AD5933: 9 qadamlari bilan biologik empedansni tahlil qilish (BIA)

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:25

Men tana tuzilishini o'lchash uchun Bio Empedans Analizatorini yaratishga qiziqardim va tasodifiy izlanishlarim Vanderbilt universitetining 2015 yilgi tibbiyot asboblari sinfining dizaynini topishda davom etdi. Men dizayn ustida ishladim va uni biroz yaxshiladim. Men siz bilan o'z topilmalarim bilan bo'lishmoqchiman. Agar biror narsa aniq bo'lmasa, yaxshilanishlarni taklif qiling. Men bir kun kelib o'z fikrimni yanada uyg'unroq shaklda yozishim mumkin edi, lekin hozircha umid qilamanki, siz bu erda ko'rganingizni ishlata olasiz. (Agar siz buni yozishingiz va yaxshilashingiz mumkin deb o'ylasangiz, xush kelibsiz)

Teddi

Ushbu dizayn AD5933 chipi va korpus bilan AD5933 interfeysi uchun maxsus analog frontal (AFE) dan iborat. Keyin AD5933 o'lchovni amalga oshiradi va natijalarni mikrokontroller (masalan, Arduino) qayta ishlashi mumkin.

Agar siz Arduino-ni quvvat manbai sifatida ishlatishni rejalashtirmoqchi bo'lsangiz, operatsion va asbob kuchaytirgichlari (op-amperlar va in-amperlar) "bitta etkazib berish" deb nomlangan kuchlanishlarni qo'llab-quvvatlayotganiga va temir yo'ldan temir yo'lgacha bo'lgan xususiyatlarga ega ekanligiga ishonch hosil qiling.

(Quyida men 5V quvvat manbasini (Arduino -dan) va AD5933 -dagi 1 -diapazonni ishlataman.)

1-qadam: Qaytarilish bosqichi

AFEning birinchi qismi-qayta taraflama bosqichi. Chiqish kuchlanish signali besleme zo'riqishida (VDD/2) o'rtasida joylashgan emas. Bu signalning doimiy qismini blokirovka qilish uchun kondansatör yordamida tuzatiladi va uni signalga shahar tokini qaytarish uchun kuchlanish ajratuvchi orqali yuboriladi.

Ikki xil qarshilik rezistorlari bir xil bo'lsa, har qanday qiymatga ega bo'lishi mumkin. Qopqoqning o'ziga xos qiymati ham muhim emas.

Qayta ishlash bosqichi yuqori o'tish filtri kabi ishlaydi va shuning uchun kesish chastotasiga ega:

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

Kesish chastotasi siz foydalanmoqchi bo'lgan minimal chastotadan bir necha o'n yillar past ekanligiga ishonch hosil qiling. Agar siz ilovangizda 1 kGts dan foydalanishni rejalashtirmoqchi bo'lsangiz, sizga 1-10 Gts chastotali kesish chastotasini beradigan rezistorlar va chegaralarni tanlashingiz kerak.

Ushbu bosqichning oxirgi qismi-bu kuchlanish izdoshi sifatida o'rnatilgan op-amp. Bu qarshilik qiymatlari keyingi bosqichga xalaqit bermasligiga ishonch hosil qilish uchun kerak

2 -qadam: oqim sezgichli rezistor

Keyingi bosqichning birinchi qismi - oqim sezuvchi rezistor. Bu rezistor orqali tok kuchaytirgich tanasi orqali ushlab turishga harakat qiladigan oqim bo'ladi. Oqim IEC6060-1 xavfsizlik standartlariga mos kelishiga ishonch hosil qiling*:

1 kHz chastotadan pastda tanadan maksimal 10 mikroAmps (RMS) o'tkaziladi. 1 kHz dan yuqori chastotalarda quyidagi tenglama ruxsat etilgan maksimal oqimni beradi:

Maksimal o'zgaruvchan tok <(minimal chastota kHz) * 10 mikroAmps (RMS)

AC signalining tepalik amplitudasi va uning RMS qiymati o'rtasidagi bog'liqlik: Peak = sqrt (2) * RMS. (10 microAmps RMS 14 microAmps tepalik amplitudasiga to'g'ri keladi)

Rezistorning Ohm qonunidan foydalanib, biz xavfsizlik standartiga mos keladigan qarshilik qiymatini hisoblashimiz mumkin. Biz AD5933 dan qo'zg'alish kuchlanishidan va maksimal oqim qiymatidan foydalanamiz:

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

Masalan, 1 -diapazon sozlamalari yordamida Upeak = 3V / 2 = 1.5V (yoki 1V @3.3V)

Yuqoridan 14 microAmp tepalik qiymatidan foydalanib, men kamida 107 kOhm qarshilik qiymatini olaman

Manbalar:

* Analog qurilmalar: "Tana eskirgan tizimlar uchun bio-empedans sxemasi dizayni"

3-qadam: o'tkazuvchanlik kuchaytirgichi

Hozirgi sezuvchi qarshilikdan keyin salbiy teskari aloqa konfiguratsiyasida op-amp mavjud. Bu Loop-in-the-Loop deb ataladigan sozlash. Op-ampning ijobiy kirish terminali VDD/2 kuchlanishiga ulangan. Op-amp endi manfiy terminaldagi kuchlanish VDD/2 ga teng bo'lishi uchun qo'zg'alish signaliga teskari yo'nalishda o'z chiqishini moslashtirishga harakat qiladi. Bu tanadan o'tib ketadigan ko'rish qobiliyatini keltirib chiqaradi.

Op-ampning salbiy terminalidan olingan oqim deyarli nolga teng. Shunday qilib, oqim sezgich rezistori orqali barcha oqim tanadan o'tishi kerak. Bu sozlamani o'tkazuvchanlik kuchaytirgichiga aylantiradigan mexanizm (uni kuchlanish boshqariladigan tok manbai, VCCS deb ham atashadi).

Op-amp faqat tananing empedansi juda yuqori bo'lmasa, tokni ushlab turishi mumkin. Aks holda, op-amp chiqishi faqat besleme zo'riqishida (0 yoki 5 V) maksimal darajada oshadi. Maksimal kuchlanish oralig'i - VDD/2 + Upeak (2,5 + 1,5V = 4V @ 5V manbai). Op-amperning kuchlanish chegaralarini bu qiymatdan olib tashlash kerak, lekin agar op-amperda temir yo'l-temir yo'l spetsifikatsiyasi bo'lsa, bu juda oz miqdor bo'ladi. Operator kuchaytirishi mumkin bo'lgan maksimal impedans:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(Mening sozlamamda Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, tananing impedans diapazonini qamrab olishni xohlayman)

Himoya qarshiligi tanaga (taxminan 100kOs) nisbatan juda katta qiymatga ega (1-1,5 MOhms) va barcha normal operatsiyalar uchun bu sezilarli oqimni tortmaydi va parallel ulanishning impedansida tananing impedansi ustunlik qiladi. Agar tananing impedansi ko'tarilsa (masalan, yostiqlar bo'shashsa), oqim rezistordan o'tishi mumkin va op-amperdan chiqib ketish prokladkalarda yoqimsiz kuchlanish hosil qilmaydi.

4 -qadam: asboblar kuchaytirgichi

Keyingi bosqich-bu tanadagi kuchlanishni o'lchaydigan asbob kuchaytirgichi. Tanadagi kuchlanish 0V atrofida tebranadi, lekin AD5933 kirish diapazonida ijobiy diapazonda bo'lishi kerak. In-amp shuning uchun o'lchangan kuchlanish signaliga VDD/2 ning doimiy ofsetini qo'shadi.

VDD/2 ma'lumotnomasi kuchlanish bo'luvchi tomonidan ishlab chiqariladi. Har qanday qiymat qarshiligi, agar ular bir xil bo'lsa, ishlatilishi mumkin. Quvvat taqsimlagichi voltaj izdoshi bilan sxemaning qolgan qismining impedansidan ajratiladi. Keyin kuchlanish izdoshining chiqishi amperga ham, o'tkazuvchanlik kuchaytirgichiga ham uzatilishi mumkin.

5 -qadam: kirish bosqichi va kalibrlash

AD5933-ning kirish bosqichida salbiy teskari aloqa konfiguratsiyasida op-amp mavjud. Ikkita qarshilik mavjud: biri ketma -ket (Rin) va ikkinchisi parallel (RFB). Op-ampning daromadlari tomonidan berilgan

A = - RFB / Rin

Kirish op-amp va in-amp (va PGA) yutuqlari AD5933 ADC-ga kiruvchi signal har doim 0V va VDD oralig'ida bo'lishiga ishonch hosil qilishi kerak.

(Men amp-in va qarshilik qiymatlarining birlik qiymatidan foydalanaman, bu taxminan A = 0,5 beradi)

AD5933 ichida ADC kuchlanish signalini raqamli signalga aylantiradi. 0V dan VDD gacha bo'lgan kuchlanish diapazoni 0-128 (2^7) raqamli diapazoniga o'tkaziladi. (Hujjatlar bu haqda aniq emas, lekin [1] dagi uchastkalarni sinchkovlik bilan o'rganish va men tomondan so'mlik eksperiment buni tasdiqlaydi.)

DFT moduli ichida natija haqiqiy va xayoliy registrda saqlanmaguncha 256 (1024/4, [1] ga qarang) yana bir masshtab mavjud.

Kuchlanish signalini AFE orqali, ADC ga yuborish va yuqorida aytib o'tilgan o'lchov omillaridan foydalanib, daromad omilini taxmin qilish mumkin:

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

ba'zi bir kalibrlash hali ham zarur bo'lishi mumkin, shuning uchun bu matematik modelga kirmaydigan ba'zi effektlarni hisobga olgan holda, rezistorlar kabi ma'lum empedans komponentlarini o'lchash orqali haqiqiy daromad qiymatini o'lchang. (g = Z / mag, pastga qarang)

Endi impedansni hisoblash mumkin

Z = g * mag

mag = sqrt (haqiqiy^2 + xayoliy^2)

PA = arktan2 (haqiqiy, xayoliy) - deltaPA

PA, ehtimol, kalibrlanishi kerak, shuningdek AD5933 chastotasi funktsiyasi sifatida tizimli fazali siljish mavjud. deltaPA, ehtimol, chastotaning chiziqli funktsiyasi bo'ladi.

Endi qarshilik va reaktivlikni hisoblash mumkin

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Adabiyotlar: [1] Leonid Matsiev, "AD5933 kabi yagona chastotali DFT detektorlari asosida tizimlarning ishlashi va ko'p qirraliligini oshirish", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika 4010001

6 -qadam: Kengaytirilgan materiallar: spektral oqish (shahar)

Biz AD5933 -ga qo'yadigan signal - bu vaqt funktsiyasi sifatida kuchlanish/oqim, lekin bizning asosiy qiziqishimiz - chastota funktsiyasi sifatida impedans. Vaqt-domen va chastota-domenini aylantirish uchun biz vaqt-domen signalining Furye konvertatsiyasini qabul qilishimiz kerak. AD5933-da o'rnatilgan diskret Fourier transform (DFT) moduli mavjud. Past chastotalarda (taxminan 10 kGts dan past) DFT tarkibiga taxallus va spektral qochqinlar ta'sir ko'rsatadi. [1] da u spektral oqishni qanday tuzatish kerakligi haqidagi matematikani o'rganadi. Buning mohiyati - tozalashda har bir chastota bosqichi uchun beshta (ortiqcha ikkita) doimiyni hisoblash. Buni osonlikcha bajarish mumkin, masalan. Arduino tomonidan dasturiy ta'minot.

Oqish ikki shaklda bo'ladi: tabiatda qo'shimchali bo'lgan DC oqimi va tabiatda multiplikativ o'zgaruvchan tok oqimi.

DC oqishi ADCdagi kuchlanish signali 0V atrofida emas, balki VDD/2 tebranmasidan kelib chiqadi. VDD/2 DC darajasi taxminan 64 ga teng bo'lgan raqamli shahar o'qishiga mos kelishi kerak ([1] da belgilangan delta).

DC spektral oqishini tuzatish choralari:

1) E chastota faktorini joriy chastota uchun hisoblang.

2) GI (real) va GQ (xayoliy) ikkita daromad omilini hisoblang.

3) haqiqiy registr qiymatidan delta * GI va xayoliy registr qiymatidan delta * GQ chiqarib oling.

Manbalar:

[1] Leonid Matsiev, "Tizimlarning ishlashi va ko'p qirraliligini yaxshilash

AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34 kabi yagona chastotali DFT detektorlari; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabovskiy, Tomash Piasekki, Anjey Dzyerka, Karol Nitsch, "AD5933 integral sxemasiga asoslangan oddiy keng chastotali empedans o'lchagich", Metrol. O'lchov. Syst., Jild. XXII (2015), 1 -son, 13-24 -betlar.

7 -qadam: Kengaytirilgan materiallar: spektral oqish (AC)

DC oqishi kabi AC oqimi matematik tarzda tuzatilishi mumkin. [1] da qarshilik va reaktivlik mos ravishda A*cos (phi) va A*sin (phi) deb ataladi, bu erda A impedans kattaligiga va phi faza burchagiga (PA) to'g'ri keladi.

AC spektral oqishini tuzatish choralari:

1) oqim chastotasi uchun konvert faktor E ni (u DC uchun emas) hisoblang.

2) uchta a, b va d omillarni hisoblang. (yuqori chastotalarda taxminan qiymatlar: a = d = 256 va b = 0)

3) Qarshilik (Acos (phi)) va reaktivlik (Asin (phi)) endi raqamli birliklarda hisoblanishi mumkin

Adabiyotlar: [1] Leonid Matsiev, "AD5933 kabi yagona chastotali DFT detektorlari asosida tizimlarning ishlashi va ko'p qirraliligini oshirish", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika 4010001

[2] Konrad Chabovskiy, Tomash Piasekki, Anjey Dzyerka, Karol Nits, "AD5933 integral sxemasiga asoslangan oddiy keng chastotali empedans o'lchagich", Metrol. O'lchov. Syst., Jild. XXII (2015), 1 -son, 13-24 -betlar.

8-qadam: Ilg'or narsalar: nazariy daromad omili

DFTning matematik modellashini hisobga olgan holda, butun AFEni matematik tarzda modellashtirish mumkin. Matematik ravishda kuchlanish signalini berilgan doimiy chastotali sinus funktsiyasi, doimiy ofset va tepalik amplitudali AC tebranishi bilan tasvirlash mumkin. Chastotali qadam paytida chastota o'zgarmaydi. Daromad omili faqat impedansning kattaligini o'zgartiradi, lekin biz bu erda signalning fazali siljishi bilan shug'ullanmaymiz.

Bu erda kuchlanish signalining AFE orqali tarqalishi haqida qisqacha ma'lumot.

1) Qayta yo'naltirish bosqichidan keyin AC amplitudasi hali ham Upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) va DC ofset VDD/2 ga o'zgartirildi.

2) Hozirgi sezgich rezistorida kuchlanish avvalgi bosqichga o'xshamaydi …

3) … lekin op-ampning arralash kuchlanishiga qarab, AC tebranishlari Z*Upeak/Rcurrent o'lchamiga ega. (DC ofset VDD/2 - arra aylanasining burilish nuqtasi - op -amperli mos yozuvlar zo'riqishida bekor qilinadi va kontaktlarning zanglashiga olib keladi)

4) amp-in birligi, VDD/2 DC ofsetini qaytaradi va signalni AD5933 ning kirish bosqichiga uzatadi.

5) Kirish bosqichidagi op-amp A = -RFB/Rin daromadiga ega va AC amplitudasi shuning uchun (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin) bo'ladi.

6) ADCdan oldin, dasturlashtiriladigan daromad kuchaytirgichi (PGA) mavjud, ikkita parametr 1 yoki 5 ga teng bo'ladi, shuning uchun ADCdagi kuchlanish signali quyidagicha bo'ladi: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

ADC v (t) signalini 12 bitli aniqlik bilan x (t) = u (t) / VDD * 2^7 raqamli signaliga aylantiradi.

A kattaligi $ Z $ empedansiga $ A = k * Z $ koeffitsienti bilan bog'langan va taxminan k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin) qiymatiga ega.

Agar siz g-1 / k va Z = g * A o'rniga daromad-faktor bilan ishlashni xohlasangiz.

9 -qadam: Murakkab narsalar: PA Shift

[2] da ular chastotaning funktsiyasi sifatida PAda sistematik siljishni topadilar. Bu qo'zg'alish signali hosil bo'ladigan DAC va kiruvchi signalni chiquvchi signal bilan birlashtirish kerak bo'lgan DFT o'rtasidagi vaqt kechikishi bilan bog'liq.

O'zgarish soat tsikllari soni bilan tavsiflanadi, bu signal AD5933da DAC va DFT o'rtasidagi uzilish.

Adabiyotlar: [1] Leonid Matsiev, "AD5933 kabi yagona chastotali DFT detektorlari asosida tizimlarning ishlashi va ko'p qirraliligini oshirish", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika 4010001

[2] Konrad Chabovskiy, Tomash Piasekki, Anjey Dzyerka, Karol Nitsch, "AD5933 integral sxemasiga asoslangan oddiy keng chastotali empedans o'lchagich", Metrol. O'lchov. Syst., Jild. XXII (2015), 1 -son, 13-24 -betlar.