Σχέδιο κυκλώματος απόκτησης, ενίσχυσης και φιλτραρίσματος βασικού ηλεκτροκαρδιογραφήματος: 6 βήματα

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

Για να ολοκληρώσετε αυτό το διδακτικό, τα μόνα πράγματα που χρειάζεστε είναι ένας υπολογιστής, πρόσβαση στο διαδίκτυο και κάποιο λογισμικό προσομοίωσης. Για τους σκοπούς αυτού του σχεδιασμού, όλα τα κυκλώματα και οι προσομοιώσεις θα εκτελούνται στο LTspice XVII. Αυτό το λογισμικό προσομοίωσης περιέχει βιβλιοθήκες με πάνω από 1.000 στοιχεία, γεγονός που καθιστά πολύ εύκολη τη δημιουργία κυκλωμάτων. Επειδή αυτά τα κυκλώματα θα γενικευτούν, το "UniversalOpAmp2" θα χρησιμοποιηθεί για κάθε περίπτωση όπου απαιτείται op-amp. Επιπλέον, κάθε op -amp τροφοδοτείται από τροφοδοτικό +15V και -15V. Αυτά τα τροφοδοτικά όχι μόνο τροφοδοτούν τον ενισχυτή, αλλά και περνούν την τάση εξόδου εάν επρόκειτο να φτάσει σε οποιοδήποτε από αυτά τα δύο ακραία.

Βήμα 1: Σχεδιασμός ενισχυτή οργάνων

Μετά την απόκτηση του σήματος, πρέπει να ενισχυθεί για να εκτελέσει υπολογισμούς και φιλτράρισμα σε αυτό. Για τα ηλεκτροκαρδιογραφήματα, η πιο κοινή μέθοδος ενίσχυσης είναι ο ενισχυτής οργάνων. Όπως προαναφέρθηκε, ο ενισχυτής οργάνων έχει πολλά πλεονεκτήματα όταν πρόκειται για κυκλώματα ενίσχυσης, το μεγαλύτερο είναι η υψηλή σύνθετη αντίσταση μεταξύ των τάσεων εισόδου. Για την κατασκευή αυτού του κυκλώματος, χρησιμοποιήθηκαν 3 οπ-ενισχυτές σε συνδυασμό με επτά αντιστάσεις, με έξι από τις αντιστάσεις να είναι ισοδύναμες σε μέγεθος. Το κέρδος των περισσότερων ηλεκτροκαρδιογραφημάτων είναι περίπου 1000x του σήματος εισόδου [1]. Η εξίσωση για το κέρδος ενός ενισχυτή οργάνων έχει ως εξής: Κέρδος = 1 + (2 * R1/R2) * (R7/R6). Για λόγους απλότητας, κάθε αντίσταση θεωρήθηκε ότι ήταν 1000 ohms, εκτός από το R2, το οποίο καθορίστηκε ότι ήταν 2 ohm. Αυτές οι τιμές δίνουν ένα κέρδος 1001 φορές μεγαλύτερο από την τάση εισόδου. Αυτό το κέρδος είναι αρκετό για να ενισχύσει τα ληφθέντα σήματα για περαιτέρω ανάλυση. Ωστόσο, χρησιμοποιώντας την εξίσωση, το κέρδος μπορεί να είναι ό, τι θέλει κάποιος για το σχεδιασμό του κυκλώματός του.

Βήμα 2: Σχεδιασμός φίλτρου Pass Pass Band

Ένα φίλτρο bandpass είναι ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης και ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης που λειτουργεί σε συντονισμό συνήθως με ένα op-amp για να παρέχει αυτό που είναι γνωστό ως ζώνη διέλευσης. Μια ζώνη πρόσβασης είναι μια σειρά συχνοτήτων που μπορούν να περάσουν ενώ όλες οι άλλες, πάνω και κάτω, απορρίπτονται. Τα βιομηχανικά πρότυπα αναφέρουν ότι ένα τυπικό ηλεκτροκαρδιογράφημα πρέπει να έχει μια ζώνη διέλευσης από 0,5 Hz έως 150 Hz [2]. Αυτή η μεγάλη ζώνη διέλευσης εξασφαλίζει ότι όλο το ηλεκτρικό σήμα από την καρδιά καταγράφεται και κανένα από αυτό δεν φιλτράρεται. Ομοίως, αυτή η ζώνη διέλευσης απορρίπτει κάθε μετατόπιση DC που θα μπορούσε να επηρεάσει το σήμα. Για να σχεδιαστεί αυτό, πρέπει να επιλεγούν ειδικές αντιστάσεις και πυκνωτές έτσι ώστε η συχνότητα διακοπής υψηλής διέλευσης να είναι στα 0,5 Hz και η συχνότητα διακοπής χαμηλής διέλευσης να είναι στα 150 Hz. Η εξίσωση συχνότητας διακοπής τόσο για το φίλτρο υψηλής διέλευσης όσο και για το φίλτρο χαμηλής διέλευσης έχει ως εξής: Fc = 1/(2*pi*RC). Για τους υπολογισμούς μου, επιλέχθηκε μια αυθαίρετη αντίσταση και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας την εξίσωση 4, υπολογίστηκε μια τιμή πυκνωτή. Επομένως, το φίλτρο υψηλής διέλευσης θα έχει τιμή αντίστασης 100, 000 ohms και τιμή πυκνωτή 3,1831 μικροφάρματα. Ομοίως, το φίλτρο χαμηλής διέλευσης θα έχει τιμή αντίστασης 100, 000 ohms και τιμή πυκνωτή 10,61 nano-farads. Εμφανίζεται ένα διάγραμμα του φίλτρου bandpass με τις προσαρμοσμένες τιμές.

Βήμα 3: Σχεδιασμός φίλτρου εγκοπών

Ένα φίλτρο εγκοπών είναι ουσιαστικά το αντίθετο από ένα φίλτρο bandpass. Αντί για ένα υψηλό πέρασμα που ακολουθείται από ένα χαμηλό πέρασμα, είναι ένα χαμηλό πέρασμα που ακολουθείται από ένα υψηλό πέρασμα, επομένως μπορεί κανείς ουσιαστικά να εξαλείψει μια μικρή ζώνη θορύβου. Για το φίλτρο εγκοπών του ηλεκτροκαρδιογραφήματος, χρησιμοποιήθηκε ένα σχέδιο φίλτρου Twin-T εγκοπών. Αυτός ο σχεδιασμός επιτρέπει το φιλτράρισμα μιας κεντρικής συχνότητας και παρέχει έναν μεγάλο συντελεστή ποιότητας. Σε αυτήν την περίπτωση, η κεντρική συχνότητα για να απαλλαγείτε ήταν στα 60 Hz. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση 4, οι τιμές των αντιστάσεων υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας μια δεδομένη τιμή πυκνωτή 0,1 microfarads. Οι υπολογισμένες τιμές αντίστασης για μια ζώνη διακοπής 60 Hz ήταν 26, 525 ohms. Στη συνέχεια, το R5 υπολογίστηκε ότι είναι ½ του R3 και R4. Το C3 υπολογίστηκε επίσης ως διπλάσιο από την τιμή που επιλέχθηκε για C1 και C2 [3]. Επιλέχθηκαν αυθαίρετες αντιστάσεις για τα R1 και R2.

Βήμα 4: Κύκλωμα συνδυασμού

Χρησιμοποιώντας δίχτυα, αυτά τα εξαρτήματα τοποθετήθηκαν σε σειρά μαζί και απεικονίζεται η εικόνα του ολοκληρωμένου κυκλώματος. Σύμφωνα με μια εργασία που δημοσιεύτηκε από την Springer Science, ένα αποδεκτό κέρδος του κυκλώματος ΗΚΓ θα πρέπει να είναι περίπου 70 dB όταν ρυθμιστεί ολόκληρο το κύκλωμα [4].

Βήμα 5: Δοκιμή ολόκληρου κυκλώματος

Όταν όλα τα εξαρτήματα τοποθετήθηκαν σε μια σειρά, χρειάστηκε η επικύρωση του σχεδίου. Δοκιμάζοντας αυτό το κύκλωμα, διεξήχθη τόσο μια μεταβατική όσο και η εναλλακτική σάρωση για να προσδιοριστεί εάν όλα τα εξαρτήματα λειτουργούσαν από κοινού. Εάν συνέβαινε αυτό, η παροδική τάση εξόδου θα εξακολουθούσε να είναι περίπου 1000x της τάσης εισόδου. Ομοίως, όταν πραγματοποιήθηκε η σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος, θα ήταν αναμενόμενο ένα διάγραμμα καμπύλης φίλτρου με εύρος ζώνης με εγκοπή στα 60 Hz. Κοιτάζοντας τις εικόνες που απεικονίζονται, αυτό το κύκλωμα μπόρεσε να πετύχει με επιτυχία και τους δύο αυτούς στόχους. Μια άλλη δοκιμή ήταν να δει την απόδοση του φίλτρου εγκοπών. Για να δοκιμαστεί αυτό, πέρασε ένα σήμα 60 Hz μέσω του κυκλώματος. Όπως απεικονίζεται, το μέγεθος αυτής της εξόδου ήταν μόνο περίπου 5x μεγαλύτερο από την είσοδο, σε σύγκριση με 1000x όταν η συχνότητα είναι εντός της ζώνης διέλευσης.

Βήμα 6: Πόροι:

[1] «ECG Measurement System», Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (πρόσβαση στις 01 Δεκεμβρίου, 2020).

[2] L. G. Tereshchenko and M. E. Josephson, “Frequency Content and Characteristics of Ventricular Conduction”, Journal of electrocardiology, vol. 48, όχι 6, σελ. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] «Τα φίλτρα διακοπής μπάντας ονομάζονται Φίλτρα απόρριψης», Βασικά μαθήματα ηλεκτρονικής, 22 Μαΐου 2018.

[4] N. Guler and U. Fidan, "Wireless Transmission of ECG σήμα", Springer Science, τόμος. 30, Απρ. 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.