Προσομοιωμένο κύκλωμα ΗΚΓ: 7 βήματα

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

Το ηλεκτροκαρδιογράφημα είναι μια κοινή εξέταση που χρησιμοποιείται τόσο σε τυπικές εξετάσεις όσο και σε διαγνώσεις σοβαρών ασθενειών. Αυτή η συσκευή, γνωστή ως ΗΚΓ, μετρά τα ηλεκτρικά σήματα στο σώμα που είναι υπεύθυνα για τη ρύθμιση του καρδιακού παλμού. Η δοκιμή πραγματοποιείται εφαρμόζοντας ηλεκτρόδια στο δέρμα του ατόμου και παρατηρώντας την έξοδο, η οποία λαμβάνει τη μορφή της γνωστής κυματομορφής ΗΚΓ που φαίνεται. Αυτή η κυματομορφή περιέχει ένα κύμα Ρ, σύμπλεγμα QRS και κύμα Τ που το καθένα αντιπροσωπεύει μια φυσιολογική απόκριση. Αυτός ο οδηγός θα περάσει από τα βήματα της προσομοίωσης ενός ΗΚΓ σε ένα λογισμικό προσομοίωσης κυκλώματος.

Προμήθειες:

LTSpice ή παρόμοιος προσομοιωτής κυκλώματος

Βήμα 1: Δημιουργήστε έναν ενισχυτή οργάνων

Ο σκοπός ενός ενισχυτή οργάνων είναι να ενισχύσει ένα πολύ μικρό σήμα που συχνά περιβάλλεται από υψηλά επίπεδα θορύβου. Η τάση του σήματος εισόδου σε ένα ΗΜΓ είναι τυπικά μεταξύ 1 mV έως 5 mV και ο σκοπός αυτού του σταδίου είναι να ενισχύσει αυτό το σήμα με κέρδος περίπου 1000. Όπως φαίνεται στο σχηματικό σχήμα, το κέρδος μπορεί να ελεγχθεί με την ακόλουθη εξίσωση όπου R1 = R2, R4 = R5 και R6 = R7:

Κέρδος = Κ1*Κ2, όπου Κ1 = Κ2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Το κέρδος επομένως ορίστηκε ίσο με 1000, οπότε τα Κ1 και Κ2 είναι περίπου 31,6. Ορισμένες αντιστάσεις μπορεί να επιλέγονται αυθαίρετα και άλλες να υπολογίζονται, αρκεί η εξίσωση κέρδους να είναι ίση με 1000. Σε ένα φυσικό κύκλωμα, τα ηλεκτρόδια θα μπουν στους λειτουργικούς ενισχυτές, αλλά για σκοπούς προσομοίωσης το ένα γειώνεται και το άλλο χρησιμοποιείται για να σημαίνει τη δυνητική διαφορά. Ο κόμβος Vin θα χρησιμοποιηθεί για να προσομοιώσει αργότερα τα κύματα εισόδου. Ο κόμβος Vout οδηγεί στο επόμενο στάδιο του ΗΚΓ. Επιλέχθηκε ένας λειτουργικός ενισχυτής LTC1151 καθώς βρίσκεται στη βιβλιοθήκη LTSpice, έχει υψηλό CMRR και έχει χρησιμοποιηθεί σε ιατρικά όργανα. Οποιοσδήποτε βασικός ενισχυτής λειτουργίας με τάση τροφοδοσίας +15V και -15V θα λειτουργούσε σε αυτό το σύστημα.

Βήμα 2: Δημιουργήστε ένα φίλτρο εγκοπών

Το επόμενο στάδιο στο ΗΚΓ είναι ένα φίλτρο εγκοπών για να φιλτράρει τις παρεμβολές της γραμμής ρεύματος που εμφανίζονται σε συχνότητα 60 Hz. Ένα φίλτρο εγκοπών λειτουργεί αφαιρώντας ένα μικρό εύρος σημάτων που εμφανίζονται σε πολύ κοντά σε μια μοναδική συχνότητα. Επομένως, χρησιμοποιώντας μια συχνότητα διακοπής 60 Hz και την εξίσωση συχνότητας διακοπής, μπορούν να επιλεγούν οι κατάλληλες αντιστάσεις και πυκνωτές. Χρησιμοποιώντας το παραπάνω σχήμα και σημειώνοντας ότι C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 και R8 = R9 = 2*R10, οι τιμές του πυκνωτή μπορούν να επιλεγούν αυθαίρετα (Το παράδειγμα δείχνει επιλεγμένο πυκνωτή 1uF). Χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση, μπορούν να υπολογιστούν και να χρησιμοποιηθούν οι κατάλληλες τιμές αντίστασης σε αυτό το στάδιο:

fc = 1/(4*pi*R*C)

Ο κόμβος Vin είναι η έξοδος από τον ενισχυτή οργάνων και ο κόμβος Vout οδηγεί στο επόμενο στάδιο.

Βήμα 3: Δημιουργήστε ένα φίλτρο Bandpass

Το τελευταίο στάδιο του συστήματος αποτελείται από ένα ενεργό φίλτρο bandpass για την απομάκρυνση του θορύβου πάνω και κάτω από ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων. Η βασική περιπλάνηση, που προκαλείται από τη βασική γραμμή του σήματος που μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου, συμβαίνει κάτω από τα 0,6 Hz και ο θόρυβος ΗΜΓ, που προκαλείται από την παρουσία μυϊκού θορύβου, συμβαίνει σε συχνότητες άνω των 100 Hz. Επομένως, αυτοί οι αριθμοί ορίζονται ως συχνότητες διακοπής. Το φίλτρο bandpass αποτελείται από ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης ακολουθούμενο από ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης. Ωστόσο, και τα δύο φίλτρα έχουν την ίδια συχνότητα διακοπής:

Fc = 1/(2*pi*R*C)

Χρησιμοποιώντας 1uF ως αυθαίρετη τιμή πυκνωτή και 0,6 και 100 ως συχνότητες διακοπής, οι τιμές αντίστασης υπολογίστηκαν για τα κατάλληλα τμήματα του φίλτρου. Ο κόμβος Vin προέρχεται από την έξοδο του φίλτρου εγκοπών και ο κόμβος Vout είναι εκεί όπου θα μετρηθεί η προσομοιωμένη έξοδος του πλήρους συστήματος. Σε ένα φυσικό σύστημα, αυτή η έξοδος θα συνδεθεί με έναν παλμογράφο ή παρόμοια συσκευή προβολής για να δείτε τα κύματα ΗΚΓ σε πραγματικό χρόνο.

Βήμα 4: Δοκιμάστε τον ενισχυτή οργάνων

Στη συνέχεια, ο ενισχυτής οργάνων θα δοκιμαστεί για να διασφαλιστεί ότι παρέχει κέρδος 1000. Για να γίνει αυτό, εισάγετε ένα ημιτονοειδές κύμα σε αυθαίρετη συχνότητα και πλάτος. Αυτό το παράδειγμα χρησιμοποίησε μια κορυφή 2mV για να κορυφώσει το πλάτος για να αντιπροσωπεύσει ένα κύμα EMG και μια συχνότητα 1000 Hz. Προσομοιώστε τον ενισχυτή οργάνων στο λογισμικό προσομοίωσης κυκλώματος και σχεδιάστε τις κυματομορφές εισόδου και εξόδου. Χρησιμοποιώντας μια συνάρτηση δρομέα, καταγράψτε τα μεγέθη εισόδου και εξόδου και υπολογίστε το κέρδος κατά Gain = Vout/Vin. Εάν αυτό το κέρδος είναι περίπου 1000, αυτό το στάδιο λειτουργεί σωστά. Επιπρόσθετη στατιστική ανάλυση μπορεί να γίνει σε αυτό το στάδιο λαμβάνοντας υπόψη τις ανοχές αντίστασης και τροποποιώντας τις τιμές αντιστάσεων κατά +5% και -5% για να δούμε πώς επηρεάζει το κύμα εξόδου και το επακόλουθο κέρδος.

Βήμα 5: Δοκιμάστε το φίλτρο εγκοπών

Δοκιμάστε το φίλτρο εγκοπής εκτελώντας σάρωση AC από μια περιοχή που περιέχει 60 Hz. Σε αυτό το παράδειγμα, η σάρωση εκτελέστηκε από 1 Hz έως 200 Hz. Το διάγραμμα που προκύπτει, όταν μετριέται στον κόμβο Vout, θα βγάλει ένα γράφημα ενίσχυσης σε dB έναντι συχνότητας σε Hz. Το γράφημα πρέπει να ξεκινά και να τελειώνει με ενίσχυση 0 dB σε συχνότητες μακριά από 60 Hz και προς τις δύο κατευθύνσεις και μια μεγάλη πτώση της ενίσχυσης θα πρέπει να εμφανίζεται στα 60 Hz ή πολύ κοντά σε αυτά. Αυτό δείχνει ότι τα σήματα που εμφανίζονται σε αυτή τη συχνότητα αφαιρούνται σωστά από το επιθυμητό σήμα. Επιπρόσθετη στατιστική ανάλυση μπορεί να γίνει σε αυτό το στάδιο λαμβάνοντας υπόψη τις ανοχές αντίστασης και τροποποιώντας τις τιμές αντίστασης και πυκνωτή κατά +5% και -5% για να δούμε πώς επηρεάζει την πειραματική συχνότητα διακοπής (η συχνότητα που παρουσιάζει τη μεγαλύτερη εξασθένηση γραφικά).

Βήμα 6: Δοκιμάστε το φίλτρο Bandpass

Τέλος, δοκιμάστε το φίλτρο bandpass εκτελώντας άλλη ανάλυση σάρωσης AC. Αυτή τη φορά, το σκούπισμα θα πρέπει να είναι από συχνότητα μικρότερη από 0,6 και μεγαλύτερη από 100 για να διασφαλιστεί ότι το bandpass μπορεί να δει γραφικά. Για άλλη μια φορά, εκτελέστε την ανάλυση μετρώντας στον κόμβο Vout που φαίνεται στο σχηματικό. Η έξοδος πρέπει να μοιάζει με το παραπάνω σχήμα όπου η ενίσχυση είναι αρνητική όσο πιο μακριά από το εύρος των 0,6-100Hz. Τα σημεία στα οποία η ενίσχυση είναι -3dB πρέπει να είναι 0,6 και 100 Hz, ή τιμές πολύ κοντά σε εκείνες για το πρώτο και το δεύτερο σημείο, αντίστοιχα. Τα σημεία -3dB σημαίνουν όταν ένα σήμα εξασθενεί στο σημείο όπου η έξοδος σε αυτές τις συχνότητες θα είναι η μισή της αρχικής ισχύος. Επομένως, τα σημεία -3dB χρησιμοποιούνται για την ανάλυση της εξασθένησης των σημάτων για φίλτρα. Εάν τα σημεία -3dB στο γράφημα που εξάγεται ταιριάζουν με το εύρος του εύρους ζώνης, το στάδιο λειτουργεί σωστά.

Επιπρόσθετη στατιστική ανάλυση μπορεί να γίνει σε αυτό το στάδιο λαμβάνοντας υπόψη τις ανοχές αντίστασης και τροποποιώντας τις τιμές αντίστασης και πυκνωτή κατά +5% και -5% για να δούμε πώς επηρεάζει και τις δύο πειραματικές συχνότητες διακοπής.

Βήμα 7: Συγκεντρώστε το πλήρες σύστημα ΗΚΓ

Τέλος, όταν επιβεβαιωθεί ότι και τα τρία στάδια λειτουργούν σωστά, τοποθετήστε και τα τρία στάδια του ΗΚΓ μαζί και το τελικό αποτέλεσμα γίνεται. Ένα προσομοιωμένο κύμα ΗΚΓ μπορεί να εισαχθεί στο στάδιο του ενισχυτή οργάνων και το εξερχόμενο κύμα πρέπει να είναι ένα ενισχυμένο κύμα ΗΚΓ.