Κύκλωμα ΗΚΓ (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

Σημείωση: Αυτό ΔΕΝ είναι ιατρική συσκευή. Αυτό είναι για εκπαιδευτικούς σκοπούς μόνο χρησιμοποιώντας προσομοιωμένα σήματα. Εάν χρησιμοποιείτε αυτό το κύκλωμα για πραγματικές μετρήσεις ΗΚΓ, βεβαιωθείτε ότι το κύκλωμα και οι συνδέσεις κυκλώματος-οργάνου χρησιμοποιούν κατάλληλες τεχνικές απομόνωσης

Αυτό το εκπαιδευτικό είναι ένας οδηγός τρόπος προσομοίωσης, κατασκευής και δοκιμής ενός κυκλώματος που λαμβάνει, φιλτράρει και ενισχύει σήματα ΗΚΓ. Θα χρειαστείτε βασικές γνώσεις κυκλωμάτων και και λίγα όργανα για να εφαρμόσετε ολόκληρο αυτό το διδακτικό.

Το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ ή ΗΚΓ) είναι μια ανώδυνη, μη επεμβατική εξέταση που καταγράφει την ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς και χρησιμοποιείται για να αποκτήσει εικόνα για την κατάσταση της καρδιάς του ασθενούς. Για να προσομοιωθεί επιτυχώς η ανάγνωση ΗΚΓ, τα εισερχόμενα καρδιακά σήματα πρέπει να ενισχυθούν (ενισχυτής οργάνων) και να φιλτραριστούν (φίλτρα εγκοπής και χαμηλής διέλευσης). Αυτά τα εξαρτήματα δημιουργήθηκαν φυσικά και σε προσομοιωτή κυκλώματος. Για να διασφαλιστεί ότι κάθε στοιχείο ενισχύει ή φιλτράρει σωστά το σήμα, μπορεί να πραγματοποιηθεί σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιώντας PSpice και πειραματικά. Μετά την επιτυχή δοκιμή κάθε εξαρτήματος ξεχωριστά, ένα καρδιακό σήμα μπορεί να εισαχθεί μέσω ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος που αποτελείται από τον ενισχυτή οργάνων, το φίλτρο εγκοπής και το φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Μετά, ένα σήμα ανθρώπινου ΗΚΓ μπορεί να εισαχθεί μέσω του ΗΚΓ και του LabVIEW. Τόσο η προσομοιωμένη κυματομορφή όσο και το ανθρώπινο καρδιακό σήμα μπορούν να περάσουν μέσω LabVIEW για να μετρηθούν οι παλμοί ανά λεπτό (BPM) του σήματος εισόδου. Συνολικά, ένα καρδιακό σήμα εισόδου και ένα ανθρώπινο σήμα θα πρέπει να μπορούν να ενισχυθούν και να φιλτραριστούν επιτυχώς, προσομοιώνοντας ένα ΗΚΓ χρησιμοποιώντας δεξιότητες κυκλώματος για το σχεδιασμό, την τροποποίηση και τον έλεγχο ενός ενισχυτή οργάνων, φίλτρου εγκοπής και κυκλώματος φίλτρου χαμηλής διέλευσης.

Βήμα 1: Προσομοίωση κυκλώματος στον υπολογιστή

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιοδήποτε λογισμικό έχετε για να προσομοιώσετε το κύκλωμα που θα δημιουργήσουμε. Χρησιμοποίησα το PSpice, γι 'αυτό θα εξηγήσω τις λεπτομέρειες, αλλά οι τιμές των συστατικών (αντιστάσεις, πυκνωτές κλπ.) Και οι κύριες αποφάσεις είναι όλες ίδιες, οπότε μη διστάσετε να χρησιμοποιήσετε κάτι άλλο (όπως το circuitlab.com) Το

Υπολογισμός τιμών συστατικών:

1. Πρώτον, πρέπει να καθορίσετε τιμές για τον ενισχυτή οργάνων (δείτε την εικόνα). Οι τιμές στην εικόνα καθορίστηκαν με το επιθυμητό κέρδος 1000. Αυτό σημαίνει ότι όποια και αν είναι η τάση εισόδου που παρέχετε σε αυτό το τμήμα του κυκλώματος, θα «ενισχυθεί» από την τιμή κέρδους. Για παράδειγμα, εάν παρέχετε 1V όπως έκανα, η έξοδος πρέπει να είναι 1000V. Υπάρχουν δύο μέρη σε αυτόν τον ενισχυτή οργάνων, οπότε το κέρδος κατανέμεται μεταξύ τους και αναφέρεται ως Κ1 και Κ2. Δείτε την εικόνα που περιλαμβάνεται, θέλουμε τα κέρδη να είναι κοντά (γι 'αυτό η εξίσωση 2 στην εικόνα), οι εξισώσεις 2 και 3 στην εικόνα βρίσκονται με κομβική ανάλυση και στη συνέχεια μπορούν να υπολογιστούν οι τιμές αντίστασης (βλέπε εικόνα).
2. Οι τιμές αντίστασης για το φίλτρο εγκοπών καθορίστηκαν με τον καθορισμό του συντελεστή ποιότητας, Q, σε 8 και λόγω του γεγονότος ότι γνωρίζαμε ότι είχαμε πολλούς διαθέσιμους πυκνωτές 0.022uF, στη συνέχεια προχωρήσαμε στους υπολογισμούς χρησιμοποιώντας αυτές τις δύο συνθήκες. Δείτε την εικόνα με τις εξισώσεις 5 - 10 για να υπολογίσετε τις τιμές. Or χρησιμοποιήστε R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω, αυτό κάναμε!
3. Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης είναι για την αφαίρεση θορύβου πάνω από μια συγκεκριμένη συχνότητα που διαπιστώσαμε στο διαδίκτυο ότι για το ΗΚΓ είναι καλό να χρησιμοποιείται συχνότητα διακοπής για 250 Hz. Από αυτήν τη συχνότητα και τις εξισώσεις 11-15 (ελέγξτε την εικόνα) υπολογίστε τις τιμές αντίστασης για το φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Αντιμετωπίστε το R3 ως ανοικτό κύκλωμα και το R4 ως βραχυκύκλωμα για να έχετε κέρδος K = 1. Υπολογίσαμε R1 = 15, 300 ohms, R2 = 25, 600 ohms, C1 = 0.022 uF, C2 = 0.047 uF.

Άνοιγμα και δημιουργία στο PSpice:

Με όλες αυτές τις τιμές, ξεκινήστε το PSpice - Ανοίξτε το «OrCAD Capture CIS», αν ανοίξει ένα αναδυόμενο παράθυρο για τις επιλογές Cadence Project επιλέξτε «Allegro PCB Design CIS L», ανοίξτε αρχείο -> νέο έργο, πληκτρολογήστε ένα έξυπνο όνομα για αυτό, επιλέξτε δημιουργία έργου χρησιμοποιώντας αναλογικό ή μικτό A/D, επιλέξτε «δημιουργία κενού έργου», δείτε την εικόνα για την οργάνωση αρχείων του έργου σας, σε κάθε σελίδα θα συγκεντρώνετε τα στοιχεία (αντιστάσεις, πυκνωτές κ.λπ.) για να δημιουργήσετε το τμήμα του κύκλωμα που θέλετε. Σε κάθε σελίδα θα κάνετε κλικ στο τμήμα στη γραμμή εργαλείων στο επάνω μέρος και κάντε κλικ στο τμήμα για να ανοίξετε μια λίστα με τα μέρη όπου βρίσκεται η αναζήτηση αντιστάσεων, πυκνωτών, λειτουργικών ενισχυτών και πηγών ισχύος. Επίσης στο αναπτυσσόμενο μενού Place θα βρείτε γείωση και σύρμα που θα χρειαστεί να χρησιμοποιήσετε. Τώρα σχεδιάστε κάθε σελίδα σας όπως φαίνεται στις εικόνες που περιλαμβάνονται χρησιμοποιώντας τις τιμές που υπολογίσατε.

Εκτελέστε το AC Sweeps για να διασφαλίσετε ότι το φιλτράρισμα και η ενίσχυση γίνονται στην πραγματικότητα όπως περιμένετε

Πρόσθεσα δύο σχήματα για την προσομοίωση αυτών. Παρατηρήστε την εγκοπή στα 60 Hz και φιλτράρετε τις υψηλές συχνότητες. Σημειώστε τα χρώματα της γραμμής και τις επισημασμένες εκφράσεις ιχνών, έτρεξα επίσης ολόκληρο το κύκλωμα μαζί, ώστε να πάρετε μια ιδέα για το τι πρέπει να περιμένετε!

Για τα σκουπίδια επιλέξτε PSpice, κάντε κλικ στο PSpice, New Simulation Profile, αλλάξτε σε AC Sweep και ορίστε τις επιθυμητές συχνότητες για έναρξη, διακοπή και τιμή αύξησης. Κάτω από το μενού PSpice επέλεξα επίσης δείκτες, προχωρημένους και επέλεξα τάση dB και έβαλα τον δείκτη στο σημείο που ήθελα να μετρήσω την έξοδο, αυτό βοηθά αργότερα, ώστε να μην χρειάζεται να προσθέσετε χειροκίνητα έναν τροποποιητή ιχνών. Στη συνέχεια, μεταβείτε ξανά στο κουμπί μενού PSpice και επιλέξτε Εκτέλεση ή απλώς πατήστε F11. Όταν ανοίξει ο προσομοιωτής, εάν χρειάζεται: κάντε κλικ στο ίχνος, προσθέστε ίχνος και, στη συνέχεια, επιλέξτε την κατάλληλη έκφραση ίχνους όπως V (U6: OUT) εάν θέλετε να μετρήσετε την έξοδο τάσης στο pin OUT του opamp U6.

Ενισχυτής οργάνων: Χρησιμοποιήστε το uA741 και για τους τρεις ενισχυτές και σημειώστε ότι οι ενισχυτές στις εικόνες αναφέρονται σύμφωνα με την αντίστοιχη ετικέτα τους (U4, U5, U6). Εκτελέστε τη σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος στο PSpice για να υπολογίσετε την απόκριση συχνότητας του κυκλώματος με μία είσοδο τάσης έτσι ώστε η έξοδος τάσης να είναι ίση με το κέρδος (1000) σε αυτήν την περίπτωση.

Φίλτρο εγκοπών: Χρησιμοποιήστε μια πηγή ισχύος εναλλασσόμενου ρεύματος, όπως φαίνεται στην εικόνα και τον ενισχυτή λειτουργίας uA741 και βεβαιωθείτε ότι τροφοδοτείτε κάθε ενισχυτή που χρησιμοποιείτε (τροφοδοτείται με 15V DC). Εκτελέστε τη σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος, συνιστώ προσαυξήσεις 30 έως 100 Hz κατά 10 Hz για να διασφαλίσετε ότι η εγκοπή στα 60 Hz θα φιλτράρει ηλεκτρικά σήματα.

Φίλτρο χαμηλής διέλευσης: Χρησιμοποιήστε τον λειτουργικό ενισχυτή uA741 (δείτε το σχήμα όπως ο δικός μας είχε την ένδειξη U1) και τροφοδοτήστε το κύκλωμα με ισχύ ενός βολτ AC. Τροφοδοτήστε τους ενισχυτές λειτουργίας με DC 15 βολτ και μετρήστε την έξοδο για τη σάρωση AC στον πείρο 6 του U1 που συνδέεται με το καλώδιο που φαίνεται στην εικόνα. Η σάρωση εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της απόκρισης συχνότητας του κυκλώματος και με μία είσοδο τάσης που έχετε ορίσει, η έξοδος τάσης πρέπει να είναι ίση με το κέρδος 1.

Βήμα 2: Δημιουργήστε το φυσικό κύκλωμα σε ένα Breadboard

Αυτό μπορεί να είναι δύσκολο, αλλά έχω απόλυτη πίστη σε εσάς! Χρησιμοποιήστε τις τιμές και τα διαγράμματα που δημιουργήσατε και δοκιμάσατε (ελπίζουμε ότι γνωρίζετε ότι λειτουργούν χάρη στον προσομοιωτή κυκλώματος) για να το δημιουργήσετε σε μια σανίδα ψωμιού. Βεβαιωθείτε ότι εφαρμόζετε μόνο ισχύ (1 Vp-p από μια γεννήτρια συνάρτησης) στην αρχή όχι σε κάθε στάδιο εάν δοκιμάζετε ολόκληρο το κύκλωμα, για να δοκιμάσετε ολόκληρο το κύκλωμα συνδέστε κάθε τμήμα (ενισχυτής οργάνων για εγκοπή φίλτρου σε χαμηλή διέλευση), βεβαιωθείτε ότι τροφοδοτήστε V+ και V- (15V) σε κάθε op ενισχυτή και μπορείτε να δοκιμάσετε μεμονωμένα στάδια μετρώντας την έξοδο σε διαφορετικές συχνότητες με τον παλμογράφο για να βεβαιωθείτε ότι λειτουργούν πράγματα όπως το φιλτράρισμα. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την ενσωματωμένη καρδιακή κυματομορφή στη γεννήτρια συνάρτησης όταν δοκιμάσετε ολόκληρο το κύκλωμα μαζί και στη συνέχεια θα δείτε την κυματομορφή QRS όπως αναμένεται. Με λίγη απογοήτευση και επιμονή θα πρέπει να είστε σε θέση να το χτίσετε φυσικά!

Προσθέσαμε επίσης έναν πυκνωτή ζωνών 0,1uF παράλληλα με τις δυνατότητες του ενισχυτή που δεν απεικονίζονται στο PSpice.

Ακολουθούν μερικές συμβουλές κατά τη δημιουργία των μεμονωμένων εξαρτημάτων:

Για τον ενισχυτή οργάνων, εάν δυσκολεύεστε να εντοπίσετε την πηγή του σφάλματος, ελέγξτε κάθε μεμονωμένη έξοδο των τριών ενισχυτών. Επιπλέον, βεβαιωθείτε ότι παρέχετε σωστά την πηγή ενέργειας και την είσοδο. Η πηγή τροφοδοσίας πρέπει να είναι συνδεδεμένη με τους ακροδέκτες 4 και 7 και η είσοδος και έξοδος τάσης στις ακίδες 3 των οπτικών ενισχυτών πρώτου σταδίου.

Για το φίλτρο εγκοπής, έπρεπε να γίνουν κάποιες προσαρμογές στις τιμές αντίστασης για να φιλτράρει το φίλτρο σε συχνότητα 60 Hz. Εάν το φιλτράρισμα γίνει υψηλότερο από 60 Hz, η αύξηση μιας από τις αντιστάσεις (ρυθμίσαμε 2) θα βοηθήσει να μειωθεί η συχνότητα του φίλτρου (αντίθετη προς αύξηση).

Για το φίλτρο χαμηλής διέλευσης, η εξασφάλιση απλών τιμών αντίστασης (αντιστάσεις που έχετε ήδη) θα μειώσει σημαντικά το σφάλμα!

Βήμα 3: LabVIEW για να σχεδιάσετε κυματομορφή ΗΚΓ και να υπολογίσετε τον καρδιακό ρυθμό (Κτύποι ανά λεπτό)

Στο LabVIEW θα δημιουργήσετε ένα μπλοκ διάγραμμα και μια διεπαφή χρήστη που είναι το μέρος που θα εμφανίζει την κυματομορφή του ΗΚΓ σε ένα γράφημα ως συνάρτηση του χρόνου και θα εμφανίζει έναν ψηφιακό αριθμό καρδιακών παλμών. Επισυνάπτω μια εικόνα για το τι μπορείτε να δημιουργήσετε στο labVIEW μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη γραμμή αναζήτησης για να βρείτε τα απαραίτητα στοιχεία. Κάντε υπομονή με αυτό και μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε τη βοήθεια για να διαβάσετε για κάθε κομμάτι.

Βεβαιωθείτε ότι χρησιμοποιείτε το φυσικό DAQ για να συνδέσετε το κύκλωμά σας στον υπολογιστή. Στον βοηθό DAQ αλλάξτε τη δειγματοληψία σας σε συνεχή και 4k.

Ακολουθούν μερικές συμβουλές για την κατασκευή του διαγράμματος:

• Η σύνδεση DAQ Assistant βγαίνει από "δεδομένα" και "διακοπή".
• Βοηθός DAQ για "κυματομορφή" στο ελάχιστο μέγ.
• Κάντε δεξί κλικ, δημιουργήστε και επιλέξτε σταθερά για τον αριθμό που εμφανίζεται στην εικόνα.
• Κάντε δεξί κλικ, επιλέξτε στοιχείο, dt, για να αλλάξετε το t0 σε dt
• Η ανίχνευση αιχμής έχει συνδέσεις σε "σήμα σε", "κατώφλι" και "πλάτος"
• Σύνδεση στο "array" και οι σταθερές στο "index"
• Βεβαιωθείτε ότι ο φυσικός πείρος της πλακέτας DAQ (δηλαδή ο αναλογικός 8) είναι ο ακροδέκτης που επιλέγετε στον Βοηθό DAQ (δείτε την εικόνα)

Το βίντεο «IMG_9875.mov» που περιλαμβάνεται είναι ενός υπολογιστή που δείχνει την VI διεπαφή χρήστη του LabVIEW που εμφανίζει την μεταβαλλόμενη κυματομορφή του ΗΚΓ και τους παλμούς ανά λεπτό με βάση την είσοδο (ακούστε καθώς ανακοινώνεται σε ποια αλλαγή της συχνότητας).

Δοκιμάστε το σχέδιό σας στέλνοντας μια είσοδο συχνότητας 1Hz και έχει καθαρή κυματομορφή (δείτε την εικόνα για σύγκριση), αλλά θα πρέπει να μπορείτε να διαβάσετε 60 παλμούς το λεπτό!

Αυτό που έχετε φτιάξει μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να διαβάσετε ένα σήμα ανθρώπινου ΗΚΓ μόνο για διασκέδαση καθώς αυτό ΔΕΝ είναι ιατρική συσκευή. Πρέπει να είστε ακόμα προσεκτικοί αν και με το ρεύμα που παρέχεται στο σχέδιο. Προσαρτημένα ηλεκτρόδια επιφάνειας: θετικά στον αριστερό αστράγαλο, αρνητικά στον δεξιό καρπό και προσδέστε το έδαφος στον δεξιό αστράγαλο. Εκτελέστε το labVIEW και θα δείτε να εμφανίζεται η κυματομορφή στο γράφημα και οι ρυθμοί ανά λεπτό να εμφανίζονται επίσης στο πλαίσιο ψηφιακής οθόνης.