Avtomatlashtirilgan EKG: LTspice yordamida kuchaytirish va filtrlash simulyatsiyasi: 5 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:22

Bu siz quradigan oxirgi qurilmaning surati va har bir qism haqida juda chuqur muhokama. Shuningdek, har bir bosqich uchun hisob -kitoblar tasvirlangan.

Rasmda ushbu qurilmaning blok diagrammasi ko'rsatilgan

Uslub va materiallar:

Ushbu loyihaning maqsadi ma'lum bir biologik signalni tavsiflash/signalga tegishli ma'lumotlarni to'plash uchun signallarni yig'ish moslamasini ishlab chiqish edi. Aniqroq aytganda, avtomatlashtirilgan EKG. 3 -rasmda ko'rsatilgan blok -sxema qurilmaning taklif qilingan sxemasini ajratib ko'rsatadi. Qurilma biologik signalni elektrod orqali oladi, so'ngra uni 1000 kuchaytirgichli kuchaytirgich yordamida kuchaytiradi. Bu kuchaytirish zarur, chunki biologik signal 5 mV dan past bo'ladi, bu juda kichik va uni talqin qilish qiyin [5]. Keyinchalik, signal uchun kerakli chastota diapazonini olish uchun 0,5-150 Gts chastotali diapazonni olish uchun shovqin o'tkazuvchanlik filtri yordamida kamayadi, so'ngra 50-60 Gts atrofida bo'lgan elektr uzatish liniyalaridan kelib chiqadigan oddiy shovqinni olib tashlash uchun bir chiziq bo'ladi. [11]. Nihoyat, signalni raqamli formatga o'tkazish kerak, shunda uni kompyuter yordamida talqin qilish mumkin va bu analogdan raqamli konvertor yordamida amalga oshiriladi. Biroq, bu tadqiqotda, birinchi navbatda, kuchaytirgich, tarmoqli o'tkazgich va chiziqli filtrga e'tibor qaratiladi.

Kuchaytirgich, o'tkazuvchanlik filtri va chiziqli filtr LTSpice yordamida yaratilgan va simulyatsiya qilingan. Har bir bo'lim avval alohida ishlab chiqilgan va ularning to'g'ri bajarilganligiga ishonch hosil qilish uchun sinovdan o'tkazilib, so'ngra bitta yakuniy sxemaga birlashtirilgan. 4 -rasmda ko'rish mumkin bo'lgan kuchaytirgich asbobli kuchaytirgich asosida ishlab chiqilgan. Asbob-uskunalar kuchaytirgichi odatda EKG, harorat monitorlari va hatto zilzila detektorlarida ishlatiladi, chunki u ortiqcha shovqinni rad etish bilan birga juda past darajadagi signalni kuchaytirishi mumkin. Bundan tashqari, kerakli daromadni sozlash uchun o'zgartirish juda oson [6]. O'chirish uchun kerakli daromad 1000 ga teng va bu elektroddan keladigan kirish 5 mV [5] dan kam bo'lgan AC signaliga ega bo'lishi uchun tanlangan, shuning uchun ma'lumotlarni sharhlashni osonlashtirish uchun uni kuchaytirish kerak. 1000 daromad olish uchun (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) tenglamasi ishlatildi, natijada GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Amplifikatsiyaning to'g'ri miqdorini tasdiqlash uchun LTspice yordamida vaqtinchalik test o'tkazildi.

Ikkinchi bosqich - bu tarmoqli o'tkazgichli filtr. Bu filtr 5 -rasmda ko'rinib turibdiki, filtrlar bir -birini bekor qilishining oldini olish uchun past o'tkazgichli, so'ngra operatsion kuchaytirgichli yuqori o'tish filtridan iborat. Ushbu bosqichning maqsadi - qurilma orqali qabul qilinadigan chastotalar to'plamini ishlab chiqarish. Ushbu qurilma uchun kerakli diapazon 0,5 - 150 Gts, chunki bu EKG uchun standart diapazon [6]. Ushbu maqsadli diapazonga erishish uchun tarmoqli o'tkazgichidagi yuqori o'tish va past o'tish filtrining kesish chastotasini aniqlash uchun (2) kesish chastotasi = 1/(2πRC) tenglamasi ishlatilgan. Diapazonning pastki uchi 0,5 Gts bo'lishi kerak bo'lganligi sababli, yuqori o'tkazgichli rezistor va kondansatör qiymatlari 0,5 Gts = 1/(2π*1000Ω*318,83 mF) va yuqori uchi 150 Gts bo'lishi kerak deb hisoblangan. o'tish filtri qarshiligi va kondansatör qiymatlari 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061 mkF) deb hisoblangan. To'g'ri chastota diapazoniga erishilganligini tasdiqlash uchun LTspice yordamida o'zgaruvchan tokni almashtirish amalga oshirildi.

Uchinchi va oxirgi simulyatsiya qilingan bosqich - bu chiziqli filtr va uni 6 -rasmda ko'rish mumkin. Chiziq filtri tarmoqli o'tkazgichi tomonidan yaratilgan kerakli chastota diapazoni o'rtasida paydo bo'ladigan kiruvchi shovqinlarni yo'q qilish vositasi bo'lib xizmat qiladi. Bu holda, maqsadli chastota 60 Gts ni tashkil etadi, chunki bu AQShda elektr uzatish liniyalarining standart chastotasi va agar ular hal qilinmasa, aralashuvga olib keladi [7]. Bu shovqinni bartaraf etish uchun tanlangan chiziqli filtr ikkita opa kuchaytirgichli va kuchlanish bo'luvchi bo'lakli ikki qavatli filtr edi. Bu signalni signalni maqsadli chastotada to'g'ridan -to'g'ri filtrlabgina qolmay, balki tizimga o'zgaruvchan teskari aloqa, sozlanishi sifat koeffitsienti Q va kuchlanish bo'luvchi yordamida o'zgaruvchan chiqishni kiritishga imkon beradi va shuning uchun uni o'rniga faol filtrga aylantiradi. passiv [8]. Bu qo'shimcha omillar, asosan, dastlabki sinovlarda o'zgarmagan, lekin kelgusidagi ishlarda va keyinchalik loyihani qanday takomillashtirishda muhokama qilinadi. Rad etish chastotasi markazini aniqlash uchun tenglama (3) markaz rad etish chastotasi = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* √ (1/[(0.1*10^-6 mF)*(0.1*10^-6 mF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 Hz ishlatilgan. To'g'ri rad etish chastotasiga erishilganligini tasdiqlash uchun LTspice yordamida o'zgaruvchan tokni tozalash amalga oshirildi.

Nihoyat, har bir bosqich alohida sinovdan o'tkazilgandan so'ng, 7 -rasmda ko'rsatilgandek, uch bosqich birlashtirildi. Shuni ham ta'kidlash kerakki, barcha kuchaytirgichlar +15V va -15V doimiy quvvat manbai bilan ta'minlangan. kerak bo'lganda paydo bo'lishi. Keyin tugallangan sxemada ham vaqtinchalik sinov, ham o'zgaruvchan tokni tozalash amalga oshirildi.

Natijalar:

Grafiklarni har bir bosqich uchun to'g'ridan -to'g'ri tegishli bosqichda, ilovadagi "Rasm" bo'limida topish mumkin. Birinchi bosqichda, asbob kuchaytirgichi, kuchaytirgich uchun daromad 1000 ga teng ekanligiga ishonch hosil qilish uchun, zanjirda vaqtinchalik sinov o'tkazildi. Sinov 1 - 1,25 sekundda, maksimal 0,05 qadam bosqichida o'tkazildi. Ta'minlangan kuchlanish 0,005 V amplitudali va 50 Gts chastotali AC sinus to'lqin edi. Kutilgan daromad 1000 edi va 4 -rasmda ko'rinib turganidek, Vout (yashil egri) 5V amplitudaga ega edi. Simulyatsiya qilingan daromad quyidagicha hisoblanadi: daromad = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Shuning uchun, bu bosqich uchun xatolik foizi 0%. Ushbu bo'lim uchun kirish sifatida 0,005V tanlandi, chunki u usullar bo'limida aytib o'tilganidek, elektroddan olingan kirishga bog'liq bo'ladi.

Ikkinchi bosqich - tarmoqli o'tkazgich filtri - maqsad diapazoni 0,5 - 150 Gts. Filtrni sinab ko'rish va diapazonning mos kelishiga ishonch hosil qilish uchun, o'n yil davomida 0,01 - 1000 Gts gacha bo'lgan davrda 100 ballli AC o'zgarishi amalga oshirildi. 5 -rasm o'zgaruvchan tokni tozalash natijalarini ko'rsatadi va 0,5 dan 150 Gts gacha bo'lgan chastota diapazoniga erishilganligini tasdiqlaydi, chunki maksimal minus 3 dB kesish chastotasini beradi. Bu usul grafikda ko'rsatilgan.

Uchinchi bosqich, chiziqli filtr, 60 Gts atrofida bo'lgan shovqinni yo'q qilish uchun mo'ljallangan. Rad etish chastotasining hisoblangan markazi ~ 56 Gts edi. Buni tasdiqlash uchun, o'n yil ichida, 0,01 - 1000 Gts gacha bo'lgan har o'n yilda 100 ball bilan o'zgaruvchan tokni tozalash amalga oshirildi. 6-rasmda ACni tozalash natijalari ko'rsatilgan va ~ 56-59 Gts chastotali rad etish markazi ko'rsatilgan. Ushbu bo'lim uchun xatolik foizi 4,16 %ni tashkil qiladi.

Har bir alohida bosqich ishlayotganini tasdiqlagandan so'ng, 7 -rasmda ko'rsatilgandek, uch bosqich yig'ildi. Keyin zanjirning kuchayishini tekshirish uchun vaqtinchalik test o'tkazildi va test 1 - 1,25 sekundda, maksimal 0,05 qadamli, 0,005 V amplitudali va 50 Gts chastotali AC sinus to'lqinining ta'minlangan kuchlanishi. Olingan grafik 7 -rasmdagi birinchi grafik bo'lib, Vout3 (qizil) ni ko'rsatadi, butun zanjirning chiqishi 3,865 V, shuning uchun daromad = 3,865V/0,005V = 773 ni tashkil qiladi. va 22,7%xato beradi. Vaqtinchalik sinovdan so'ng, o'n yil o'tgach, o'zgaruvchan tokni tozalash har o'n yilda 0,01 - 1000 Gts dan 100 ball bilan bajarildi va 7 -rasmda ikkinchi grafikni chiqardi. rad etish markazi 57,5-58,8 Gts gacha bo'lgan 0,5-150 Gts chastotalarni qabul qiladi.

Tenglamalar:

(1) - asboblar kuchaytirgichi [6], 4 -rasmda ko'rsatilgan rezistorlar.

(2) - past/yuqori o'tish filtri uchun kesish chastotasi

(3) - egizak t -filtrli filtr uchun [8], 6 -rasmda ko'rsatilgan rezistorlar.

1 -qadam: asbobli kuchaytirgich

1 -bosqich: asboblar kuchaytirgichi

tenglama - GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3)

2 -qadam: bandpass

2 -bosqich: tarmoqli o'tkazgichli filtr

tenglama: kesish chastotasi = 1/2 RC

3 -qadam: 3 -bosqich: chiziqli filtr

3 -bosqich: Twin T Notch filtri

tenglama - markaz rad etish chastotasi = 1/2 π (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4))))

4 -qadam: Hamma bosqichlarning yakuniy sxemasi

O'tkazish va vaqtinchalik egri chiziqlar bilan yakuniy sxemasi

5 -qadam: Qurilmani muhokama qilish

Muhokama:

Yuqorida o'tkazilgan testlarning natijasi umuman tuman uchun kutilganidek bo'ldi. Kuchaytirgich mukammal bo'lmagan va signal biroz pasaygan bo'lsa -da, u davrdan o'tib ketdi (buni 7 -rasmda ko'rish mumkin, 1 -grafikda, signal birinchi bosqichdan keyin 0,005V dan 5V gacha, ikkinchisidan keyin 4V ga kamaygan). va oxirgi bosqichdan keyin 3.865V), o'tkazgich va chiziqli filtr maqsadga muvofiq ishladi va taxminan 57,5-58,8 Gts chastotani olib tashlash bilan 0,5-150 Gts chastota diapazonini ishlab chiqardi.

O'chirish parametrlarini o'rnatgandan so'ng, men uni boshqa ikkita EKG bilan taqqosladim. Oddiy raqamlar bilan to'g'ridan -to'g'ri taqqoslashni 1 -jadvalda topish mumkin. Ma'lumotlarimni boshqa adabiyot manbalari bilan taqqoslashda uchta asosiy echim bor edi. Birinchisi, mening davramdagi kuchaytirgich men taqqoslagan boshqa ikkisidan ancha past edi. Adabiyot manbalarining ikkala sxemasi ham 1000 ga ko'paygan va Gavali EKGida [9], filtr bosqichida signal yana 147 marta kuchaygan. Shu sababli, mening davrimdagi signal 773 ga (standart kuchaytirgich bilan solishtirganda 22,7% xato) kuchaytirildi va elektroddan kirish signalini [6] talqin qila oladigan darajada etarli deb hisoblansa -da, standart kuchaytirgichga qaraganda u hali ham mitti. 1000. Agar mening zanjirimda standart kuchaytirgichga erishish kerak bo'lsa, asboblar kuchaytirgichidagi kuchaytirgichni 1000 dan yuqori omilga ko'tarish kerak bo'ladi, shuning uchun mening zanjirimdagi filtr bosqichlarining har biridan o'tib daromad pasayganda, u hali ham kamida 1000 daromadga ega yoki yuqori kuchlanish pasayishining oldini olish uchun filtrlarni sozlash kerak.

Ikkinchi asosiy tashish shundaki, har uch sxemaning chastotalar diapazoni juda o'xshash edi. Gavali [9] ning aynan bir xil diapazoni 0,5-150 Gts, Goa [10] esa 0,05-159 Gts biroz kengroq diapazonga ega edi. Goa sxemasida bu kichik farq bor edi, chunki bu diapazon ularni sozlashda ishlatilgan ma'lumotlarni yig'ish kartasiga yaxshiroq mos edi.

Oxirgi asosiy tashish, har bir palladagi chiziq filtrlari tomonidan rad etish chastotalari markazidagi farqlar edi. Gaoning va mening davramning maqsadi 60 Gts bo'lgan chiziqli chastotali shovqinlarni bostirish uchun elektr uzatish liniyalari edi, Gavali esa 50 Gts ga o'rnatildi. Biroq, bu farq juda yaxshi, chunki dunyodagi joylashuviga qarab, elektr uzatish liniyasining chastotasi 50 yoki 60 Gts bo'lishi mumkin. Shunday qilib, to'g'ridan -to'g'ri taqqoslash Goa zanjiriga to'g'ri keldi, chunki AQShda elektr uzatish liniyalarining aralashuvi 60 Gts [11]. Xatolik darajasi 3.08%ni tashkil qiladi.