Автоматташтырылган ЭКГ: LTspiceти колдонуу менен күчөтүү жана чыпкалоо симуляциялары: 5 кадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:36

Бул сиз кура турган акыркы түзмөктүн сүрөтү жана ар бир бөлүк жөнүндө абдан терең талкуу. Ошондой эле ар бир этап үчүн эсептөөлөрдү сүрөттөйт.

Сүрөт бул түзмөктүн блок -схемасын көрсөтөт

Методдор жана материалдар:

Бул долбоордун максаты белгилүү бир биологиялык сигналды мүнөздөө үчүн сигналды алуу түзүлүшүн иштеп чыгуу/сигнал боюнча тиешелүү маалыматтарды чогултуу болгон. Тагыраак айтканда, автоматташтырылган ЭКГ. 3 -сүрөттө көрсөтүлгөн блок -схема түзмөк үчүн сунушталган схеманы бөлүп көрсөтөт. Түзмөк биологиялык сигналды электрод аркылуу кабыл алып, андан кийин аны 1000 күчөткүч менен күчөтмөк. Бул күчөтүү зарыл, анткени биологиялык сигнал 5мВ жөнүндө өтө кичине болот жана аны чечмелөө кыйын [5]. Андан кийин, сигналдын керектүү жыштык диапазонуна жетүү үчүн, 0,5-150 Гц чыңалуу диапазонуна жетүү үчүн, өткөрмө чыпкасы аркылуу ызы-чуу азаят, андан кийин 50-60 Гц тегерегиндеги электр линиялары менен шартталган кадимки ызы-чууну жок кылуу үчүн бир оюк болот. [11]. Акырында, сигналды компьютердин жардамы менен чечмелөө үчүн санарипке өткөрүү керек жана бул аналог менен санариптик которгучта жасалат. Бул изилдөөдө, биринчи кезекте күчөткүчкө, өткөрмө чыпкасына жана оюк чыпкасына басым жасалат.

Күчөткүч, өткөрмө чыпкасы жана оюк чыпкасы LTSpice аркылуу иштелип чыккан. Ар бир бөлүм алгач өзүнчө иштелип чыгып, алардын туура аткарылганына ынануу үчүн текшерилип, анан бир акыркы схемага бириктирилген. 4 -сүрөттө көрүнүп турган күчөткүч аспаптык күчөткүчтөн иштелип чыккан жана негизделген. Приборлордун күчөткүчү көбүнчө ЭКГда, температура мониторлорунда, ал тургай жер титирөө детекторлорунда колдонулат, анткени ашыкча ызы-чууну четке кагуу менен сигналдын өтө төмөн деңгээлин күчөтө алат. Кандай гана пайда болбосун жөнгө салуу үчүн өзгөртүү өтө оңой [6]. Район үчүн керектүү пайда 1000 жана бул электроддун кириши 5 мВтан аз AC сигналга ээ болгондуктан тандалган, анткени маалыматты чечмелөөнү жеңилдетүү үчүн күчөтүү керек. 1000ге ээ болуу үчүн (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) теңдемеси колдонулду, андыктан GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω берди)) (1000Ω/100Ω) = 1000. Күчөтүүнүн туура суммасына жетишүү үчүн LTspiceтин жардамы менен убактылуу сыноо өткөрүлдү.

Экинчи этап - бул өткөрмө чыпкасы. Бул чыпканы 5 -сүрөттөн көрүүгө болот жана чыпкалардын бири -бирин жокко чыгарбашы үчүн төмөн өтмөктөн, андан кийин жогорку өтмө чыпкадан турат. Бул этаптын максаты - бул түзүлүш аркылуу өтүүчү алгылыктуу жыштыктардын диапазонун чыгаруу. Бул аппараттын каалаган диапазону 0,5 - 150 Гц, анткени бул ЭКГ үчүн стандарттык диапазон [6]. Бул максаттуу диапазонго жетүү үчүн (2) кесүү жыштыгы = 1/(2πRC) тең өткөрмө чегинин ичинде жогорку өтүү жана төмөн өтүү чыпкасы үчүн чектин жыштыгын аныктоо үчүн колдонулган. Диапазондун төмөнкү чеги 0,5 Гц болушу керек болгондуктан, жогорку өтүү чыпкасы каршылыгы жана конденсаторлору 0,5 Гц = 1/(2π*1000Ω*318.83µF) жана жогорку чеги 150 Гц болушу керек деп эсептелген. өткөрүү чыпкасы каршылыгынын жана конденсатордун мааниси 150 Гц = 1/(2π*1000Ω*1.061µF) деп эсептелди. Туура жыштык диапазонуна жетишилгенин ырастоо үчүн, LTspice аркылуу AC тазалоо жүргүзүлдү.

Үчүнчү жана акыркы окшоштурулган этап - бул чыпка жана аны 6 -сүрөттөн көрүүгө болот. Чыпка чыпкасы тилкелүү өткөрмө түзгөн каалаган жыштык диапазонунун ортосунда пайда болгон жагымсыз ызы -чууну жок кылуу каражаты катары кызмат кылат. Бул учурда максаттуу жыштык 60 Гцти түзөт, анткени бул Кошмо Штаттардагы электр линиясынын стандарттык жыштыгы жана эгерде каралбаса, тоскоолдук жаратат [7]. Бул тоскоолдукту чечүү үчүн тандалган оюк чыпкасы эки оптималдуу ампер жана чыңалуу бөлүштүргүч менен кош чыпкасы болгон. Бул сигналга сигналды максаттуу жыштыкта гана чыпкалап койбостон, системага өзгөрмөлүү кайтарым байланышты, жөнгө салынуучу сапат коэффициентин Q жана чыңалуу бөлүштүргүчүнүн жардамы менен өзгөрмөлүү чыгууну киргизүүгө мүмкүндүк берет, демек муну активдүү чыпкага айландырды. пассивдүү [8]. Бул кошумча факторлор, негизинен, алгачкы сыноолордо тийбей калган, бирок келечектеги иштерде жана кийинчерээк долбоорду кантип жакшыртуу керектигине токтолобуз. Четке кагуу жыштыгынын борборун аныктоо үчүн (3) борбордун четке кагуу жыштыгы = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* √ (1/[(0.1*10^-6µF)*(0.1*10^-6µF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 Гц колдонулган. Туура четке кагуу жыштыгына жетишилгенин ырастоо үчүн, LTspice аркылуу AC тазалоо жүргүзүлдү.

Акыр -аягы, ар бир этап өзүнчө текшерилгенден кийин, үч баскыч 7 -сүрөттө көрүнгөндөй бириктирилген. Ошондой эле белгилей кетүү керек, бардык күчөткүчтөр +15V жана -15V туруктуу электр энергиясы менен камсыздалган. керек болгондо пайда болот. Андан кийин бүткөн схемада убактылуу сыноо жана AC тазалоо жүргүзүлдү.

Жыйынтыктар:

Ар бир этаптын графиктерин түздөн -түз анын тиешелүү стадиясында тиркеменин Figure бөлүмүндө табууга болот. Биринчи этапта, инструменталдык күчөткүч, күчөткүчтүн кирешеси 1000. Тест 1ден 1.25 секундга чейин чуркап, 0,05 максималдуу убакыт кадамы менен текшерилген. Берилген чыңалуу амплитудасы 0,005 В жана жыштыгы 50 Гц болгон AC синус толкуну болгон. Пландаштырылган пайда 1000 болгон жана 4 -сүрөттө көрүнүп тургандай, Vout (жашыл ийри) 5V амплитудасына ээ болгон. Симуляцияланган киреше болуп эсептелет, пайда = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. Ошондуктан, бул этап үчүн пайыздык ката 0%ды түзөт. Бул бөлүм үчүн киргизүү катары 0.005V тандалды, анткени ал методдор бөлүмүндө айтылгандай электроддон алынган киришке тыгыз байланыштуу болот.

Экинчи этап, өткөрмө чыпкасы, максаттуу диапазонго ээ болгон 0,5 - 150 Гц. Чыпканы сыноо жана диапазондун дал келишине ынануу үчүн, он жылдыкта, AC шыпыруу 0.01ден 1000 Гцке чейин он жылда 100 упай менен иштейт. Figure 5 AC шыпыруунун жыйынтыгын көрсөтөт жана максималдуу минус 3 дБ кесүү жыштыгын бергендиктен 0,5-150 Гц жыштык диапазонуна жеткенин тастыктайт. Бул ыкма графикте көрсөтүлгөн.

Үчүнчү этап, оюк чыпкасы 60 Гц тегерегиндеги ызы -чууну жок кылуу үчүн иштелип чыккан. Четке кагуу жыштыгынын эсептелген борбору ~ 56 Гц болгон. Муну ырастоо үчүн, он жылдыкта, AC шыпыруу он жылда 100 упай менен иштейт, 0.01 - 1000 Гц. Figure 6 AC шыпыруунун жыйынтыктарын көрсөтөт жана четке кагуу жыштыгын көрсөтөт ~ 56-59 Гц. Бул бөлүм үчүн ката 4,16 %ды түзөт.

Ар бир жеке этап иштеп жаткандыгын ырастагандан кийин, үч баскыч 7 -сүрөттө көрүнгөндөй чогултулган. Андан кийин схеманын күчөтүлүшүн текшерүү үчүн убактылуу тест жүргүзүлгөн жана тест 1 - 1.25 секунддан баштап максималдуу убакыт кадамы менен 0.05 болгон. 0,005 В амплитудасы жана 50 Гц жыштыгы бар AC синус толкунунун берилген чыңалуусу. Алынган график 7 -сүрөттөгү биринчи граф болуп саналат Vout3 (кызыл), бүт схеманын чыгышы, 3.865 В, демек, кирешени жасоо = 3.865V/0.005V = 773. Бул 1000дин болжолдуу пайдасынан кыйла айырмаланат жана 22.7%ката берет. Өткөөл тесттен кийин, он жылдыкта, AC шыпыруу 0,01 - 1000 Гцтен баштап он жылда 100 балл менен иштетилген жана 7 -сүрөттөгү экинчи графикти чыгарган. 57-1-58,8 Гцтен баш тартуу борбору менен 0,5-150 Гц жыштыктарды кабыл алат.

Теңдемелер:

(1) - приборлордун күчөткүчтөрүнүн кирешеси [6], 4 -сүрөттө табылганга салыштырмалуу резисторлор.

(2) - төмөн/жогорку өтүү чыпкасы үчүн кесүү жыштыгы

(3) - эгиз т -чүкө чыпкасы үчүн [8], 6 -сүрөттө табылганга салыштырмалуу резисторлор.

1 -кадам: инструменталдык күчөткүч

1 -этап: инструменталдык күчөткүч

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

2 -кадам: Bandpass

2 -этап: өткөрмө чыпкасы

барабардык: кесүү жыштыгы = 1/2πRC

3 -кадам: 3 -этап: Notch Filter

3 -этап: Twin T Notch чыпкасы

теңдеме - борбордун четке кагуу жыштыгы = 1/2 π (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4))))

4 -кадам: Бардык этаптардын жыйынтыктоочу схемасы

AC сыпыруу жана убактылуу ийри сызыктар менен акыркы схема

5 -кадам: Аппаратты талкуулоо

Талкуу:

Жогоруда аткарылган сыноолордун жыйынтыгы бүтүндөй район үчүн күтүлгөндөй болду. Күчөтүү кемчиликсиз эмес жана сигнал бир аз начарласа да, ал схема аркылуу өткөн (муну 7 -графадан көрүүгө болот, график 1, анда сигнал биринчи этаптан кийин 0.005Vдан 5Vга чейин жогорулап, экинчисинен кийин 4V чейин төмөндөгөн. жана андан кийин 3.865V акыркы этаптан кийин), өткөрмө чок чыпкасы ойлогондой иштеди жана болжол менен 57.5-58.8 Гц жыштыгын алып салуу менен 0.5-150 Гц жыштык диапазонун чыгарды.

Менин схемамдын параметрлерин түзгөндөн кийин, мен аны башка эки ЭКГга салыштырдым. Жөн эле сандар менен түздөн -түз салыштырууну 1 -таблицадан табууга болот. Менин маалыматымды башка адабият булактары менен салыштырганда үч негизги жол бар болчу. Биринчиси, менин схемамдагы күчөткүч мен салыштырган башка экөөнө караганда кыйла төмөн болгон. Адабият булактарынын эки схемасы 1000ге көбөйдү жана Гавалинин ЭКГсында [9], сигнал дагы чыпкалоо стадиясында 147 эсе көбөйдү. Ошондуктан, менин схемамдагы сигнал 773 (стандарттуу күчөтүү менен салыштырганда 22.7% ката) менен күчөтүлгөн жана электроддон кирген сигналды чечмелөө үчүн жетиштүү деп эсептелсе да [6], ал дагы эле стандарттык күчөткүчкө салыштырмалуу караңгылыкта 1000. Эгерде менин схемамда стандарттык күчөтүү жетишиле турган болсо, анда инструменталдык күчөткүчтүн күчөтүлүшүн 1000ден көп факторго чейин көбөйтүү керек, ошондо менин схемамдагы ар бир чыпка баскычынан өткөндөн кийин киреше түшүп калса, ал дагы эле 1000ден кем эмес кирешеге ээ же жогорку чыңалуунун төмөндөшүнүн алдын алуу үчүн чыпкаларды тууралоо керек.

Экинчи негизги алып кетүүчү нерсе, бардык үч схема абдан окшош жыштык диапазондоруна ээ болгон. Гавалинин [9] так диапазону 0.5-150 Гц, Гоанын [10] бир аз кененирээк диапазону 0.05-159 Гц болгон. Гоанын схемасында бул кичине айырмачылык бар болчу, анткени бул диапазон аларды орнотууда колдонулган маалыматтарды алуу картасына көбүрөөк ылайык келген.

Акыркы негизги алып кетүү ар бир схемада оюк чыпкалары тарабынан жетишилген четке кагуу жыштыгынын борборундагы айырмачылыктар болгон. Гаонун жана менин схемамдын экөө тең 60 Гцтеги бутага ээ болушту, ал эми Гавалинин 50 Гцке коюлган электр чубалгыларынын чыңалуусун басуу үчүн. Бирок, бул айырмачылык жакшы, анткени дүйнөнүн жайгашкан жерине жараша электр линиясынын жыштыгы 50 же 60 Гц болушу мүмкүн. Ошондуктан, Гоанын схемасына түз салыштыруу жасалды, анткени Америка Кошмо Штаттарында электр линиясынын кийлигишүүсү 60 Гц [11]. Катанын пайызы 3.08%ды түзөт.