EKG -krets (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

Merk: Dette er IKKE et medisinsk utstyr. Dette er kun for utdanningsformål ved bruk av simulerte signaler. Hvis du bruker denne kretsen for ekte EKG-målinger, må du kontrollere at kretsen og krets-til-instrument-tilkoblingene bruker riktige isolasjonsteknikker

Denne instruerbare er en guidet måte å simulere, bygge og teste en krets som tar inn, filtrerer og forsterker EKG -signaler. Du trenger grunnleggende kunnskap om kretser og få instrumenter for å implementere hele dette instruerbare.

Elektrokardiografi (EKG eller EKG) er en smertefri, ikke-invasiv test som registrerer hjertets elektriske aktivitet og brukes til å få innsikt i tilstanden til pasientens hjerte. For å lykkes med å simulere en EKG -måling må inngangssignaler forsterkes (instrumenteringsforsterker) og filtreres (hakk- og lavpassfiltre). Disse komponentene ble laget fysisk og på en kretssimulator. For å sikre at hver komponent forsterker eller filtrerer signalet riktig, kan det utføres en AC -feiing med PSpice og eksperimentelt. Etter vellykket testing av hver komponent individuelt, kan et hjertesignal sendes inn gjennom en fullført krets bestående av instrumenteringsforsterker, hakkfilter og lavpassfilter. Etterpå kan det sendes et humant EKG -signal gjennom EKG og LabVIEW. Både den simulerte bølgeformen og det menneskelige hjertesignalet kan kjøres gjennom LabVIEW for å telle slag per minutt (BPM) av inngangssignalet. Totalt sett bør et inngangssignal og et menneskelig signal kunne lykkes med å bli forsterket og filtrert, simulere et EKG ved hjelp av kretsferdigheter for å designe, modifisere og teste en instrumenteringsforsterker, hakkfilter og lavpassfilterkrets.

Trinn 1: Simuler krets på datamaskinen

Du kan bruke hvilken som helst programvare du har tilgjengelig for å simulere kretsen vi skal lage. Jeg brukte PSpice, så det er det jeg skal forklare detaljene for, men komponentverdiene (motstander, kondensatorer, etc.) og de viktigste takeawayene er like, så bruk gjerne noe annet (for eksempel circuitlab.com).

Beregn komponentverdier:

1. Først er det å bestemme verdier for instrumenteringsforsterkeren (se bildet). Verdiene i bildet ble bestemt ved å ha en ønsket forsterkning på 1000. Hvilket betyr at uansett inngangsspenning du leverer, vil denne delen av kretsen "forsterke" dette med forsterkningsverdien. For eksempel hvis du gir 1V som jeg gjorde, bør utgangen være 1000V. Det er to deler til denne instrumenteringsforsterkeren, så gevinsten er delt mellom dem notert som K1 og K2. Se det medfølgende bildet, vi vil at gevinstene skal være nære (det er derfor ligning 2 på bildet), ligninger 2 og 3 på bildet blir funnet med nodalanalyse, og deretter kan motstandsverdiene beregnes (se bilde).
2. Motstandsverdiene for hakkfilteret ble bestemt ved å sette kvalitetsfaktoren, Q, til 8, og på grunn av det faktum at vi visste at vi hadde mange 0,022uF kondensatorer tilgjengelig, gikk vi deretter videre i beregninger ved hjelp av disse to forholdene. Se bildet med ligningene 5 - 10 for å beregne verdiene. Eller bruk R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω, det er det vi gjorde!
3. Lavpassfilteret er å fjerne støy over en bestemt frekvens som vi fant online at for EKG er det bra å bruke en cutoff -frekvens fo, på 250 Hz. Ut fra denne frekvensen og ligningene 11-15 (sjekk bildet) beregner du motstandsverdier for lavpassfilteret. Behandle R3 som en åpen krets og R4 som en kortslutning for å få en forsterkning på K = 1. Vi beregnet R1 = 15, 300 ohm, R2 = 25, 600 ohm, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Åpne og bygg på PSpice:

Med alle disse verdiene, Start PSpice - Åpne 'OrCAD Capture CIS', hvis en popup for Cadence Project Choices åpnes, velg 'Allegro PCB Design CIS L', åpne fil -> nytt prosjekt, skriv inn et smart navn for det, velg opprett prosjekt ved hjelp av analog eller blandet A/D, velg 'opprett et tomt prosjekt', se bildet for filorganisasjonen til prosjektet ditt, på hver side er det hvor du vil kompilere komponentene (motstander, kondensatorer, etc.) for å bygge delen av din kretsen du ønsker. På hver side klikker du på del i verktøylinjen øverst og klikker del for å åpne en liste over deler der du søker etter motstander, kondensatorer, driftsforsterkere og strømkilder. I rullegardinmenyen Place finner du også jord og ledninger som du må bruke. Design nå hver av sidene dine som vist på de medfølgende bildene ved å bruke verdiene du har beregnet.

Kjør AC Sweeps for å sikre at filtrering og forsterkning faktisk skjer som du forventer

Jeg la til to figurer for simulering av disse. Legg merke til hakk ved 60 Hz og filtrering av de høye frekvensene. Legg merke til linjefarger og merkede sporuttrykk. Jeg kjørte også hele kretsen sammen, så du burde få en ide om hva du bør forvente!

For feiingene velger du PSpice, klikker på PSpice, Ny simuleringsprofil, bytter til AC Sweep og angir ønskede frekvenser for start, stopp og økningsverdien. Under PSpice -menyen valgte jeg også markører, avansert og plukket spenning dB og satte markøren på hvor jeg ønsket å måle utdata, dette hjelper senere, slik at du ikke trenger å legge til et sporalter manuelt. Gå deretter til pakken til PSpice -menyknappen igjen og velg Kjør, eller bare trykk på F11. Når simulatoren åpnes, om nødvendig: klikk på spor, legg til spor, og velg deretter det riktige sporuttrykket, for eksempel V (U6: OUT) hvis du vil måle spenningsutgangen ved pin OUT på opamp U6.

Instrumenteringsforsterker: Bruk uA741 for alle tre av forsterkerne, og vær oppmerksom på at forsterkerne på bildene refereres til i henhold til deres respektive etikett (U4, U5, U6). Kjør AC -feiingen på PSpice for å beregne frekvensresponsen til kretsen med den ene spenningsinngangen, slik at spenningsutgangen skal være lik forsterkningen (1000) i dette tilfellet.

Hakkfilter: Bruk en en -spennings vekselstrømskilde som vist på bildet og operasjonsforsterkeren uA741, og sørg for å slå på hver forsterker du bruker (drevet med 15V DC). Kjør vekselstrømmen, jeg anbefaler 30 til 100 Hz med 10 Hz trinn for å sikre hakket på 60 Hz som ville filtrere ut elektriske signaler.

Lavpassfilter: Bruk operasjonsforsterkeren uA741 (se figuren som vår ble merket U1), og tilfør kretsen en ett volt vekselstrøm. Slå på forsterkerne med en likestrøm på 15 volt og måle utgangen for vekselstrømssveipen ved pinne 6 på U1 som kobles til ledningen som er sett på bildet. AC-sveipen brukes til å beregne frekvensresponsen til kretsen, og med den ene spenningsinngangen du angir, bør spenningsutgangen være lik forsterkningen-1.

Trinn 2: Bygg den fysiske kretsen på et brødbrett

Dette kan være utfordrende, men jeg har full tro på deg! Bruk verdiene og skjemaene du opprettet og testet (du håper forhåpentligvis at de fungerer takket være kretssimulatoren) for å bygge dette på et brødbrett. Sørg for å bare bruke strøm (1 Vp-p av en funksjonsgenerator) til begynnelsen, ikke på hvert trinn hvis du tester hele kretsen, for å teste hele kretsen, koble hver del (instrumenteringsforsterker til hakkfilter til lavpass), sørg for å levere V+ og V- (15V) til hver op-forsterker, og du kan teste individuelle stadier ved å måle utgang ved varierende frekvenser med oscilloskopet for å sikre at ting som filtrering fungerer. Du kan bruke den innebygde hjertebølgeformen på funksjonsgeneratoren når du tester hele kretsen sammen, og du vil da se QRS-bølgeformen som forventet. Med litt frustrasjon og utholdenhet bør du kunne bygge dette fysisk!

Vi la også til en båndkondensator på 0.1uF parallelt med op amp -effektene som ikke er avbildet i PSpice.

Her er noen tips når du bygger de enkelte komponentene:

For instrumenteringsforsterkeren, hvis du har problemer med å finne feilkilden, må du kontrollere hver enkelt utgang på de tre op-forsterkerne. I tillegg må du kontrollere at du leverer strømkilden og skriver inn riktig. Strømkilden skal kobles til pinne 4 og 7, og spenningsinngang og -utgang til pinner 3 i første trinns forsterkere.

For hakkfilteret måtte det gjøres noen justeringer av motstandsverdiene for å få filteret til å filtrere ut med en frekvens på 60 Hz. Hvis filtreringen skjer høyere enn 60 Hz, vil økning av en av motstandene (vi justerte 2) bidra til å redusere filterfrekvensen (motsatt økning).

For lavpassfilteret vil det å sikre enkle motstandsverdier (motstander du allerede har) redusere feilen betydelig!

Trinn 3: LabVIEW for å plotte EKG -bølgeform og beregne hjertefrekvens (slag per minutt)

På LabVIEW vil du lage et blokkdiagram og et brukergrensesnitt som er delen som vil vise EKG -kurven på en graf som en funksjon av tiden og vise et digitalt pulsnummer. Jeg la ved et bilde av hva du skal bygge på labVIEW du kan bruke søkefeltet til å finne de nødvendige komponentene. Vær tålmodig med dette, og du kan også bruke hjelpen til å lese om hvert stykke.

Sørg for å bruke den fysiske DAQ for å koble kretsen til datamaskinen. På DAQ -assistenten endrer du prøvetaking til kontinuerlig og 4k.

Her er noen råd om hvordan du bygger diagrammet:

• DAQ Assistant -tilkoblingen kommer ut av "data" og "stopp".
• DAQ Assistant for å "kurveform inn" på min. Maks.
• Høyreklikk, opprett og velg konstant for tallet som vises på bildet.
• Høyreklikk, velg element, dt, dette er å endre t0 til dt
• Toppdeteksjon har tilkoblinger på "signal inn", "terskel" og "bredde"
• Koble til "array" og konstantene til "indeks"
• Sørg for at fysisk DAQ -kortpinne (dvs. analog 8) er pinnen du velger i DAQ -assistenten (se bildet)

Den inkluderte videoen 'IMG_9875.mov' er av en datamaskin som viser VI -brukergrensesnittet til LabVIEW som viser den endrede EKG -bølgeformen og slag per minutt basert på inngangen (lytt som det er annonsert hva frekvensen endres til).

Test designen din ved å sende en 1Hz frekvensinngang, og den har en ren bølgeform (se bildet for å sammenligne med), men du bør kunne lese 60 slag per minutt!

Det du har laget kan også brukes til å lese et menneskelig EKG -signal bare for moro skyld, siden dette IKKE er et medisinsk utstyr. Du må fortsatt være forsiktig med strømmen som følger med designet. Festede overflateelektroder: positive til venstre ankel, negativ til høyre håndledd, og fest bakken til høyre ankel. Kjør labVIEW, og du bør se bølgeformen vises på grafen og slagene i minuttet dukker også opp i den digitale displayboksen.