია.

ახლა წინააღმდეგობა და რეაქტიულობა შეიძლება გამოითვალოს

R = Z * cos (PA)

X = Z * ცოდვა (PA)

გამოყენებული ლიტერატურა: [1] ლეონიდ მაციევი, "სისტემების მუშაობის გაუმჯობესება და მრავალფეროვნება, რომელიც დაფუძნებულია ერთ სიხშირის DFT დეტექტორებზე, როგორიცაა AD5933", ელექტრონიკა 2015, 4, 1-34; დოი: 10.3390/ელექტრონიკა 4010001

ნაბიჯი 6: მოწინავე მასალა: სპექტრალური გაჟონვა (DC)

სიგნალი, რომელსაც ჩვენ AD5933– ში ვდებთ არის ძაბვა/დენი, როგორც დროის ფუნქცია, მაგრამ ჩვენი მთავარი ინტერესი არის წინაღობა, როგორც სიხშირის ფუნქცია. დროის დომენსა და სიხშირის დომენს შორის გადასაყვანად ჩვენ უნდა მივიღოთ დროის დომენის სიგნალის ფურიეს გარდაქმნა. AD5933– ს აქვს ჩამონტაჟებული დისკრეტული ფურიეს გარდაქმნის (DFT) მოდული. დაბალ სიხშირეზე (დაახლოებით 10 kHz– ზე ქვემოთ) DFT– ის აგებაზე გავლენას ახდენს ალიაზირება და სპექტრალური გაჟონვა. [1] -ში ის გაივლის მათემატიკას, თუ როგორ უნდა გამოსწორდეს სპექტრალური გაჟონვა. ამის არსი არის გამოთვალოთ ხუთი (პლუს ორი) მუდმივა თითოეული სიხშირის საფეხურზე. ეს ადვილად შეიძლება გაკეთდეს მაგ. Arduino– ს მიერ პროგრამულ უზრუნველყოფაში.

გაჟონვა ხდება ორი ფორმით: DC გაჟონვა, რომელიც დამატებით ხასიათს ატარებს და AC გაჟონვა, რომელიც მრავლდება ბუნებით.

DC გაჟონვა გამომდინარეობს იქიდან, რომ ძაბვის სიგნალი ADC– ში არ იცვლება 0V– ის გარშემო, არამედ VDD/2 – ის გარშემო. VDD/2– ის DC დონე უნდა შეესაბამებოდეს ციფრული DC კითხვისას დაახლოებით 64 – ს (მითითებულია დელტა [1] –ში).

ნაბიჯები DC სპექტრალური გაჟონვის გამოსასწორებლად:

1) გამოთვალეთ კონვერტი-ფაქტორი E მიმდინარე სიხშირისთვის.

2) გამოთვალეთ ორი მოგების ფაქტორი GI (რეალური) და GQ (წარმოსახვითი)

3) გამოაკლეთ დელტა * GI რეალური რეგისტრის მნიშვნელობიდან და დელტა * GQ წარმოსახვითი რეგისტრის ღირებულებიდან

წყაროები:

[1] ლეონიდ მაციევი,”სისტემების მუშაობის და მრავალფეროვნების გაუმჯობესება

ერთჯერადი სიხშირის DFT დეტექტორები, როგორიცაა AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] კონრად ჩაბოვსკი, ტომაშ პიასეცკი, ანჯეი ძერკა, კაროლ ნიჩი, "მარტივი ფართო სიხშირის დიაპაზონის წინაღობის მეტრი AD5933 ინტეგრირებულ წრეზე დაყრდნობით", მეტროლი. ზომები. სისტ., ტ. XXII (2015), No1, გვ. 13–24.

ნაბიჯი 7: მოწინავე მასალა: სპექტრალური გაჟონვა (AC)

DC გაჟონვის მსგავსად, AC გაჟონვა შეიძლება გამოსწორდეს მათემატიკურად. [1] –ში წინააღმდეგობას და რეაქტიულობას ეწოდება A*cos (phi) და A*sin (phi) შესაბამისად, სადაც A შეესაბამება წინაღობის სიდიდეს და phi შეესაბამება ფაზის კუთხეს (PA).

ნაბიჯები AC სპექტრალური გაჟონვის გამოსასწორებლად:

1) გამოთვალეთ კონვერტი-ფაქტორი E (არა იგივე, რაც DC– სთვის) მიმდინარე სიხშირისთვის.

2) გამოთვალეთ სამი ფაქტორი a, b და d. (სავარაუდო მნიშვნელობები უფრო მაღალ სიხშირეზე: a = d = 256 და b = 0)

3) წინააღმდეგობა (Acos (phi)) და რეაქტიულობა (Asin (phi)) ახლა შეიძლება გამოითვალოს ციფრულ ერთეულებში

გამოყენებული ლიტერატურა: [1] ლეონიდ მაციევი, "სისტემების მუშაობის გაუმჯობესება და მრავალფეროვნება დაფუძნებული ერთჯერადი სიხშირის DFT დეტექტორებზე, როგორიცაა AD5933", ელექტრონიკა 2015, 4, 1-34; დოი: 10.3390/ელექტრონიკა 4010001

[2] კონრად ჩაბოვსკი, ტომაშ პიასეცკი, ანჯეი ძერკა, კაროლ ნიჩი, "მარტივი ფართო სიხშირის დიაპაზონის წინაღობის მეტრი AD5933 ინტეგრირებულ წრეზე დაყრდნობით", მეტროლი. ზომები. სისტ., ტ. XXII (2015), No1, გვ. 13–24.

ნაბიჯი 8: მოწინავე მასალა: თეორიული მოგების ფაქტორი

DFT მათემატიკური მოდელირების გათვალისწინებით, ასევე უნდა იყოს შესაძლებელი მთელი AFE მათემატიკურად მოდელირება. მათემატიკურად ძაბვის სიგნალი შეიძლება აღწერილი იყოს სინუსური ფუნქციით მოცემული ფიქსირებული სიხშირით, DC ოფსეტურით და AC რხევით პიკური ამპლიტუდით. სიხშირე არ იცვლება სიხშირის საფეხურის დროს. რადგან მოგების ფაქტორი მხოლოდ ცვლის წინაღობის სიდიდეს და არა PA, ჩვენ აქ არ ვიქნებით შეშფოთებული სიგნალზე გამოწვეული ნებისმიერი ფაზური ცვლა.

აქ მოცემულია ძაბვის სიგნალის მოკლე შინაარსი, როდესაც ის ვრცელდება AFE– ს საშუალებით:

1) ხელახალი მიკერძოების სტადიის შემდეგ AC ამპლიტუდა კვლავ არის პიკი = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) და DC ოფშეტი შეიცვალა VDD/2-ით.

2) მიმდინარე მგრძნობიარე რეზისტორში ძაბვა იგივეა, რაც წინა ეტაპზე …

3)… მაგრამ ოპ-ამპ-ის ძაბვის გამო AC რხევებს აქვთ ზომა Z*Upeak/Rcurrent. (DC ოფსეტური გაუქმებულია VDD/2 op -amps საცნობარო ძაბვით - ნახერხის ბრუნვის წერტილი - და ხდება ვირტუალური საფუძველი მიკროსქემის ამ ნაწილში)

4) ერთიანობის გამაძლიერებელი ამატებს VDD/2 DC ოფსეტს უკან და აგზავნის სიგნალს AD5933 შეყვანის ეტაპზე

5) შეყვანის ეტაპზე op-amp აქვს A = -RFB/Rin და შესაბამისად AC ამპლიტუდა ხდება (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

6) ADC– ის წინ არის პროგრამირებადი მომატების გამაძლიერებელი (PGA) ორი პარამეტრით 1 ან 5. ძაბვის სიგნალი ADC– ზე ხდება: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

ADC გარდაქმნის v (t) სიგნალს ციფრულ სიგნალად x (t) = u (t) / VDD * 2^7 12 ბიტიანი სიზუსტით.

სიდიდე A უკავშირდება წინაღობას Z- ს მომატების ფაქტორით, k, როგორც A = k * Z და აქვს სავარაუდო მნიშვნელობა k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

თუ მოგწონთ მუშაობა მოგების ფაქტორთან ნაცვლად g = 1 / k და Z = g * A.

ნაბიჯი 9: მოწინავე ნივთები: PA Shift

[2] –ში ისინი პოულობენ სისტემურ ცვლას PA– ში, როგორც სიხშირის ფუნქცია. ეს გამოწვეულია DAC– ს შორის დროის დაგვიანებით, სადაც წარმოიქმნება აღგზნების სიგნალი და DFT, სადაც შემომავალი სიგნალი უნდა იყოს დაკნინებული გამავალი სიგნალით.

ცვლა ახასიათებს საათის ციკლის რაოდენობას, სიგნალი დაგვიანებულია DAC– სა და DFT– ს შორის AD5933– ში.

გამოყენებული ლიტერატურა: [1] ლეონიდ მაციევი, "სისტემების მუშაობის გაუმჯობესება და მრავალფეროვნება დაფუძნებული ერთჯერადი სიხშირის DFT დეტექტორებზე, როგორიცაა AD5933", ელექტრონიკა 2015, 4, 1-34; დოი: 10.3390/ელექტრონიკა 4010001

[2] კონრად ჩაბოვსკი, ტომაშ პიასეცკი, ანჯეი ძერკა, კაროლ ნიჩი, "მარტივი ფართო სიხშირის დიაპაზონის წინაღობის მეტრი AD5933 ინტეგრირებულ წრეზე დაყრდნობით", მეტროლი. ზომები. სისტ., ტ. XXII (2015), No1, გვ. 13–24.