Αυτοματοποιημένο μοντέλο κυκλώματος ΗΚΓ: 4 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Ο στόχος αυτού του έργου είναι η δημιουργία ενός μοντέλου κυκλώματος με πολλαπλά εξαρτήματα που μπορούν να ενισχύσουν και να φιλτράρουν επαρκώς ένα εισερχόμενο σήμα ΗΚΓ. Τρία στοιχεία θα μοντελοποιηθούν ξεχωριστά: ένας ενισχυτής οργάνων, ένα ενεργό φίλτρο εγκοπής και ένα παθητικό φίλτρο ζώνης. Θα συνδυαστούν για να δημιουργήσουν το τελικό μοντέλο κυκλώματος ΗΚΓ. Όλα τα μοντέλα και δοκιμές κυκλωμάτων διεξάγονταν στο LTspice, αλλά θα λειτουργούσαν και άλλα προγράμματα προσομοίωσης κυκλώματος.

Βήμα 1: Ενισχυτής οργάνων

Αυτό θα είναι το πρώτο συστατικό του πλήρους μοντέλου ΗΚΓ. Σκοπός του είναι να ενισχύσει το εισερχόμενο σήμα ΗΚΓ, το οποίο θα έχει αρχικά πολύ χαμηλή τάση. Επέλεξα να χρησιμοποιήσω συνδυαστικά op-ενισχυτές και εξαρτήματα αντίστασης με τρόπο που θα παρήγαγε κέρδος 1000. Η πρώτη εικόνα δείχνει τον σχεδιασμό ενισχυτή οργάνων που διαμορφώθηκε στο LTspice. Η δεύτερη εικόνα δείχνει σχετικές εξισώσεις και εκτελεσμένους υπολογισμούς. Μόλις διαμορφωθεί πλήρως, πραγματοποιήθηκε παροδική ανάλυση ημιτονοειδούς σήματος εισόδου 1 mV στα 75 Hz στο LTspice για επιβεβαίωση κέρδους 1000. Η τρίτη εικόνα δείχνει τα αποτελέσματα αυτής της ανάλυσης.

Βήμα 2: Ενεργό φίλτρο εγκοπών

Αυτό θα είναι το δεύτερο συστατικό του πλήρους μοντέλου ΗΚΓ. Σκοπός του είναι να εξασθενίσει σήματα με συχνότητα 60 Hz, η οποία είναι η συχνότητα παρεμβολών τάσης γραμμής AC. Αυτό στρεβλώνει τα σήματα του ΗΚΓ και τυπικά υπάρχει σε όλα τα κλινικά περιβάλλοντα. Επέλεξα να χρησιμοποιήσω συνδυασμό ενός op-amp με στοιχεία αντίστασης και χωρητικότητας σε διαμόρφωση φίλτρου διπλής εγκοπής. Η πρώτη εικόνα δείχνει το σχέδιο φίλτρου εγκοπών που έχει διαμορφωθεί σε LTspice. Η δεύτερη εικόνα δείχνει σχετικές εξισώσεις και εκτελεσμένους υπολογισμούς. Μόλις διαμορφωθεί πλήρως, πραγματοποιήθηκε μια σάρωση AC ενός ημιτονοειδούς σήματος εισόδου 1 V από 1 Hz - 100 kHz στο LTspice για να επιβεβαιώσει μια εγκοπή στα 60 Hz. Η τρίτη εικόνα δείχνει τα αποτελέσματα αυτής της ανάλυσης. Η μικρή διακύμανση των αποτελεσμάτων προσομοίωσης σε σύγκριση με τα αναμενόμενα αποτελέσματα πιθανόν οφείλεται στη στρογγυλοποίηση κατά τον υπολογισμό των αντιστατικών και χωρητικών στοιχείων αυτού του κυκλώματος.

Βήμα 3: Παθητικό φίλτρο Bandpass

Αυτό θα είναι το τρίτο συστατικό του πλήρους μοντέλου ΗΚΓ. Σκοπός του είναι να φιλτράρει σήματα που δεν βρίσκονται εντός του εύρους 0,05 Hz - 250 Hz, καθώς αυτό είναι το εύρος ενός τυπικού ΗΚΓ ενηλίκων. Επέλεξα να χρησιμοποιήσω συνδυαστικά στοιχεία αντίστασης και χωρητικότητας, έτσι ώστε η διακοπή υψηλής διέλευσης να είναι 0,05 Hz και η αποκοπή χαμηλής διέλευσης θα είναι 250 Hz. Η πρώτη εικόνα δείχνει τον παθητικό σχεδιασμό φίλτρου bandpass που διαμορφώθηκε στο LTspice. Η δεύτερη εικόνα δείχνει σχετικές εξισώσεις και εκτελεσμένους υπολογισμούς. Μόλις διαμορφωθεί πλήρως, πραγματοποιήθηκε μια σάρωση εναλλασσόμενου σήματος ημιτονοειδούς εισόδου 1 V από 0,01 Hz - 100 kHz στο LTspice για να επιβεβαιώσει τις συχνότητες διακοπής υψηλής και χαμηλής διέλευσης. Η τρίτη εικόνα δείχνει τα αποτελέσματα αυτής της ανάλυσης. Η μικρή διακύμανση των αποτελεσμάτων προσομοίωσης σε σύγκριση με τα αναμενόμενα αποτελέσματα πιθανόν οφείλεται στη στρογγυλοποίηση κατά τον υπολογισμό των αντιστατικών και χωρητικών στοιχείων αυτού του κυκλώματος.

Βήμα 4: Συνδυασμός στοιχείων κυκλώματος

Τώρα που όλα τα εξαρτήματα έχουν σχεδιαστεί και δοκιμαστεί ξεχωριστά, μπορούν να συνδυαστούν σε σειρά με τη σειρά που δημιουργήθηκαν. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα πλήρες μοντέλο κυκλώματος ΗΚΓ που περιέχει πρώτα έναν ενισχυτή οργάνων για την ενίσχυση του σήματος 1000x. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείται ένα φίλτρο εγκοπών για την εξάλειψη του θορύβου τάσης AC 60 Hz. Τέλος, το φίλτρο ζώνης δεν επιτρέπει τη διέλευση σήματος που βρίσκεται εκτός της περιοχής τυπικού ΗΚΓ ενηλίκων (0,05 Hz - 250 Hz). Μόλις συνδυαστεί, όπως φαίνεται στην πρώτη εικόνα, μπορεί να πραγματοποιηθεί παροδική ανάλυση και πλήρης σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος στο LTspice με τάση εισόδου 1 mV (ημιτονοειδής) για να βεβαιωθείτε ότι τα συστατικά συνεργάζονται όπως αναμενόταν. Η δεύτερη εικόνα εμφανίζει τα μεταβατικά αποτελέσματα ανάλυσης, τα οποία δείχνουν ενίσχυση σήματος από 1 mV έως ~ 0,85 V. Αυτό σημαίνει ότι είτε τα εξαρτήματα φίλτρου εγκοπής είτε εύρους ζώνης εξασθενίζουν ελαφρώς το σήμα αφού έχει αρχικά ενισχυθεί 1000x από τον ενισχυτή οργάνων. Η τρίτη εικόνα εμφανίζει τα αποτελέσματα σάρωσης AC. Αυτό το διάγραμμα Bode εμφανίζει αποκοπές υψηλής και χαμηλής διέλευσης που ταιριάζουν με αυτές του σχεδίου Bode του φίλτρου ζώνης όταν δοκιμάζονται μεμονωμένα. Υπάρχει επίσης μια μικρή βουτιά γύρω στα 60 Hz, όπου λειτουργεί το φίλτρο εγκοπών για να αφαιρέσει τον ανεπιθύμητο θόρυβο.