Био импеданс анализи (BIA) AD5933 менен: 9 кадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:40

Мен дене түзүлүшүн өлчөө үчүн Био Импеданс Анализаторун жасоого кызыкчумун жана менин туш келди издөөлөрүм Вандербилт университетинин 2015 -жылдагы Биомедициналык приборлор классынан дизайнды таба берген. Мен дизайнды иштеп чыгып, бир аз жакшырттым. Мен сиздер менен өз жыйынтыктарымды бөлүшкүм келет. Бул "басып өтүүдөн" колдоно турган нерсеңизди алыңыз, эгер бир нерсе түшүнүксүз болсо, жакшыртууларды сунуштаңыз. Качандыр бир убакта мен өз оюмду бирдиктүү түрдө жаза алмакмын, бирок азырынча бул жерден көргөнүңдү колдоно аласың деп үмүттөнөм. (Эгер сиз муну жазып, жакшырта алам деп ойлосоңуз, кош келиңиз)

Teddy

Бул дизайн AD5933 чипинен жана AD5933 корпусу менен интерфейске ыңгайлаштырылган аналогдук фронттон (AFE) турат. AD5933 анда өлчөөнү жүргүзөт жана натыйжаларды микроконтроллер (мисалы, Arduino) иштете алат.

Эгерде сиз Arduino-ны электр энергиясы катары колдонууну пландап жатсаңыз, иштөөчү жана приборлордун күчөткүчтөрү (оп-амптер жана амп-лар) "бир камсыздоо" деп аталган чыңалууну колдогонун жана темир жолдон темир жолго чейинки өзгөчөлүктөргө ээ экенине ишениңиз.

(Төмөндө мен 5V кубаттуулугун (Arduinoдон) жана AD5933 боюнча 1 -диапазонду колдоном.)

1-кадам: Re-bias этап

АФЭнин биринчи бөлүгү-бул бир жактуу баскыч. Чыгуу чыңалуу сигналы берүү чыңалуу диапазонунун ортосунда (VDD/2) борборлоштурулган эмес. Бул сигналдын DC бөлүгүн тосуу үчүн конденсатордун жардамы менен оңдолот жана аны кайра чыңалууга бөлүү аркылуу чыңалуу бөлүүчү аркылуу жөнөтөт.

Эки кайра карама-каршы келген резисторлор бирдей болгондо кандайдыр бир мааниге ээ болушу мүмкүн. Капкактын конкреттүү мааниси да маанилүү эмес.

Кайра кароо этабы жогорку өтүү чыпкасы сыяктуу иштейт, ошондуктан кесүү жыштыгы бар:

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

Чектөө жыштыгы сиз колдонууну пландап жаткан минималдуу жыштыктан бир нече ондогон жылдар өткөндүгүн текшериңиз. Эгерде сиз өзүңүздүн колдонмоңузда 1 кГцти колдонууну пландап жатсаңыз, анда сизге 1-10 Гц тартибинде кесүү жыштыгын бере турган капкактарды жана резистордук маанилерди тандашыңыз керек.

Бул этаптын акыркы бөлүгү-бул чыңалуунун жолдоочусу болуу үчүн орнотулган оп-амп. Бул резистордун баалуулуктары кийинки баскычка кийлигишпешине ынануу үчүн

2 -кадам: Учурдагы сезүү резистору

Кийинки этаптын биринчи бөлүгү учурдагы сезүүчү резистор. Бул резистор аркылуу ток күчөткүч дене аркылуу сактоого аракет кылган ошол эле ток болот. Учурдагы IEC6060-1 коопсуздук стандарттарына жооп берерин текшериңиз*:

Дене аркылуу 1 кГц жыштыктардан төмөн эмес, максимум 10 микроАмпске (RMS) уруксат берилет. 1 кГцтен жогору жыштыктарда төмөнкү теңдеме максималдуу уруксат берилген токту берет:

Max AC ток <(минималдуу жыштыгы kHz) * 10 microAmps (RMS)

AC сигналынын эң жогорку амплитудасы менен анын RMS мааниси ортосундагы байланыш: Peak = sqrt (2) * RMS. (10 microAmps RMS 14 microAmps чокусунун амплитудасына туура келет)

Резистордогу Ом мыйзамын колдонуп, коопсуздук стандартына жооп бере турган резистордун маанисин эсептей алабыз. Биз AD5933 жана максималдуу учурдагы дүүлүктүрүү чыңалуусун колдонобуз:

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

Мисалы 1 диапазонун орнотуу Upeak = 3V / 2 = 1.5V (же 1V @3.3V) колдонуу

Жогорудан 14 microAmp чокусун колдонуп, мен кеминде 107kOhms резистордук мааниге ээ болом

Шилтемелер:

* Аналогдук түзмөктөр: "Дене эскирген системалар үчүн био-импеданс схемасы дизайны"

3-кадам: Өткөргүчтүн күчөткүчү

Учурдагы сезүүчү каршылаштан кийин терс пикир конфигурациясында оп-амп бар. Бул Loop-in-the-Loop деп аталган орнотуу. Оп-амптын оң киргизүү терминалы VDD/2 чыңалуусуна туташкан. Оп-амп азыр терс терминалдагы чыңалуу VDD/2ге барабар болушу үчүн дүүлүктүрүүчү сигналга карама-каршы багытта өз өндүрүшүн тууралоого аракет кылат. Бул денедеги токту түртүп жана тартып турган көрүүчү потенциалды пайда кылат.

Оп-амптын терс терминалынан алынган ток дээрлик нөлгө барабар. Учурдагы сезүүчү резистор аркылуу бардык ток денеден өтүшү керек. Бул орнотууну өткөргүчтүн күчөткүчү болгон механизм (ошондой эле чыңалуу менен башкарылуучу токтун булагы, VCCS деп аталат).

Оп-амп дененин импедансы өтө жогору болбосо гана токту сактай алат. Болбосо, оп-амптын чыгышы максималдуу түрдө камсыздоо чыңалуусунда болмок (0 же 5 В). Максималдуу чыңалуу аралыгы VDD/2 + Upeak (2.5 + 1.5V = 4V @ 5V камсыздоо). Оп-амптын чыңалуу чектери ушул мааниден алынып салынышы керек, бирок эгерде оп-ампте темир жолдон спецификациялар болсо, бул аз гана өлчөмдө болмокчу. Оп-амп айдай ала турган максималдуу импеданстар:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(Менин орнотуумда Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, каалоо дененин импеданс диапазонун жабуу үчүн көп)

Коргоочу резистордун денеге салыштырмалуу абдан чоң мааниси бар (1-1,5 MOhms) (болжол менен 100kOhms) жана бардык нормалдуу операциялар үчүн бул эч кандай байкалаарлык ток тартпайт жана параллель туташуунун импедансы дененин импедансы үстөмдүк кылат. Эгерде дененин импедансы көтөрүлсө (мисалы, төшөктөр бошоп кетсе), анда ток резистор аркылуу өтөт жана оп-амптин максимуму подкладкаларда жагымсыз чыңалууну жаратпайт.

4 -кадам: Приборлордун күчөткүчү

Кийинки этап-бул денедеги чыңалууну өлчөөчү приборлордун күчөткүчү. Денедеги чыңалуу 0В айланасында термелүүдө, бирок AD5933 оң диапазондо болушу үчүн кирүү чыңалуусуна муктаж. In-amp ошондуктан өлчөнгөн чыңалуу сигналына VDD/2 туруктуу жылышын кошот.

VDD/2 шилтемеси чыңалуу бөлүүчү тарабынан түзүлөт. Кандайдыр бир маанидеги резистор бирдей болгондо колдонулушу мүмкүн. Чыңалуу бөлүштүргүч чыңалуунун ээрчити менен калган схеманын импедансынан бөлүнөт. Чыңалуу жолдоочусунун чыгышы андан кийин ампкага да, өткөргүчтүн күчөткүчүнө да жөнөтүлүшү мүмкүн.

5 -кадам: Киргизүү стадиясы жана калибрлөө

AD5933 киргизүү этабы терс пикир конфигурациясында оп-ампти камтыйт. Эки резистор бар: бири катар (Рин) жана бири параллель (RFB). Оп-амптын пайдасы тарабынан берилет

A = - RFB / Rin

Кирүүчү оп-амптин жана амп-дын (жана PGA) кирешелери AD5933 ADCсине кирип жаткан сигнал ар дайым 0V жана VDD ичинде экенине ынануу керек.

(Мен болжол менен A = 0.5 бере турган ампердеги жана резистордогу биримдиктин пайда болушун колдоном)

AD5933 ичинде ADC чыңалуу сигналын санариптик сигналга айландырат. 0Vдан VDDге чейинки чыңалуу диапазону 0-128 (2^7) санариптик диапазонго которулат. (Документтер бул боюнча ачык эмес, бирок [1] деги сюжеттерди кылдат текшерүү жана мен тараптан сом эксперименти муну тастыктап турат.)

DFT модулунун ичинде 256 масштабы дагы бар (1024/4, [1] караңыз), натыйжа реалдуу жана элестүү реестрде сакталганга чейин.

AFE аркылуу ADCге чыңалуу сигналын ээрчүү менен жана жогоруда айтылган масштабдуу факторлорду колдонуу менен киреше факторун болжолдоого болот:

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

кээ бир калибрлөө дагы деле керек болушу мүмкүн, андыктан бул математикалык моделдин бир бөлүгү болбогон кээ бир эффекттерди эске алуу керек, андыктан резисторлор сыяктуу белгилүү импеданс компоненттерин өлчөө менен чыныгы кирешенин маанисин өлчөгүлө. (g = Z / mag, төмөндө караңыз)

Эми импедансты эсептөө мүмкүн

Z = g * mag

mag = sqrt (чыныгы^2 + элестүү^2)

PA = arctan2 (чыныгы, ойдон чыгарылган) - deltaPA

PA, балким, калибрлениши керек, ошондой эле AD5933те жыштыктын функциясы катары системалуу фазалык жылыш бар. deltaPA, балким, жыштыктын сызыктуу функциясы болот.

Каршылык жана реактивдүүлүк азыр аркылуу эсептелинет

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Колдонулган адабияттар: [1] Леонид Мациев, "AD5933 сыяктуу бир жыштыктагы DFT детекторлорунун негизинде системалардын иштешин жана көп түрдүүлүгүн жакшыртуу", Электроника 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/электроника4010001

6 -кадам: Advanced Stuff: Spectral Leakage (DC)

Биз AD5933ке койгон сигнал - бул убакыттын функциясы катары чыңалуу/ток, бирок биздин негизги кызыкчылыгыбыз - жыштыктын функциясы катары импеданс. Убакыт-доменди жана жыштык-доменди алмаштыруу үчүн, убакыт-домен сигналынын Фурье трансформациясын кабыл алышыбыз керек. AD5933 камтылган дискреттүү Фурье (DFT) модулуна ээ. Төмөн жыштыктарда (болжол менен 10 кГцтен төмөн) DFTдеги курулушка бурмалоо жана спектралдык агуулар таасир этет. [1] -де ал спектралдык агууну кантип оңдоонун математикасынан өтөт. Мунун маңызы - шыпырууда ар бир жыштык кадамы үчүн беш (плюс эки) константаны эсептөө. Муну оңой эле жасаса болот, мис. программалык камсыздоодо Arduino тарабынан.

Агып кетүү эки формада болот: мүнөзү боюнча аддитивдүү DC агымы жана мультипликативдүү AC агуусу.

DC агып чыгуусу ADCдеги чыңалуу сигналы 0В тегерегинде эмес, VDD/2 тегерегинде термелгендигинен келип чыгат. VDD/2нин DC деңгээли болжол менен 64түн санариптик DC көрсөткүчүнө туура келиши керек ([1] дельтада белгиленген).

DC спектринин агып кетүүсүн оңдоо кадамдары:

1) Учурдагы жыштык үчүн E конверт-факторун эсептеңиз.

2) GI (реалдуу) жана GQ (кыялдагы) эки пайда факторун эсептөө

3) реалдуу реестрдин маанисинен дельта * GIди жана элестетилген реестрдин маанисинен дельта * GQ алып салыңыз.

Шилтемелер:

[1] Леонид Мациев, "Системалардын өндүрүмдүүлүгүн жана ар тараптуулугун жакшыртуу

Бир жыштыктагы DFT детекторлору AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andjze Dzierka, Karol Nitsch, "AD5933 интегралдык схемасына негизделген жөнөкөй кең жыштыктагы импеданс өлчөгүч", Метрол. Meas. Syst., Vol. XXII (2015), No1, 13-24 -бб.

7 -кадам: Advanced Stuff: Spectral Leakage (AC)

Туруктуу токтун агышы сыяктуу эле, AC агымын математикалык түрдө оңдоого болот. [1] каршылык жана реактивдүүлүк тиешелүү түрдө A*cos (phi) жана A*sin (phi) деп аталат, мында А импеданс чоңдугуна туура келет жана phi фазалык бурчка (PA) туура келет.

AC спектринин агып кетүүсүн оңдоо кадамдары:

1) Учурдагы жыштык үчүн E конверт-факторун (ал DC үчүн бирдей эмес) эсептеңиз.

2) a, b жана d үч факторун эсептөө. (жогорку жыштыктарда болжолдуу маанилер: a = d = 256 жана b = 0)

3) Каршылык (Acos (phi)) жана реактивдүүлүк (Asin (phi)) эми санарип бирдиктерде эсептелиши мүмкүн

Колдонулган адабияттар: [1] Леонид Мациев, "AD5933 сыяктуу бир жыштыктагы DFT детекторлорунун негизинде системалардын иштешин жана көп түрдүүлүгүн жакшыртуу", Электроника 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/электроника4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andjze Dzierka, Karol Nitsch, "AD5933 интегралдык схемасына негизделген жөнөкөй кең жыштыктагы импеданс өлчөгүч", Метрол. Meas. Syst., Vol. XXII (2015), No1, 13-24 -бб.

8-кадам: Advanced Stuff: теориялык пайда-фактор

DFTдин математикалык моделин эске алганда, бүт AFEди математикалык түрдө моделдөө мүмкүн болушу керек. Математикалык жактан чыңалуу сигналын берилген жыштыгы бар синус функциясы, туруктуу токтун ордун алмаштыруу жана амплитудасы эң бийик болгон AC термелүүсү менен сүрөттөөгө болот. Жыштык баскычында жыштык өзгөрбөйт. Кирешелүү фактор ПАны эмес, импеданстын чоңдугун гана өзгөрткөндүктөн, биз бул жерде сигналдын индуцирленген фазалык жылышына тиешеси жок.

Бул жерде чыңалуу сигналынын кыскача кыскача баяны AFE аркылуу таралат:

1) Кайталоо стадиясынан кийин AC амплитудасы дагы эле Upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) жана DC офсети VDD/2 болуп өзгөртүлгөн.

2) Учурдагы сезүүчү резистордо чыңалуу мурдагы этаптагыдай эле …

3) … бирок оп-амптын көрүүчү чыңалуусунан улам AC термелүүлөрү Z*Upeak/Rcurrent өлчөмүнө ээ. (DC ордун VDD/2 оптикалык амперинин чыңалуусу жокко чыгарат - араанын айлануу чекити - жана чынжырдын бул бөлүгүндө виртуалдык жерге айланат)

4) in-amp бирдиги VDD/2дин DC ордун кайра кошуп, сигналды AD5933'тин кирүү стадиясына жөнөтөт.

5) Кирүү стадиясындагы оп-амп A = -RFB/Rin пайдасына ээ жана AC амплитудасы ошондуктан (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

6) ADC алдында эле, программалоочу кириш күчөткүч (PGA) бар, же эки параметр 1 же 5ке ээ болот. Ошентип, ADCдеги чыңалуу сигналы: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

ADC v (t) сигналын санарип сигналга айландырат x (t) = u (t) / VDD * 2^7 12 бит тактык менен.

А чоңдугу Z импеданска A, k = Z катары коэффициент менен туташкан жана болжол менен k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin) маанисине ээ.

Эгерде сиз пайда-фактор менен иштөөнү жактырсаңыз, анын ордуна g = 1 / k жана Z = g * A.

9 -кадам: Advanced Stuff: PA Shift

[2] -де алар ПАнын системалык жылышын жыштыктын функциясы катары табышат. Бул дүүлүгүү сигналы пайда болгон DAC менен DFT ортосундагы кириш сигналдын чыгыш сигналы менен коштолушу керек болгон убакыттын кечигүүсүнө байланыштуу.

Смена AD5933 ичинде DAC менен DFTтин ортосунда сигналдын кечигип жатышы саат циклдеринин саны менен мүнөздөлөт.

Колдонулган адабияттар: [1] Леонид Мациев, "AD5933 сыяктуу бир жыштыктагы DFT детекторлорунун негизинде системалардын иштешин жана көп кырдуулугун жакшыртуу", Электроника 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/электроника4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andjze Dzierka, Karol Nitsch, "AD5933 интегралдык схемасына негизделген жөнөкөй кең жыштыктагы импеданс өлчөгүч", Метрол. Meas. Syst., Vol. XXII (2015), No1, 13–24 -бб.