ECG خودکار: شبیه سازی تقویت و فیلتر با استفاده از LTspice: 5 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:51

این تصویر دستگاه نهایی است که شما خواهید ساخت و یک بحث بسیار عمیق در مورد هر قسمت است. همچنین محاسبات هر مرحله را توضیح می دهد.

تصویر بلوک دیاگرام این دستگاه را نشان می دهد

روش ها و مواد:

هدف این پروژه توسعه یک دستگاه جمع آوری سیگنال به منظور مشخص کردن یک سیگنال بیولوژیکی خاص/جمع آوری داده های مربوط به سیگنال بود. به طور خاص ، ECG خودکار. بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل 3 شماتیک پیشنهادی برای دستگاه را برجسته می کند. دستگاه سیگنال بیولوژیکی را از طریق الکترود دریافت می کند و سپس آن را با استفاده از تقویت کننده با افزایش 1000 تقویت می کند. این تقویت ضروری است زیرا سیگنال بیولوژیکی در حدود 5mV کمتر است که بسیار کوچک است و تفسیر آن دشوار است [5]. پس از آن ، نویز با استفاده از فیلتر گذر باند کاهش می یابد تا محدوده فرکانسی مطلوب برای سیگنال ، 0.5-150 هرتز را بدست آورد ، و سپس یک درجه برای حذف نویز معمولی اطراف ناشی از خطوط برق در حدود 50-60 هرتز ایجاد شود. [11] در نهایت ، سیگنال باید به دیجیتال تبدیل شود تا بتوان با استفاده از کامپیوتر تفسیر کرد و این کار با مبدل آنالوگ به دیجیتال انجام می شود. در این مطالعه ، تمرکز اصلی بر تقویت کننده ، فیلتر باند باند و فیلتر ناچ است.

تقویت کننده ، فیلتر باند باند ، و فیلتر ناچ همه با استفاده از LTSpice طراحی و شبیه سازی شده اند. هر بخش ابتدا به طور جداگانه توسعه داده شد و مورد آزمایش قرار گرفت تا از عملکرد صحیح آنها اطمینان حاصل شود و سپس در یک طرح کلی نهایی متصل شوند. تقویت کننده ، که در شکل 4 مشاهده می شود ، بر اساس یک تقویت کننده ابزار طراحی شده است. یک تقویت کننده ابزار عموماً در نوار قلب ، مانیتورهای دما و حتی آشکارسازهای زلزله استفاده می شود ، زیرا می تواند سیگنال بسیار پایینی را در حالی که نویز اضافی را رد می کند ، تقویت کند. همچنین برای تعدیل هرگونه سود مورد نیاز ، اصلاح آن بسیار آسان است [6]. سود مورد نیاز برای مدار 1000 است و این انتخاب شده است زیرا ورودی از الکترود یک سیگنال AC کمتر از 5 میلی ولت [5] خواهد بود و برای تسهیل تفسیر داده ها باید تقویت شود. برای بدست آوردن سود 1000 ، از معادله (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) استفاده شد که بنابراین GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω به دست آورد) (1000Ω/100Ω) = 1000. به منظور تأیید میزان صحیح تقویت ، یک آزمایش گذرا با استفاده از LTspice انجام شد.

مرحله دوم فیلتر باند بند بود. این فیلتر را می توان در شکل 5 مشاهده کرد و شامل یک فیلتر کم گذر و سپس یک گذر بالا با یک تقویت کننده عملیاتی در بین آنهاست تا از خنثی شدن فیلترها جلوگیری شود. هدف از این مرحله تولید محدوده فرکانسی است که عبور از دستگاه قابل قبول خواهد بود. محدوده مورد نظر برای این دستگاه 0.5-150 هرتز است زیرا این محدوده استاندارد برای نوار قلب است [6]. به منظور دستیابی به این محدوده هدف ، از معادله (2) فرکانس قطع = 1/(2πRC) به منظور تعیین فرکانس برش برای هر دو فیلتر گذر بالا و پایین گذر در محدوده باند استفاده شد. از آنجا که قسمت پایینی محدوده باید 0.5 هرتز باشد ، مقاومت فیلتر بالا و خازن 0.5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318.83µF) و در انتهای بالا 150 Hz ، پایین محاسبه می شود. مقادیر مقاومت فیلتر عبور و خازن 150 هرتز = 1/(2π*1000Ω*1.061µF) محاسبه شد. برای تأیید اینکه محدوده فرکانسی صحیح بدست آمده است ، یک جارو AC با استفاده از LTspice اجرا شد.

سومین و آخرین مرحله شبیه سازی شده فیلتر ناچ است و در شکل 6 قابل مشاهده است. فیلتر ناچ به عنوان وسیله ای برای حذف نویزهای نامطلوب که در وسط محدوده فرکانس مورد نظر ایجاد شده توسط باند بند ایجاد می شود ، عمل می کند. فرکانس هدف در این مورد 60 هرتز است زیرا این فرکانس استاندارد خط برق در ایالات متحده است و در صورت عدم برخورد با آن تداخل ایجاد می کند [7]. فیلتر ناچ انتخاب شده به منظور رسیدگی به این تداخل یک فیلتر دو درجه ای با دو آمپر و تقسیم کننده ولتاژ بود. این به سیگنال اجازه می دهد تا نه تنها سیگنال را مستقیماً در فرکانس مورد نظر فیلتر کند بلکه یک بازخورد متغیر به سیستم ، ضریب کیفیت Q قابل تنظیم و خروجی متغیر را به لطف تقسیم ولتاژ وارد کند و بنابراین این فیلتر را به جای فیلتر فعال تبدیل کرد. یک منفعل [8] این عوامل اضافی در آزمایشات اولیه عمدتا دست نخورده باقی مانده اند ، اما در کارهای بعدی و نحوه بهبود پروژه بعداً مورد بررسی قرار خواهند گرفت. برای تعیین مرکز فرکانس رد ، معادله (3) فرکانس رد مرکز = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* √ (1/[(0.1*10^-6µF)*(0.1*10^-6µF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 هرتز استفاده شد. برای تأیید اینکه فرکانس رد صحیح به دست آمده است ، یک جارو AC با استفاده از LTspice انجام شد.

سرانجام ، پس از آزمایش جداگانه هر مرحله ، سه مرحله با هم در شکل 7 ترکیب شدند. همچنین لازم به ذکر است که همه آمپرها دارای منبع تغذیه DC +15V و -15V DC هستند تا امکان تقویت قابل توجهی فراهم شود. در مواقع ضروری رخ دهد سپس یک آزمایش گذرا و یک رفت و برگشت AC روی مدار تکمیل شده انجام شد.

نتایج:

نمودارهای هر مرحله را می توانید مستقیماً در مرحله مربوطه در بخش شکل در پیوست پیدا کنید. در مرحله اول ، تقویت کننده ابزار ، یک آزمایش گذرا بر روی مدار انجام شد تا مطمئن شود که افزایش آمپلی فایر 1000 است. این آزمایش از 1 تا 1.25 ثانیه با حداکثر زمان 0.05 انجام شد. ولتاژ تغذیه شده یک موج سینوسی AC با دامنه 0.005 ولت و فرکانس 50 هرتز بود. افزایش مورد نظر 1000 بود و همانطور که در شکل 4 مشاهده می شود ، از آنجا که Vout (منحنی سبز) دارای دامنه 5 ولت بود. سود شبیه سازی شده محاسبه می شود ، سود = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. بنابراین ، درصد خطا برای این مرحله 0 است. 0.005V به عنوان ورودی برای این بخش انتخاب شده است زیرا ارتباط نزدیکی با ورودی دریافتی از الکترود دارد ، همانطور که در بخش روشها ذکر شده است.

مرحله دوم ، فیلتر بند ، دارای محدوده هدف 0.5-150 هرتز بود. به منظور آزمایش فیلتر و اطمینان از مطابقت برد ، یک دهه ، جارو AC با 100 امتیاز در هر دهه از 0.01 تا 1000 هرتز اجرا شد. شکل 5 نتایج رفت و برگشت AC را نشان می دهد و تأیید می کند که محدوده فرکانسی 0.5 تا 150 هرتز بدست آمده است زیرا حداکثر منهای 3 دسی بل فرکانس قطع را می دهد. این روش در نمودار نشان داده شده است.

مرحله سوم ، فیلتر ناچ ، برای حذف نویز موجود در حدود 60 هرتز طراحی شد. مرکز محاسبه فراوانی رد 56 هرتز ~ بود. به منظور تأیید این امر ، یک دهه ، رفت و برگشت AC با 100 امتیاز در هر دهه از 0.01 - 1000 هرتز اجرا شد. شکل 6 نتایج جاروب AC را نشان می دهد و مرکز فرکانس رد ~ 56-59 هرتز را نشان می دهد. درصد خطا برای این بخش 4.16 خواهد بود.

پس از تأیید اینکه هر مرحله به صورت جداگانه کار می کند ، سه مرحله همانطور که در شکل 7 مشاهده می شود ، مونتاژ شدند و سپس یک آزمایش گذرا برای بررسی تقویت مدار انجام شد و آزمون از 1 تا 1.25 ثانیه با حداکثر گام زمانی 0.05 با ولتاژ موج سینوسی AC با دامنه 0.005 ولت و فرکانس 50 هرتز. نمودار به دست آمده اولین گراف در شکل 7 است که Vout3 (قرمز) را نشان می دهد ، خروجی کل مدار 3.865 ولت است و بنابراین باعث افزایش = 3.865V/0.005V = 773 می شود. این تفاوت قابل توجهی با افزایش مورد نظر 1000 دارد و 22.7٪ خطا می دهد. پس از آزمایش گذرا ، یک دهه ، رفت و برگشت AC با 100 امتیاز در هر دهه از 0.01 - 1000 هرتز اجرا شد و نمودار دوم را در شکل 7 ایجاد کرد. این نمودار نتایج مورد نظر را برجسته می کند و فیلترهایی را نشان می دهد که همزمان برای تولید فیلتری کار می کنند. فرکانس های 0.5-150 هرتز را با مرکز رد 57.5-58.8 هرتز می پذیرد.

معادلات:

(1) - افزایش تقویت کننده ابزار [6] ، مقاومت های نسبت به موارد موجود در شکل 4.

(2) - فرکانس قطع برای یک فیلتر گذر کم/زیاد

(3) - برای فیلتر دوقلو t [8] ، مقاومتهای نسبت به موارد موجود در شکل 6.

مرحله 1: تقویت کننده ابزار

مرحله 1: تقویت کننده ابزار

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

مرحله 2: باند بند

مرحله 2: فیلتر باند

معادله: فرکانس قطع = 1/2πRC

مرحله 3: مرحله 3: Notch Filter

مرحله 3: فیلتر Twin T Notch

معادله - فرکانس رد مرکز = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

مرحله 4: شماتیک نهایی همه مراحل با هم

شماتیک نهایی با رفت و برگشت AC و منحنی های گذرا

مرحله 5: بحث در مورد دستگاه

بحث:

نتیجه آزمایشات انجام شده در بالا مطابق انتظار برای کل مدار بود. اگرچه تقویت کننده کامل نبود و سیگنال هرچه بیشتر از مدار عبور می کرد کمی تضعیف شد (که در شکل 7 ، نمودار 1 مشاهده می شود که در آن سیگنال پس از مرحله اول از 0.005V به 5V افزایش یافته و پس از مرحله دوم به 4V کاهش می یابد. و سپس 3.865 ولت پس از مرحله نهایی) ، فیلتر باند و فیلتر ناچ مطابق برنامه مورد نظر کار کرد و محدوده فرکانسی 0.5-150 هرتز با حذف فرکانس حدود 57.5-58.8 هرتز تولید کرد.

پس از تعیین پارامترهای مدار ، آن را با دو نوار قلب دیگر مقایسه کردم. مقایسه مستقیم تر با اعداد را می توان در جدول 1 یافت. هنگام مقایسه داده های من با سایر منابع ادبیات ، سه مورد مهم وجود داشت. اولین مورد این بود که تقویت کننده مدار من به طور قابل توجهی کمتر از دو مورد دیگر بود که من مقایسه می کردم. هر دو مدار منابع ادبی به 1000 رسیدند و در نوار قلب گاوالی [9] ، سیگنال در مرحله فیلتر با ضریب 147 حتی بیشتر تقویت شد. بنابراین ، اگرچه سیگنال مدار من با 773 (خطای 22.7٪ در مقایسه با تقویت استاندارد) تقویت شد و به اندازه کافی در نظر گرفته شد تا بتواند سیگنال ورودی از الکترود را تفسیر کند [6] ، اما در مقایسه با تقویت استاندارد هنوز کوتوله است. 1000. اگر قرار بود در مدار من تقویت استاندارد به دست آید ، تقویت کننده تقویت کننده ابزار باید به ضریب بیشتر از 1000 افزایش یابد ، به طوری که هنگامی که سود پس از گذراندن هر یک از مراحل فیلتر در مدار من کاهش می یابد ، هنوز حداقل 1000 افزایش دارد یا فیلترها باید تنظیم شوند تا از افت سطوح بالاتر جلوگیری شود.

دومین نکته مهم این بود که هر سه مدار دارای دامنه فرکانسی بسیار مشابهی بودند. محدوده Gawali [9] دقیقاً همان 0.5-150 هرتز بود در حالی که Goa [10] محدوده کمی گسترده تر از 0.05-159 هرتز داشت. مدار گوا این اختلاف جزئی را داشت زیرا این محدوده با کارت جمع آوری داده هایی که در راه اندازی آنها استفاده می شد مناسب تر بود.

آخرین نتیجه مهم ، تفاوت در مرکز فرکانس های رد شده توسط فیلترهای ناچ در هر مدار بود. مدار گائو و مدار من هر دو دارای هدف 60 هرتز بودند تا نویز فرکانس خطوط باعث ایجاد خطوط برق شود در حالی که گاوالی روی 50 هرتز تنظیم شده بود. با این حال ، این اختلاف خوب است زیرا بسته به موقعیت در جهان ، فرکانس خط برق می تواند 50 یا 60 هرتز باشد. بنابراین ، مقایسه مستقیم با مدار گوا انجام شد زیرا تداخل خطوط برق در ایالات متحده 60 هرتز است [11]. درصد خطا 3.08 است.