ECG ya Kuendesha: Ukuzaji na Uigaji wa Kichujio Kutumia LTspice: Hatua 5

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:48

Hii ni picha ya kifaa cha mwisho ambacho utajenga na majadiliano ya kina juu ya kila sehemu. Pia inaelezea mahesabu ya kila hatua.

Picha inaonyesha mchoro wa kuzuia kifaa hiki

Mbinu na Vifaa:

Lengo la mradi huu lilikuwa kukuza kifaa cha upatikanaji wa ishara ili kubainisha ishara maalum ya kibaolojia / kukusanya data muhimu kwenye ishara. Hasa haswa, ECG ya kiotomatiki. Mchoro wa kizuizi ulioonyeshwa kwenye Mchoro wa 3 unaangazia muundo uliopendekezwa wa kifaa. Kifaa hicho kilipokea ishara ya kibaolojia kupitia elektroni na kisha ikiongeze kwa kutumia kipaza sauti na faida ya 1000. Ukuzaji huu ni muhimu kwani ishara ya kibaolojia itakuwa chini ya karibu 5mV ambayo ni ndogo sana na inaweza kuwa ngumu kutafsiri [5]. Baadaye, kelele itapunguzwa kwa kutumia kichujio cha bandwidth ili kupata masafa ya taka ya ishara, 0.5-150 Hz, na kisha noti itafuata ili kuondoa kelele ya kawaida inayozunguka inayosababishwa na laini za umeme zinazopatikana karibu 50-60 Hz [11]. Mwishowe, ishara basi inahitaji kubadilishwa kuwa dijiti ili iweze kufasiriwa kwa kutumia kompyuta na hii inafanywa na analojia kwa kibadilishaji cha dijiti. Katika utafiti huu hata hivyo, lengo litakuwa kwenye kiboreshaji, kichungi cha bandwidth, na kichungi cha notch.

Kikuzaji, kichujio cha bandpass, na kichungi cha notch zote zilibuniwa na kuigwa kwa kutumia LTSpice. Kila sehemu ilitengenezwa kando kando na kujaribiwa ili kuhakikisha kuwa zinafanya vizuri na kisha kuunganishwa kuwa skimu moja ya mwisho. Amplifier, ambayo inaweza kuonekana kwenye sura ya 4, ilitengenezwa na msingi wa kipaza sauti cha vifaa. Amplifier ya vifaa hutumiwa kawaida katika ECGs, wachunguzi wa joto, na hata vitambuzi vya mtetemeko wa ardhi kwa sababu inaweza kukuza kiwango cha chini cha ishara wakati ikikataa kelele nyingi. Pia ni rahisi sana kurekebisha ili kuzoea faida yoyote inayohitajika [6]. Faida inayotarajiwa kwa mzunguko ni 1000 na hii ilichaguliwa kwani pembejeo kutoka kwa elektroni itakuwa ishara ya AC chini ya 5 mV [5] na inahitaji kuongezewa ili kufanya data iwe rahisi kutafsiri. Ili kupata faida ya 1000, equation (1) GAIN = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3) ilitumika ambayo kwa hivyo ilitoa GAIN = (1+ (5000Ω + 5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω / 100Ω) = 1000. Ili kudhibitisha kiwango sahihi cha ukuzaji kilifanikiwa, jaribio la muda mfupi lilifanywa kwa kutumia LTspice.

Hatua ya pili ilikuwa kichujio cha njia. Kichujio hiki kinaweza kuonekana kwenye Kielelezo cha 5 na kina pasi ya chini na kisha kichujio cha kupitisha cha juu na kipenyo cha kufanya kazi katikati ili kuzuia vichungi visighairiane. Kusudi la hatua hii ni kutoa masafa kadhaa ambayo yatakubalika kupita kwenye kifaa. Masafa yanayotakiwa ya kifaa hiki ni 0.5 - 150 Hz kwa kuwa hii ndio kiwango cha kawaida cha ECG [6]. Ili kufikia kiwango hiki cha lengo, equation (2) cutoff frequency = 1 / (2πRC) ilitumika ili kuamua masafa ya cutoff kwa kupita kwa kiwango cha juu na kichujio cha pasi cha chini ndani ya bandpass. Kwa kuwa mwisho wa chini wa anuwai ilihitaji kuwa 0.5 Hz, kichujio cha juu cha kupitisha kichujio na maadili ya capacitor yamehesabiwa kuwa 0.5 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 318.83µF) na mwisho wa juu unahitaji kuwa 150 Hz, chini kupitisha kichujio cha chujio na maadili ya capacitor imehesabiwa kuwa 150 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 1.061µF). Ili kudhibitisha kuwa masafa sahihi ya masafa yalipatikana, kufagia AC kuliendeshwa kwa kutumia LTspice.

Hatua ya tatu na ya mwisho ya kuiga ni kichujio cha notch na inaweza kuonekana kwenye Mchoro 6. Kichujio cha notch hutumika kama njia ya kuondoa kelele isiyofaa ambayo hufanyika katikati ya masafa ya taka yaliyoundwa na bandpass. Mzunguko unaolengwa katika kesi hii ni 60 Hz kwa kuwa hiyo ni masafa ya kawaida ya umeme nchini Merika na husababisha usumbufu ikiwa haikushughulikiwa [7]. Kichujio cha notch kilichochaguliwa kushughulikia usumbufu huu kilikuwa kichujio cha mapacha cha twin na amps mbili na mgawanyiko wa voltage. Hii itaruhusu ishara sio tu kuchuja ishara moja kwa moja kwenye masafa ya lengo lakini pia kuanzisha maoni anuwai katika mfumo, sababu inayobadilika ya ubora wa Q, na shukrani ya pato inayobadilika kwa mgawanyiko wa voltage na kwa hivyo ikafanya hii kuwa kichujio kinachotumika badala ya [8] tu. Sababu hizi za ziada hata hivyo ziliachwa bila kuguswa katika majaribio ya awali lakini zitaguswa katika kazi za baadaye na jinsi ya kuboresha mradi baadaye. Ili kuamua katikati ya mzunguko wa kukataa, equation (3) kituo cha kukataa kituo = 1 / (2π) * √ (1 / (C2 * C3 * R5 * (R3 + R4)) = 1 / (2π) * 1 (1 / [(0.1 * 10 ^ -6µF) * (0.1 * 10 ^ -6µF) (15000Ω) * (26525Ω + 26525Ω)] = = 56.420 Hz aliajiriwa. Ili kudhibitisha kuwa masafa sahihi ya kukataa yalifanikiwa, kufagia AC kuliendeshwa kwa kutumia LTspice.

Mwishowe, baada ya kila hatua kujaribiwa kando, hatua hizo tatu zilijumuishwa kama inavyoonekana kwenye Kielelezo 7. Ikumbukwe pia kwamba opps zote zilipewa umeme wa + 15V na -15V DC ili kuruhusu ukuzaji mkubwa kutokea wakati ni lazima. Kisha jaribio la muda mfupi na kufagia AC vilifanywa kwenye mzunguko uliokamilishwa.

Matokeo:

Grafu za kila hatua zinaweza kupatikana moja kwa moja chini ya hatua yake katika sehemu ya Kielelezo kwenye kiambatisho. Kwa hatua ya kwanza, kipaza sauti cha vifaa, jaribio la muda mfupi liliendeshwa kwenye mzunguko ili kujaribu kuhakikisha kuwa faida ya mkusanyiko ilikuwa 1000. Jaribio lilitoka kwa sekunde 1 - 1.25 na hatua ya juu ya 0.05. Voltage iliyotolewa ilikuwa wimbi la sine ya AC na amplitude ya 0.005 V na masafa ya 50 Hz. Faida iliyokusudiwa ilikuwa 1000 na kama inavyoonekana kwenye Mchoro 4, tangu Vout (kijani kibichi) ilikuwa na urefu wa 5V. Faida iliyoigwa ilihesabiwa kuwa, faida = Vout / Vin = 5V / 0.005V = 1000. Kwa hivyo, kosa la asilimia kwa hatua hii ni 0%. 0.005V ilichaguliwa kama pembejeo kwa sehemu hii kwani itahusiana kwa karibu na pembejeo iliyopokelewa kutoka kwa elektroni kama ilivyoelezwa katika sehemu ya mbinu.

Hatua ya pili, kichungi cha bandpass, kilikuwa na kiwango cha lengo cha 0.5 - 150 Hz. Ili kujaribu kichungi na uhakikishe masafa yanalingana, muongo mmoja, kufagia AC kuliendeshwa na alama 100 kwa muongo mmoja kutoka 0.01 - 1000 Hz. Kielelezo 5 kinaonyesha matokeo kutoka kwa kufagia AC na inathibitisha kuwa masafa ya 0.5 hadi 150 Hz yalipatikana kwa sababu kiwango cha juu cha chini cha 3 dB kinatoa masafa ya cutoff. Njia hii imeonyeshwa kwenye grafu.

Hatua ya tatu, kichungi cha notch, kilibuniwa kuondoa kelele inayopatikana karibu 60 Hz. Kituo kilichohesabiwa cha masafa ya kukataa kilikuwa ~ 56 Hz. Ili kudhibitisha hii, muongo mmoja, kufagia AC kuliendeshwa na alama 100 kwa muongo kutoka 0.01 - 1000 Hz. Kielelezo 6 kinaonyesha matokeo kutoka kwa kufagia AC na inaonyesha kituo cha masafa ya kukataa ~ 56-59 Hz. Asilimia ya hitilafu kwa sehemu hii ingekuwa 4.16%.

Baada ya kudhibitisha kuwa kila hatua ya mtu binafsi ilikuwa ikifanya kazi, hatua hizo tatu zilikusanywa kama inavyoonekana kwenye Kielelezo 7. Kisha jaribio la muda mfupi lilitekelezwa kuangalia ukuzaji wa mzunguko na jaribio lilianza kutoka sekunde 1 - 1.25 na hatua ya juu ya muda wa 0.05 na voltage iliyotolewa ya wimbi la sine ya AC na amplitude ya 0.005 V na masafa ya 50 Hz. Grafu iliyosababishwa ni grafu ya kwanza kwenye Mchoro 7 inaonyesha Vout3 (nyekundu), pato la mzunguko mzima, kuwa 3.865 V na kwa hivyo kupata faida = 3.865V / 0.005V = 773. Hii ni tofauti sana kuliko faida iliyokusudiwa ya 1000 na inatoa kosa la 22.7%. Baada ya jaribio la muda mfupi, muongo mmoja, kufagia AC kuliendeshwa na alama 100 kwa muongo kutoka 0.01 - 1000 Hz na ikatoa grafu ya pili kwenye Mchoro 7. Grafu hii inaonyesha matokeo yaliyokusudiwa na inaonyesha vichungi vinavyofanya kazi sanjari kutoa kichungi inakubali masafa kutoka 0.5-150 Hz na kituo cha kukataa kutoka 57.5-58.8 Hz.

Mlinganisho:

(1) - faida ya kipaza sauti cha vifaa [6], vipinga kulingana na zile zinazopatikana kwenye Mchoro 4.

(2) - mzunguko wa cutoff kwa kichujio cha chini / cha juu cha kupitisha

(3) - kwa kichujio cha noti la mapacha [8], vipingamizi vinavyohusiana na zile zinazopatikana kwenye Mchoro 6.

Hatua ya 1: Amplifier ya vifaa

Hatua ya 1: amplifier ya vifaa

equation - KUPATA = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3)

Hatua ya 2: Bandpass

hatua ya 2: kichungi cha bandpass

equation: mzunguko wa cutoff = 1 / 2πRC

Hatua ya 3: Hatua ya 3: Kichujio cha Notch

hatua ya 3: Kichujio cha Twin T Notch

equation - frequency kukataliwa katikati = 1 / 2π √ (1 / (C_2 C_3 R_5 (R_3 + R_4)))

Hatua ya 4: Mpangilio wa Mwisho wa Hatua Zote Pamoja

Mpangilio wa mwisho na kufagia kwa ac na curves za muda mfupi

Hatua ya 5: Majadiliano ya Kifaa

Majadiliano:

Matokeo kutoka kwa majaribio yaliyofanywa hapo juu yalikwenda kama inavyotarajiwa kwa mzunguko kwa ujumla. Ingawa ukuzaji haukuwa kamili na ishara ilipungua kidogo zaidi ilizunguka kwa mzunguko (ambayo inaweza kuonekana kwenye Kielelezo 7, grafu 1 ambapo ishara iliongezeka kutoka 0.005V hadi 5V baada ya hatua ya kwanza na kisha ilipungua hadi 4V baada ya pili na kisha 3.865V baada ya hatua ya mwisho), kichungi cha bandwidth na notch kilifanya kazi kama ilivyokusudiwa na ilizalisha masafa ya 0.5-150 Hz na kuondolewa kwa masafa kuhusu 57.5-58.8 Hz.

Baada ya kuanzisha vigezo vya mzunguko wangu, nililinganisha na ECG zingine mbili. Ulinganisho wa moja kwa moja zaidi na nambari tu unaweza kupatikana katika Jedwali 1. Kulikuwa na kuchukua tatu kuu wakati wa kulinganisha data yangu na vyanzo vingine vya fasihi. Ya kwanza ilikuwa kwamba ukuzaji katika mzunguko wangu ulikuwa chini sana kuliko zile zingine mbili ambazo nilikuwa nikilinganisha pia. Mizunguko yote ya vyanzo vya fasihi ilifanikiwa kukuza 1000 na katika Gawali's ECG [9], ishara iliongezewa zaidi na sababu ya 147 katika hatua ya chujio. Kwa hivyo, ingawa ishara katika mzunguko wangu iliongezewa na 773 (makosa ya 22.7% wakati ikilinganishwa na ukuzaji wa kiwango) na ikachukuliwa kuwa ya kutosha kuweza kutafsiri ishara ya kuingiza kutoka kwa elektroni [6], bado ilibaki ikilinganishwa na ukuzaji wa kiwango ni 1000. Ikiwa ukuzaji wa kiwango ulipaswa kupatikana katika mzunguko wangu, ukuzaji katika kifaa cha kuongeza vifaa utahitaji kuongezeka kwa sababu kubwa kuliko 1000 ili wakati faida inapopungua baada ya kupita kila hatua ya kichujio kwenye mzunguko wangu, bado ina faida ya angalau 1000 au vichungi vinahitaji kurekebishwa ili kuzuia viwango vya juu vya kushuka kwa voltage kutokea.

Njia kuu ya pili ya kuchukua ni kwamba mizunguko yote mitatu ilikuwa na masafa sawa ya masafa. [9] ya Gawali ilikuwa na kiwango sawa sawa cha 0.5-150 Hz wakati Goa [10] ilikuwa na upana kidogo wa 0.05-159 Hz. Mzunguko wa Goa ulikuwa na tofauti hii kidogo kwa sababu masafa hayo yalifaa zaidi kadi ya upatikanaji wa data ambayo ilikuwa ikitumika katika usanidi wao.

Njia kuu ya mwisho ya kuchukua ilikuwa tofauti katikati ya masafa ya kukataa yaliyopatikana na vichungi vya notch katika kila mzunguko. Gao na mzunguko wangu wote walikuwa na lengo la 60 Hz ili kukandamiza kelele ya masafa ya laini iliyosababisha laini za umeme wakati ile ya Gawali ilikuwa imewekwa kwa 50 Hz. Walakini, tofauti hii ni sawa kwani kulingana na eneo ulimwenguni, masafa ya laini ya umeme inaweza kuwa 50 au 60 Hz. Kwa hivyo, kulinganisha moja kwa moja kulifanywa tu kwa mzunguko wa Goa kwani kuingiliwa kwa laini ya umeme nchini Merika ni 60 Hz [11]. Kosa la asilimia ni 3.08%.