Uchambuzi wa Impedance ya Bio (BIA) Pamoja na AD5933: Hatua 9

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:51

Nimekuwa na hamu ya kufanya Bio Impedance Analyzer kwa vipimo vya muundo wa mwili na utaftaji wangu wa nasibu uliendelea kupata muundo kutoka kwa darasa la 2015 la Biomedical Instrumentation katika Chuo Kikuu cha Vanderbilt. Nimefanya kazi kupitia muundo na kuiboresha kidogo. Ningependa kushiriki matokeo yangu na wewe. Chukua kile unachoweza kutumia kutoka "kutembea-kwa" hii ikiwa kuna jambo halieleweki tafadhali pendekeza maboresho. Huenda siku moja nikaandika mawazo yangu kwa fomu ya kushikamana zaidi, lakini kwa sasa natumahi unaweza kutumia chochote unachokiona hapa. (Ikiwa unafikiria unaweza kuandika hii na kuboresha, unakaribishwa)

Teddy

Ubunifu huu una chip ya AD5933 na mwisho wa mbele wa analoji (AFE) ili kuunganisha AD5933 na mwili. AD5933 basi hufanya upimaji na matokeo yanaweza kushughulikiwa na mdhibiti mdogo (k. Arduino).

Ikiwa una mpango wa kutumia Arduino kama usambazaji wa umeme hakikisha kwamba viboreshaji vya utendakazi na vifaa (op-amps na in-amps) vinasaidia kile kinachoitwa "usambazaji mmoja" na uwe na vielelezo vya reli-kwa-reli.

(Katika yafuatayo nitatumia umeme (kutoka Arduino) ya 5V na mpangilio wa Range 1 kwenye AD5933.)

Hatua ya 1: Hatua ya Upendeleo

Sehemu ya kwanza ya AFE ni hatua ya upendeleo tena. Ishara ya voltage ya pato haizingatii katikati ya anuwai ya usambazaji wa voltage (VDD / 2). Hii inarekebishwa kwa kutumia capacitor kuzuia sehemu ya ishara ya DC na kuipeleka kwa njia ya mgawanyiko wa voltage ili kuongeza DC kukabiliana tena kwenye ishara.

Vipinga viwili vya upendeleo vinaweza kuwa na thamani yoyote ilimradi zifanane. Thamani maalum ya kofia pia sio muhimu.

Hatua ya upendeleo inafanya kazi kama kichujio cha kupita cha juu na kwa hivyo ina mzunguko wa cutoff:

f_c = 1 / (2 * pi * (0.5 * R) * C)

Hakikisha kwamba masafa ya cutoff ni miongo michache chini ya kiwango cha chini unachopanga kutumia. Ikiwa unapanga kutumia 1kHz katika programu yako unapaswa kwenda kwa kofia na maadili ya kupinga ambayo yatakupa mzunguko wa cutoff kwa agizo la 1-10 Hz.

Sehemu ya mwisho ya hatua hii ni op-amp iliyoundwa kuwa mfuasi wa voltage. Hii ni kuhakikisha kuwa maadili ya kupinga hayanaingiliana na hatua inayofuata

Hatua ya 2: Resistor ya sasa ya kuhisi

Sehemu ya kwanza ya hatua inayofuata ni kinzani ya sasa ya kuhisi. Ya sasa kupitia kontena hii itakuwa sawa na hiyo ambayo amplifier itajaribu kudumisha kupitia mwili. Hakikisha kwamba sasa inakidhi viwango vya usalama vya IEC6060-1 *:

Chini ya masafa ya 1 kHz upeo wa 10 MicroAmps (RMS) huruhusiwa kupitia mwili. Katika masafa juu ya 1kHz mlingano ufuatao unapeana kiwango cha juu kinachoruhusiwa sasa:

Max AC ya sasa <(kiwango cha chini cha kHz) * 10 MicroAmps (RMS)

Uhusiano kati ya urefu wa kilele cha ishara ya AC na thamani yake ya RMS ni: Peak = sqrt (2) * RMS. (10 microAmps RMS zinahusiana na 14 amplAmps kilele amplitude)

Kutumia Sheria ya Ohms kwenye kontena tunaweza kuhesabu thamani ya kipinga ambayo itazingatia kiwango cha usalama. Tunatumia voltage ya uchochezi kutoka AD5933 na kiwango cha juu cha sasa:

U = R * I => R = U / I

Mfano. kutumia mpangilio wa Range 1 Upeak = 3V / 2 = 1.5V (au 1V @ 3.3V)

Kutumia 14 ya kiwango cha juu cha MicroAmp kutoka hapo juu napata thamani ya kupinga ya angalau 107kOhms

Marejeo:

* Vifaa vya Analog: "Bio-Impedance Circuit Design ya Mifumo ya Mwili Worn"

Hatua ya 3: Amplifier Trans-conductance

Baada ya mpinzani wa sasa wa kuhisi kuna op-amp katika usanidi wa maoni hasi. Hii ni usanidi uitwao wa Mzigo-ndani-wa-Kitanzi. Kituo cha kuingiza chanya cha op-amp kimeunganishwa na voltage ya VDD / 2. Op-amp sasa itajaribu kurekebisha pato lake kwa mwelekeo tofauti na ishara ya uchochezi kama kwamba voltage kwenye terminal hasi itakuwa sawa na VDD / 2. Hii itazalisha uwezo wa kuona kusukuma na kuvuta sasa kupitia mwili.

Sasa inayotolewa kutoka kwa terminal hasi ya op-amp ni karibu sifuri. Yote ya sasa kupitia kinzani ya sasa ya kuhisi kwa hivyo inapaswa kupita kupitia mwili. Huu ndio utaratibu ambao hufanya usanidi huu kuwa kipaza sauti cha trans-conductance (pia huitwa chanzo cha sasa kinachodhibitiwa na voltage, VCCS).

Op-amp inaweza kudumisha tu ya sasa ikiwa impedance ya mwili sio kubwa sana. Vinginevyo pato la op-amp lingetoka tu kwenye voltage ya usambazaji (0 au 5 V). Upeo wa upeo wa voltage ambao unaweza kudumishwa ni VDD / 2 + Upeak (2.5 + 1.5V = 4V @ 5V usambazaji). Kando ya voltage ya op-amp inapaswa kutolewa kutoka kwa thamani hii, lakini ikiwa op-amp ina vielelezo vya reli-kwa-reli ambayo itakuwa tu kiasi kidogo. Upungufu mkubwa ambao op-amp inaweza kuendesha ni kwa hivyo:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(Katika usanidi wangu Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, unataka ni mengi kufunika upeo wa upeo wa mwili)

Kinga ya kinga ina thamani kubwa sana (MOHms 1-1.5) ikilinganishwa na mwili (takriban 100kOhms) na kwa shughuli zote za kawaida hii haitavuta sasa yoyote inayoonekana na impedance ya unganisho sambamba inaongozwa na impedance ya mwili. Ikiwa upungufu wa mwili unapaswa kuinuka (k.v. pedi zinazofunguliwa) sasa inaweza kupitia kontena na upeo wa op-amp hauwezi kuunda voltages mbaya kwenye pedi.

Hatua ya 4: Kiboreshaji cha Vifaa

Hatua inayofuata ni amplifier ya vifaa (in-amp) ambayo hupima voltage kwenye mwili. Voltage kwenye mwili inazunguka karibu 0V, lakini AD5933 inahitaji voltage ya pembejeo kuwa katika anuwai nzuri. In-amp kwa hivyo inaongeza DC kukabiliana na VDD / 2 kwa ishara ya kipimo cha voltage.

Rejeleo la VDD / 2 linazalishwa na mgawanyiko wa voltage. Upinzani wowote wa thamani unaweza kutumika maadamu ni sawa. Mgawanyiko wa voltage hutenganishwa na impedance ya wengine wa mzunguko na mfuasi wa voltage. Pato la mfuasi wa voltage basi linaweza kupelekwa kwa in-amp na amplifier ya trans-conductance.

Hatua ya 5: Hatua ya Uingizaji na Upimaji

Hatua ya kuingiza ya AD5933 ina op-amp katika usanidi wa maoni hasi. Kuna vipinga viwili: moja kwa safu (Rin) na moja kwa sambamba (RFB). Faida ya op-amp hutolewa na

A = - RFB / Rin

Mafanikio ya op-amp ya pembejeo na in-amp (na PGA) zinahitaji kuhakikisha kuwa ishara inayoingia kwenye ADC ya AD5933 iko kila wakati ndani ya 0V na VDD.

(Ninatumia faida ya umoja katika-amp na maadili ya kupinga ambayo yatatoa takriban A = 0.5)

Ndani ya AD5933 ADC itabadilisha ishara ya voltage kuwa ishara ya dijiti. Aina ya voltage kutoka 0V hadi VDD inabadilishwa kuwa anuwai ya dijiti 0-128 (2 ^ 7). (Nyaraka hizo haziko wazi juu ya hili lakini uchunguzi wa karibu wa viwanja katika [1] na majaribio ya som upande wangu yanathibitisha hili.)

Ndani ya moduli ya DFT kuna upeo mwingine wa 256 (1024/4, angalia [1]) kabla ya matokeo kuokolewa kwenye rejista halisi na ya kufikirika.

Kwa kufuata bomba la ishara ya voltage AFE, ndani ya ADC na kutumia sababu za kiwango zilizotajwa kabla ya uwezekano wa kukadiria faida ya kuwa:

g = (VDD * Rcurrent * Rin) / (256 * PGA * Upeak * RFB * 2 ^ 7)

usawazishaji mwingine bado unaweza kuwa muhimu kwa sababu ya athari zingine sio sehemu ya mfano huu wa kihesabu, kwa hivyo tafadhali pima faida ya kweli kwa kupima vifaa vya impedance inayojulikana, kama vipinga. (g = Z / mag, angalia hapa chini)

Impedans sasa inaweza kuhesabiwa na

Z = g * mag

mag = sqrt (halisi ^ 2 + imaginary ^ 2)

PA = arctan2 (halisi, ya kufikiria) - deltaPA

PA labda inahitaji kuhesabiwa na vile vile kuna mabadiliko ya utaratibu kama kazi ya masafa katika AD5933. deltaPA labda itakuwa kazi inayofanana ya masafa.

Upinzani na athari sasa zinaweza kuhesabiwa na

R = Z * cos (PA)

X = Z * dhambi (PA)

Marejeleo: [1] Leonid Matsiev, "Kuboresha Utendaji na Utofauti wa Mifumo Kulingana na Wachunguzi wa DFT Moja-Frequency kama AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390 / umeme4010001

Hatua ya 6: Vitu vya hali ya juu: Uvujaji wa Spectral (DC)

Ishara ambayo tunaweka kwenye AD5933 ni voltage / sasa kama funktion ya wakati, lakini nia yetu kuu ni impedance kama funktion ya frequency. Kubadilisha kati ya kikoa cha wakati na masafa-uwanja tunahitaji kuchukua ubadilishaji wa Fourier wa ishara ya kikoa cha wakati. AD5933 ina moduli ya Diski ya Nne ya kubadilisha (DFT). Kwa masafa ya chini (chini ya takriban 10 kHz) ujenzi katika DFT unaathiriwa na kuvuja na kuvuja kwa macho. Katika [1] anapitia hesabu ya jinsi ya kurekebisha uvujaji wa macho. Kiini cha hii ni kuhesabu mara tano (pamoja na mbili) kwa kila hatua ya mzunguko katika kufagia. Hii inaweza kufanywa kwa urahisi n.k. na Arduino katika programu.

Kuvuja huja kwa njia mbili: kuvuja kwa DC ambayo inaongeza asili na kuvuja kwa AC ambayo ni ya kuzidisha kwa maumbile.

Uvujaji wa DC unatokana na ukweli kwamba ishara ya voltage kwenye ADC haizunguki kuzunguka 0V lakini karibu na VDD / 2. Kiwango cha DC cha VDD / 2 kinapaswa kufanana na usomaji wa dijiti wa DC wa takriban 64 (delta iliyoteuliwa katika [1]).

Hatua za kurekebisha uvujaji wa macho ya DC:

1) Fanya hesabu ya bahasha E kwa masafa ya sasa.

2) Hesabu sababu mbili za faida GI (halisi) na GQ (ya kufikiria)

3) Ondoa delta * GI kutoka kwa thamani ya rejista halisi na delta * GQ kutoka kwa thamani ya rejista ya kufikirika

Marejeo:

[1] Leonid Matsiev, "Kuboresha Utendaji na Utofauti wa Mifumo Kulingana na

Vigunduzi vya DFT-Frequency kama vile AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390 / elektroniki4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Rahisi Wide Frequency Range Impedance Meter Kulingana na AD5933 Jumuishi ya Mzunguko", Metrol. Njia. Syst., Juz. XXII (2015), Na. 1, ukurasa wa 13-24.

Hatua ya 7: Vitu vya Juu: Uvujaji wa Spectral (AC)

Kama vile kuvuja kwa DC, kuvuja kwa AC kunaweza kusahihishwa kihesabu. Katika [1] upinzani na athari huitwa A * cos (phi) na A * sin (phi) mtawaliwa, ambapo A inalingana na ukubwa wa impedance na phi inalingana na pembe ya awamu (PA).

Hatua za kurekebisha uvujaji wa macho ya AC:

1) Fanya hesabu ya bahasha E (sio sawa na DC) kwa masafa ya sasa.

2) Hesabu mambo matatu a, b, na d. (maadili ya takriban kwa masafa ya juu: a = d = 256 na b = 0)

3) Upinzani (Acos (phi)) na athari (Asin (phi)) sasa inaweza kuhesabiwa kwa vitengo vya dijiti

Marejeleo: [1] Leonid Matsiev, "Kuboresha Utendaji na Utofauti wa Mifumo Kulingana na Wachunguzi wa DFT Moja-Frequency kama AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390 / umeme4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Rahisi Wide Frequency Range Impedance Meter Kulingana na AD5933 Jumuishi ya Mzunguko", Metrol. Njia. Syst., Juz. XXII (2015), Na. 1, ukurasa wa 13-24.

Hatua ya 8: Vitu vya hali ya juu: Faida ya kinadharia

Kwa kuzingatia mfano wa kihesabu wa DFT inapaswa pia kuwezeshwa kuiga AFE nzima kihesabu. Kimahesabu ishara ya voltage inaweza kuelezewa na kazi ya sine na masafa yaliyowekwa, DC kukabiliana na oscillation ya AC iliyo na kiwango cha juu. Mzunguko haubadilika wakati wa hatua ya masafa. Kama sababu ya faida inabadilisha tu ukubwa wa impedance na sio PA hatuwezi kuwa na wasiwasi na mabadiliko yoyote ya awamu yanayotokana na ishara.

Hapa kuna muhtasari mfupi wa ishara ya voltage inapoenea kupitia AFE:

1) Baada ya hatua ya upendeleo tena amplitude ya AC bado ni Upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) na offcet ya DC imebadilishwa kuwa VDD / 2.

2) Katika kipingamizi cha sasa cha kuhisi voltage imewekwa sawa na hatua ya awali…

3)… lakini kwa sababu ya mwendo wa nguvu ya op-amp oscillations ya AC ina saizi ya Z * Upeak / Rcurrent. (Mpango wa DC umeghairiwa na voltage ya kumbukumbu ya op-amps ya VDD / 2 - hatua ya msingi ya msumeno - na inakuwa uwanja wa wema katika sehemu hii ya mzunguko)

4) Umoja katika-amp unaongeza kukabiliana kwa DC ya VDD / 2 nyuma na kupeleka ishara kwa hatua ya kuingiza AD5933

5) Op-amp katika hatua ya kuingiza ina faida ya A = -RFB / Rin na kiwango cha AC kwa hivyo inakuwa (Z * Upeak / Rcurrent) * (RFB / Rin)

6) Kabla tu ya ADC kuna kipato cha kuongeza faida (PGA) na mipangilio miwili faida ya 1 au 5. Ishara ya voltage katika ADC kwa hivyo inakuwa: PGA * (Z * Upeak / Rcurrent) * (RFB / Rin)

ADC inabadilisha ishara ya v (t) kuwa ishara ya dijiti x (t) = u (t) / VDD * 2 ^ 7 na usahihi kidogo wa 12.

Ukubwa A umeunganishwa na impedance Z na faida factor, k, kama A = k * Z na ina thamani ya takriban ya k = PGA * Upeak * RFB * 2 ^ 7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

Ikiwa unapenda kufanya kazi na faida-faktor badala yake g = 1 / k na Z = g * A.

Hatua ya 9: Vitu vya hali ya juu: PA Shift

Katika [2] wanapata mabadiliko ya kimfumo katika PA kama kazi ya masafa. Hii ni kwa sababu ya ucheleweshaji wa muda kati ya DAC ambapo ishara ya uchochezi hutengenezwa na DFT ambapo ishara ya kuingilia inahitaji kuunganishwa na ishara inayotoka.

Mabadiliko yanaonyeshwa na idadi ya mizunguko ya saa ishara ni kuchelewa kati ya DAC na DFT kwa ndani katika AD5933.

Marejeleo: [1] Leonid Matsiev, "Kuboresha Utendaji na Utofauti wa Mifumo Kulingana na Wachunguzi wa DFT Moja-Frequency kama AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390 / umeme4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Rahisi Wide Frequency Range Impedance Meter Kulingana na AD5933 Jumuishi ya Mzunguko", Metrol. Njia. Syst., Juz. XXII (2015), Na. 1, ukurasa wa 13-24.