Αυτοματοποιημένο ΗΚΓ: Προσομοίωση Ενίσχυσης και Φιλτραρίσματος με χρήση LTspice: 5 Βήματα

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

Αυτή είναι η εικόνα της τελικής συσκευής που θα φτιάξετε και μια πολύ σε βάθος συζήτηση για κάθε μέρος. Περιγράφει επίσης τους υπολογισμούς για κάθε στάδιο.

Η εικόνα δείχνει το διάγραμμα μπλοκ για αυτήν τη συσκευή

Μέθοδοι και υλικά:

Ο στόχος αυτού του έργου ήταν να αναπτύξει μια συσκευή λήψης σήματος προκειμένου να χαρακτηρίσει ένα συγκεκριμένο βιολογικό σήμα/να συλλέξει σχετικά δεδομένα για το σήμα. Πιο συγκεκριμένα, ένα αυτοματοποιημένο ΗΚΓ. Το μπλοκ διάγραμμα που φαίνεται στο σχήμα 3 επισημαίνει το προτεινόμενο σχήμα για τη συσκευή. Η συσκευή θα λαμβάνει το βιολογικό σήμα μέσω ενός ηλεκτροδίου και στη συνέχεια θα το ενισχύει χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή με κέρδος 1000. Αυτή η ενίσχυση είναι απαραίτητη αφού το βιολογικό σήμα θα είναι μικρότερο στα 5mV περίπου, πολύ μικρό και μπορεί να είναι δύσκολο να ερμηνευθεί [5]. Στη συνέχεια, ο θόρυβος θα μειωθεί χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο bandpass για να επιτευχθεί το επιθυμητό εύρος συχνοτήτων για το σήμα, 0,5-150 Hz, και στη συνέχεια θα ακολουθήσει μια εγκοπή για να αφαιρεθεί ο φυσιολογικός θόρυβος περιβάλλοντος που προκαλείται από τις γραμμές ισχύος που βρέθηκαν γύρω στα 50-60 Hz [11]. Τέλος, το σήμα πρέπει στη συνέχεια να μετατραπεί σε ψηφιακό έτσι ώστε να μπορεί να ερμηνευτεί χρησιμοποιώντας έναν υπολογιστή και αυτό γίνεται με έναν μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό. Σε αυτή τη μελέτη, ωστόσο, η εστίαση θα είναι κυρίως στον ενισχυτή, το φίλτρο ζώνης και το φίλτρο εγκοπών.

Ο ενισχυτής, το φίλτρο ζώνης και το φίλτρο εγκοπών σχεδιάστηκαν και προσομοιώθηκαν χρησιμοποιώντας το LTSpice. Κάθε ενότητα αναπτύχθηκε αρχικά ξεχωριστά και δοκιμάστηκε προκειμένου να διασφαλιστεί ότι εκτελέστηκαν σωστά και στη συνέχεια συνδέθηκαν σε ένα τελικό σχηματικό σχήμα. Ο ενισχυτής, ο οποίος φαίνεται στο σχήμα 4, σχεδιάστηκε και βασίστηκε σε έναν ενισχυτή οργάνων. Ένας ενισχυτής οργάνων χρησιμοποιείται συνήθως σε ΗΚΓ, οθόνες θερμοκρασίας και ακόμη και ανιχνευτές σεισμών επειδή μπορεί να ενισχύσει ένα πολύ χαμηλού επιπέδου σήμα ενώ απορρίπτει τον υπερβολικό θόρυβο. Είναι επίσης πολύ εύκολο να τροποποιηθεί για να προσαρμοστεί για όποιο κέρδος χρειάζεται [6]. Το επιθυμητό κέρδος για το κύκλωμα είναι 1000 και αυτό επιλέχθηκε αφού η είσοδος από το ηλεκτρόδιο θα είναι σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος μικρότερο από 5 mV [5] και πρέπει να ενισχυθεί για να διευκολύνει την ερμηνεία των δεδομένων. Για να αποκτήσουμε κέρδος 1000, χρησιμοποιήθηκε η εξίσωση (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) η οποία απέδωσε επομένως GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Προκειμένου να επιβεβαιωθεί ότι επιτεύχθηκε η σωστή ποσότητα ενίσχυσης, πραγματοποιήθηκε μια παροδική δοκιμή χρησιμοποιώντας LTspice.

Το δεύτερο στάδιο ήταν ένα φίλτρο bandpass. Αυτό το φίλτρο φαίνεται στο Σχήμα 5 και αποτελείται από ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης και έπειτα ένα υψηλής διέλευσης με έναν ενισχυτή λειτουργίας ενδιάμεσα για να αποτρέψει τα φίλτρα να ακυρώσουν το ένα το άλλο. Σκοπός αυτού του σταδίου είναι η παραγωγή ενός συνόλου συχνοτήτων που θα είναι αποδεκτές να περάσουν από τη συσκευή. Το επιθυμητό εύρος για αυτήν τη συσκευή είναι 0,5 - 150 Hz αφού αυτό είναι το τυπικό εύρος για ΗΚΓ [6]. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό το εύρος στόχου, χρησιμοποιήθηκε η εξίσωση (2) συχνότητα διακοπής = 1/(2πRC) προκειμένου να προσδιοριστεί η συχνότητα διακοπής τόσο για το φίλτρο υψηλής διέλευσης όσο και για το χαμηλό πέρασμα εντός του εύρους ζώνης. Δεδομένου ότι το κάτω άκρο της εμβέλειας έπρεπε να είναι 0,5 Hz, οι τιμές αντίστασης και πυκνωτή φίλτρου υψηλής διέλευσης υπολογίστηκαν 0,5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318,83μF) και με το άνω άκρο να είναι 150 Hz, το χαμηλό Οι τιμές αντίστασης και πυκνωτή φίλτρου διέλευσης υπολογίστηκαν ότι είναι 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061μF). Για να επιβεβαιωθεί ότι επιτεύχθηκε το σωστό εύρος συχνοτήτων, πραγματοποιήθηκε σάρωση AC χρησιμοποιώντας LTspice.

Το τρίτο και τελευταίο προσομοιωμένο στάδιο είναι το φίλτρο εγκοπών και φαίνεται στο σχήμα 6. Το φίλτρο εγκοπών χρησιμεύει ως μέσο για την εξάλειψη του ανεπιθύμητου θορύβου που εμφανίζεται στη μέση του επιθυμητού εύρους συχνοτήτων που δημιουργείται από το εύρος ζώνης. Η συχνότητα -στόχος σε αυτή την περίπτωση είναι 60 Hz, δεδομένου ότι αυτή είναι η τυπική συχνότητα γραμμής ισχύος στις Ηνωμένες Πολιτείες και προκαλεί παρεμβολές εάν δεν αντιμετωπιστεί [7]. Το φίλτρο εγκοπής που επιλέχθηκε για να χειριστεί αυτήν την παρεμβολή ήταν ένα φίλτρο διπλής εγκοπής με δύο ενισχυτές op και ένα διαχωριστή τάσης. Αυτό θα επιτρέψει στο σήμα όχι μόνο να φιλτράρει το σήμα απευθείας στη συχνότητα -στόχο, αλλά και να εισάγει μια μεταβλητή ανατροφοδότηση στο σύστημα, έναν ρυθμιζόμενο συντελεστή ποιότητας Q και μια μεταβλητή έξοδο χάρη στον διαιρέτη τάσης και, ως εκ τούτου, αυτό έγινε ενεργό φίλτρο αντί ένα παθητικό [8]. Ωστόσο, αυτοί οι επιπλέον παράγοντες έμειναν ανέπαφοι στις αρχικές δοκιμές, αλλά θα αναφερθούν σε μελλοντικές εργασίες και πώς θα βελτιωθεί το έργο αργότερα. Για να προσδιοριστεί το κέντρο της συχνότητας απόρριψης, εξίσωση (3) συχνότητα απόρριψης κέντρου = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4)))) = 1/(2π)* √ (1/[(0.1*10^-6μF)*(0.1*10^-6μF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 Ηζ. Για να επιβεβαιωθεί ότι επιτεύχθηκε η σωστή συχνότητα απόρριψης, πραγματοποιήθηκε σάρωση AC χρησιμοποιώντας LTspice.

Τέλος, αφού δοκιμάστηκε ξεχωριστά κάθε στάδιο, τα τρία στάδια συνδυάστηκαν όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι όλοι οι ενισχυτές λειτουργίας ήταν εφοδιασμένοι με παροχή ρεύματος +15V και -15V DC, προκειμένου να επιτραπεί ουσιαστική ενίσχυση να συμβεί όταν είναι απαραίτητο. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε τόσο μια παροδική δοκιμή όσο και μια σάρωση AC στο ολοκληρωμένο κύκλωμα.

Αποτελέσματα:

Τα γραφήματα για κάθε στάδιο μπορούν να βρεθούν ακριβώς κάτω από το αντίστοιχο στάδιο στην ενότητα Εικόνα στο προσάρτημα. Για το πρώτο στάδιο, τον ενισχυτή οργάνων, πραγματοποιήθηκε μια παροδική δοκιμή στο κύκλωμα προκειμένου να διασφαλιστεί ότι το κέρδος για τον ενισχυτή ήταν 1000. Η δοκιμή διήρκεσε από 1 - 1,25 δευτερόλεπτα με μέγιστο χρονικό βήμα 0,05. Η τροφοδοτούμενη τάση ήταν ένα ημιτονοειδές κύμα AC με πλάτος 0,005 V και συχνότητα 50 Hz. Το επιδιωκόμενο κέρδος ήταν 1000 και όπως φαίνεται στο σχήμα 4, το δεδομένου ότι το Vout (η πράσινη καμπύλη) είχε πλάτος 5V. Το προσομοιωμένο κέρδος υπολογίστηκε ότι είναι, κέρδος = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Επομένως, το ποσοστό σφάλματος για αυτό το στάδιο είναι 0%. 0.005V επιλέχθηκε ως είσοδος για αυτό το τμήμα καθώς θα σχετίζεται στενά με την είσοδο που λαμβάνεται από ένα ηλεκτρόδιο όπως αναφέρεται στην ενότητα μεθόδων.

Το δεύτερο στάδιο, το φίλτρο bandpass, είχε εύρος στόχου 0,5 - 150 Hz. Για να δοκιμάσετε το φίλτρο και να βεβαιωθείτε ότι το εύρος ταιριάζει, μια δεκαετία, εκτελέστηκε σάρωση AC με 100 πόντους ανά δεκαετία από 0,01 - 1000 Hz. Το Σχήμα 5 δείχνει τα αποτελέσματα από τη σάρωση AC και επιβεβαιώνει ότι επιτεύχθηκε ένα εύρος συχνοτήτων από 0,5 έως 150 Hz επειδή το μέγιστο μείον 3 dB δίνει τη συχνότητα διακοπής. Αυτή η μέθοδος απεικονίζεται στο γράφημα.

Το τρίτο στάδιο, το φίλτρο εγκοπών, σχεδιάστηκε για να εξαλείψει τον θόρυβο που βρέθηκε στα 60 Hz. Το υπολογισμένο κέντρο συχνότητας απόρριψης ήταν ~ 56 Hz. Για να επιβεβαιωθεί αυτό, μια δεκαετία, η σάρωση AC εκτελέστηκε με 100 πόντους ανά δεκαετία από 0,01 - 1000 Hz. Το Σχήμα 6 δείχνει τα αποτελέσματα από την σάρωση AC και απεικονίζει ένα κέντρο συχνότητας απόρριψης ~ 56-59 Hz. Ποσοστό σφάλματος για αυτήν την ενότητα θα ήταν 4,16 %.

Αφού επιβεβαιώσατε ότι κάθε μεμονωμένο στάδιο λειτουργούσε, τα τρία στάδια συναρμολογήθηκαν όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μια παροδική δοκιμή για τον έλεγχο της ενίσχυσης του κυκλώματος και η δοκιμή διήρκεσε από 1 - 1,25 δευτερόλεπτα με μέγιστο χρονικό βήμα 0,05 με παροχή τάσης ημιτονοειδούς κύματος AC με πλάτος 0,005 V και συχνότητα 50 Hz. Το γράφημα που προκύπτει είναι το πρώτο γράφημα στο Σχήμα 7 δείχνει Vout3 (κόκκινο), η έξοδος ολόκληρου του κυκλώματος είναι 3.865 V και συνεπώς έχει κέρδος = 3.865V/0.005V = 773. Αυτό είναι σημαντικά διαφορετικό από το επιδιωκόμενο κέρδος των 1000 και δίνει σφάλμα 22,7%. Μετά τη μεταβατική δοκιμή, μια δεκαετία, η σάρωση AC εκτελέστηκε με 100 μονάδες ανά δεκαετία από 0,01 - 1000 Hz και παρήγαγε το δεύτερο γράφημα στο Σχήμα 7. Αυτή η γραφική παράσταση επισημαίνει τα επιδιωκόμενα αποτελέσματα και δείχνει τα φίλτρα που λειτουργούν παράλληλα για να παράγουν ένα φίλτρο που δέχεται συχνότητες από 0,5-150 Hz με κέντρο απόρριψης από 57,5-58,8 Hz.

Εξισώσεις:

(1) - κέρδος ενισχυτή οργάνων [6], αντιστάσεις σε σχέση με αυτές που βρίσκονται στο σχήμα 4.

(2) - συχνότητα διακοπής για φίλτρο χαμηλής/υψηλής διέλευσης

(3) - για φίλτρο διπλής εγκοπής [8], αντιστάσεις σε σχέση με αυτές που βρίσκονται στο σχήμα 6.

Βήμα 1: Ενισχυτής οργάνων

Στάδιο 1: ο ενισχυτής οργάνων

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

Βήμα 2: Bandpass

στάδιο 2: φίλτρο bandpass

εξίσωση: συχνότητα διακοπής = 1/2πRC

Βήμα 3: Στάδιο 3: Φίλτρο εγκοπών

στάδιο 3: Φίλτρο Twin T Notch

εξίσωση - συχνότητα απόρριψης κέντρου = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Βήμα 4: Τελικό σχήμα όλων των σταδίων μαζί

Τελικό σχηματικό με σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος και παροδικές καμπύλες

Βήμα 5: Συζήτηση της συσκευής

Συζήτηση:

Το αποτέλεσμα από τις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν παραπάνω ήταν το αναμενόμενο για το κύκλωμα στο σύνολό του. Αν και η ενίσχυση δεν ήταν τέλεια και το σήμα υποβαθμίστηκε ελαφρώς όσο περνούσε το κύκλωμα (το οποίο φαίνεται στο σχήμα 7, γράφημα 1 όπου το σήμα αυξήθηκε από 0,005V σε 5V μετά το πρώτο στάδιο και στη συνέχεια μειώθηκε στα 4V μετά το δεύτερο και στη συνέχεια 3.865V μετά το τελικό στάδιο), το φίλτρο ζώνης και εγκοπών λειτούργησε όπως έπρεπε και παρήγαγε εύρος συχνοτήτων 0,5-150 Hz με αφαίρεση συχνότητας περίπου 57,5-58,8 Hz.

Μετά τον καθορισμό των παραμέτρων για το κύκλωμά μου, το συνέκρινα με δύο άλλα ΗΚΓ. Μια πιο άμεση σύγκριση με απλούς αριθμούς μπορεί να βρεθεί στον Πίνακα 1. Υπήρχαν τρία σημαντικά συμπεράσματα κατά τη σύγκριση των δεδομένων μου με άλλες πηγές βιβλιογραφίας. Το πρώτο ήταν ότι η ενίσχυση στο κύκλωμά μου ήταν σημαντικά χαμηλότερη από τις άλλες δύο που σύγκρινα επίσης. Και τα δύο κυκλώματα της βιβλιογραφίας πέτυχαν ενίσχυση 1000 και στο ΗΚΓ του Gawali [9], το σήμα ενισχύθηκε ακόμη περισσότερο με συντελεστή 147 στο στάδιο του φίλτρου. Επομένως, παρόλο που το σήμα στο κύκλωμά μου ενισχύθηκε κατά 773 (σφάλμα 22,7% σε σύγκριση με την τυπική ενίσχυση) και θεωρήθηκε αρκετά ώστε να μπορεί να ερμηνεύσει το σήμα εισόδου από το ηλεκτρόδιο [6], εξακολουθεί να είναι νάνος σε σύγκριση με την τυπική ενίσχυση 1000. Εάν επρόκειτο να επιτευχθεί τυπική ενίσχυση στο κύκλωμά μου, η ενίσχυση στον ενισχυτή με όργανα θα πρέπει να αυξηθεί σε συντελεστή μεγαλύτερο από 1000, έτσι ώστε όταν το κέρδος μειωθεί αφού περάσει από κάθε στάδιο φίλτρου στο κύκλωμά μου, εξακολουθεί να έχει κέρδος τουλάχιστον 1000 ή τα φίλτρα πρέπει να ρυθμιστούν προκειμένου να αποφευχθεί η εμφάνιση υψηλότερων επιπέδων πτώσης τάσης.

Το δεύτερο σημαντικό συμπέρασμα ήταν ότι και τα τρία κυκλώματα είχαν πολύ παρόμοια εύρη συχνοτήτων. Το Gawali's [9] είχε το ίδιο ακριβώς εύρος 0,5-150 Hz ενώ το Goa [10] είχε ελαφρώς μεγαλύτερο εύρος 0,05-159 Hz. Το κύκλωμα της Γκόα είχε αυτή τη μικρή ασυμφωνία επειδή αυτό το εύρος ταίριαζε καλύτερα στην κάρτα απόκτησης δεδομένων που χρησιμοποιούνταν στη ρύθμισή τους.

Η τελευταία σημαντική λήψη ήταν οι διαφορές στο κέντρο των συχνοτήτων απόρριψης που επιτεύχθηκαν από τα φίλτρα εγκοπών σε κάθε κύκλωμα. Το κύκλωμα του Γκάο και του κυκλώματός μου είχαν και οι δύο έναν στόχο 60 Hz προκειμένου να καταστείλουν τον θόρυβο συχνότητας της γραμμής που προκάλεσε τις γραμμές ρεύματος, ενώ του Gawali ορίστηκε στα 50 Hz. Ωστόσο, αυτή η ασυμφωνία είναι καλή αφού ανάλογα με την τοποθεσία στον κόσμο, η συχνότητα της γραμμής ισχύος μπορεί να είναι 50 ή 60 Hz. Ως εκ τούτου, έγινε μια άμεση σύγκριση με το κύκλωμα της Γκόα, δεδομένου ότι οι παρεμβολές στις γραμμές ισχύος στις Ηνωμένες Πολιτείες είναι 60 Hz [11]. Το ποσοστό σφάλματος είναι 3,08%.