א.ק.ג אוטומטי: הגברה והדמיות סינון באמצעות LTspice: 5 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

זוהי תמונת המכשיר הסופי שתבנה ודיון מעמיק ביותר על כל חלק. מתאר גם את החישובים לכל שלב.

התמונה מציגה תרשים בלוקים למכשיר זה

שיטות וחומרים:

מטרתו של פרויקט זה הייתה לפתח מכשיר לרכישת אותות על מנת לאפיין אות ביולוגי ספציפי/לאסוף נתונים רלוונטיים על האות. ליתר דיוק, א.ק.ג אוטומטי. תרשים הבלוק המוצג באיור 3 מדגיש את הסכימה המוצעת של המכשיר. המכשיר יקבל את האות הביולוגי באמצעות אלקטרודה ולאחר מכן יגביר אותו באמצעות מגבר בעל רווח של 1000. הגברה זו היא הכרחית מכיוון שהאות הביולוגי יהיה פחות בכ -5 mV שהוא קטן מאוד ויכול להיות שקשה לפרש אותו [5]. לאחר מכן, הרעש יופחת באמצעות מסנן פס פס על מנת לקבל את טווח התדרים הרצוי לאות, 0.5-150 הרץ, ואז יופיע חריץ על מנת להסיר את הרעש הרגיל שמסביב הנגרם על ידי קווי מתח שנמצאים סביב 50-60 הרץ. [11]. לבסוף, לאחר מכן יש להמיר את האות לדיגיטל כך שניתן לפרש אותו באמצעות מחשב והדבר מתבצע באמצעות ממיר אנלוגי לדיגיטלי. אולם במחקר זה ההתמקדות תהיה בעיקר במגבר, מסנן פס פס ומסנן חריץ.

המגבר, מסנן פס ההגשה ומסנן החריץ תוכננו והדמו באמצעות LTSpice. כל קטע פותח תחילה בנפרד ונבדק על מנת לוודא שהם מבצעים כראוי ולאחר מכן חוברו לסכימה אחרונה. המגבר, שניתן לראות באיור 4, תוכנן ומבוסס על מגבר מכשירי. מגבר מכשור נמצא בשימוש נפוץ באק"ג, צגי טמפרטורה ואפילו גלאי רעידות אדמה מכיוון שהוא יכול להגביר רמה נמוכה מאוד של אות תוך דחיית רעש עודף. זה גם קל מאוד לשנות על מנת להתאים לכל רווח שצריך [6]. הרווח הרצוי למעגל הוא 1000 וזה נבחר מכיוון שהקלט מהאלקטרודה יהיה אות AC פחות מ -5 mV [5] וצריך להגביר אותו כדי להקל על הפרשנות של הנתונים. על מנת לקבל רווח של 1000, המשוואה (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) שימשה ולכן הניבה GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. על מנת לאשר שהושגה כמות ההגברה הנכונה, נערכה בדיקה חולפת באמצעות LTspice.

השלב השני היה מסנן פס פס. ניתן לראות מסנן זה באיור 5 והוא מורכב ממעבר נמוך ולאחר מכן ממסנן מעבר גבוה עם מגבר תפעולי בין לבין כדי למנוע מהמסננים לבטל אחד את השני. מטרת שלב זה היא לייצר טווח תדרים מוגדר שיהיה מקובל לעבור במכשיר. הטווח הרצוי למכשיר זה הוא 0.5 - 150 הרץ מכיוון שזהו הטווח הסטנדרטי עבור א.ק.ג [6]. על מנת להשיג טווח יעד זה, נעשה שימוש במשוואת (2) תדר ניתוק = 1/(2πRC) על מנת לקבוע את תדירות החיתוך הן למסנן הגבוה והן למסנן המעבר הנמוך בתוך פס הרצועה. מכיוון שהקצה התחתון של הטווח צריך להיות 0.5 הרץ, ערכי הנגד של מסנן המעבר וערכי הקבלים חושבו להיות 0.5 הרץ = 1/(2π*1000Ω*318.83µF) ועם קצה עליון שצריך להיות 150 הרץ, הנמוך ביותר ערכי הנגד של מסנן המעבר והקבלים חושבו להיות 150 הרץ = 1/(2π*1000Ω*1.061µF). על מנת לאשר כי טווח התדרים הנכון הושג, בוצעה טאטת AC באמצעות LTspice.

השלב השלישי והאחרון המדומה הוא מסנן החריץ וניתן לראות אותו באיור 6. מסנן החריץ משמש כאמצעי לסילוק רעש לא רצוי המתרחש באמצע טווח התדרים הרצוי שנוצר על ידי פס הרצועה. תדר היעד במקרה זה הוא 60 הרץ מכיוון שזהו תדר קווי החשמל הסטנדרטיים בארצות הברית וגורמים להפרעות אם לא מטפלים [7]. מסנן החריצים שנבחר על מנת להתמודד עם הפרעה זו היה מסנן חריץ כפול עם שני מגברים אופניים ומפריד מתח. זה יאפשר לאות לא רק לסנן את האות ישירות בתדר היעד אלא גם להכניס משוב משתנה למערכת, גורם איכות מתכוונן Q ופלט משתנה הודות למחלק המתח ולכן הפך אותו למסנן פעיל במקום פסיבי [8]. גורמים נוספים אלה לעומת זאת נותרו ברובם ללא פגע בבדיקות הראשוניות, אך ייגעו בהם בעבודות עתידיות וכיצד ניתן לשפר את הפרויקט בהמשך. על מנת לקבוע את מרכז תדר הדחייה, משוואה (3) תדר דחיית מרכז = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* √ (1/[(0.1*10^-6µF)*(0.1*10^-6µF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 הרץ הועסק. על מנת לאשר כי תדירות הדחייה הנכונה הושגה, טאטא AC בוצעה באמצעות LTspice.

לבסוף, לאחר שכל שלב נבדק בנפרד, שלושת השלבים אוחדו כפי שניתן לראות בתרשים 7. יש גם לציין כי כל מגברי הפעלה מסופקים עם אספקת חשמל +15V ו- -15V DC על מנת לאפשר הגברה משמעותית. להתרחש בעת הצורך. לאחר מכן בוצעו גם בדיקה חולפת וטאטת AC במעגל שהושלם.

תוצאות:

את הגרפים לכל שלב ניתן למצוא ישירות מתחת לשלב המתאים לו בחלק האיור בנספח. בשלב הראשון, מגבר המכשור, נערכה בדיקה חולפת במעגל במטרה לבדוק שהרווח למגבר היה 1000. הבדיקה נמשכה בין 1 - 1.25 שניות עם שלב זמן מרבי של 0.05. המתח המסופק היה גל סינוס AC עם משרעת של 0.005 V ותדר של 50 הרץ. הרווח המיועד היה 1000 וכפי שניתן לראות באיור 4, מאחר של- Vout (העקומה הירוקה) הייתה משרעת של 5V. הרווח המדומה חושב להיות רווח = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000. לכן אחוז השגיאה לשלב זה הוא 0%. 0.005V נבחר כקלט עבור סעיף זה מכיוון שהוא יתייחס באופן הדוק לקלט המתקבל מאלקטרודה כאמור בסעיף השיטות.

השלב השני, מסנן פס הפס, היה לטווח יעד של 0.5 - 150 הרץ. על מנת לבדוק את המסנן ולוודא שהטווח תואם, עשור, טאטא AC הופעל עם 100 נקודות בעשור מ 0.01 - 1000 הרץ. איור 5 מציג את התוצאות מסריקת AC ומאשר כי הושג טווח תדרים של 0.5 עד 150 הרץ מכיוון שהמקסימום מינוס 3 dB נותן את תדר החיתוך. שיטה זו מודגמת בגרף.

השלב השלישי, מסנן חריץ, נועד לסלק את הרעש שנמצא בסביבות 60 הרץ. מרכז תדירות הדחייה המחושב היה ~ 56 הרץ. על מנת לאשר זאת, עשור, סריקת AC נעשתה עם 100 נקודות בעשור בין 0.01 - 1000 הרץ. איור 6 מציג את התוצאות מסריקת AC וממחיש מרכז של תדר דחייה ~ 56-59 הרץ. אחוז השגיאה בסעיף זה יהיה 4.16 %.

לאחר אישור כי כל שלב בודד עובד, שלושת השלבים הורכבו לאחר מכן כפי שניתן לראות בתרשים 7. לאחר מכן נערכה בדיקה חולפת לבדיקת הגברה של המעגל והבדיקה נמשכה בין 1 - 1.25 שניות עם שלב זמן מרבי של 0.05 עם מתח מסופק של גל סינוס AC עם משרעת של 0.005 V ותדר של 50 הרץ. הגרף המתקבל הוא הגרף הראשון באיור 7 מראה את Vout3 (אדום), התפוקה של המעגל כולו, היא 3.865 V ולכן עושה את הרווח = 3.865V/0.005V = 773. זה שונה משמעותית מהרווח המיועד של 1000 ונותן שגיאה של 22.7%. לאחר הבדיקה החולפת, עשור, סריקת AC בוצעה עם 100 נקודות בעשור מ- 0.01 - 1000 הרץ והניבה את הגרף השני באיור 7. גרף זה מדגיש את התוצאות המיועדות ומציג את המסננים הפועלים במקביל לייצור מסנן מקבל תדרים בין 0.5-150 הרץ עם מרכז דחייה מ -57.5-58.8 הרץ.

משוואות:

(1) - רווח של מגבר המכשור [6], נגדים ביחס לאלה שנמצאים באיור 4.

(2) - תדירות הפסקת מסנן מעבר נמוך/גבוה

(3) - עבור מסנן חריץ כפול [8], נגדים ביחס לאלה המופיעים באיור 6.

שלב 1: מגבר מכשירי

שלב 1: מגבר המכשור

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

שלב 2: פס פס

שלב 2: מסנן פס פס

משוואה: תדר ניתוק = 1/2πRC

שלב 3: שלב 3: מסנן חריץ

שלב 3: מסנן Twin T Notch

משוואה - תדר דחיית מרכז = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

שלב 4: סכמה אחרונה של כל השלבים ביחד

סכמטי אחרון עם טאטא AC ועקומות חולפות

שלב 5: דיון במכשיר

דִיוּן:

התוצאה מהבדיקות שבוצעו לעיל הלכה כמצופה עבור המעגל כולו. למרות שההגברה לא הייתה מושלמת והאות התדרדר מעט ככל שהוא התקדם במעגל (שניתן לראות באיור 7, תרשים 1 שבו האות גדל מ- 0.005V ל -5V לאחר השלב הראשון ולאחר מכן ירד ל -4V לאחר השני ולאחר מכן 3.865V לאחר השלב הסופי), מסנן הפס והחריץ פעלו כמתוכנן וייצרו טווח תדרים של 0.5-150 הרץ עם הסרת תדר בערך 57.5-58.8 הרץ.

לאחר שקבעתי את הפרמטרים של המעגל שלי, השוויתי אותו לשני א.ק.ג. אחרים. ניתן למצוא השוואה ישירה יותר עם מספרים צודקים בטבלה 1. היו שלושה תיקונים עיקריים בהשוואת הנתונים שלי למקורות ספרות אחרים. הראשון היה שההגברה במעגל שלי הייתה נמוכה משמעותית מהשניים האחרים שהשוויתי. שני מעגלי מקורות הספרות השיגו הגברה של 1000 וב- ECG של גוואלי [9], האות הוגבר עוד יותר על ידי גורם של 147 בשלב הסינון. לכן, למרות שהאות במעגל שלי הוגבר ב -773 (שגיאה של 22.7% בהשוואה להגברה סטנדרטית) ונחשב מספיק כדי להיות מסוגל לפרש את אות הכניסה מהאלקטרודה [6], הוא עדיין מתגמד בהשוואה להגברה הסטנדרטית הוא 1000. אם ניתן היה להשיג הגברה סטנדרטית במעגל שלי, יהיה צורך להגדיל את ההגברה במגבר המכשור לגורם גדול מ -1000, כך שכאשר הרווח יורד לאחר שעבר בכל אחד משלבי הסינון במעגל שלי, עדיין יש לו רווח של לפחות 1000 או שצריך להתאים את המסננים על מנת למנוע התרחשות של ירידות מתח גבוהות יותר.

השליטה העיקרית השנייה הייתה שלכל שלושת המעגלים היו טווחי תדרים דומים מאוד. לטווח של Gawali [9] היה אותו טווח בדיוק של 0.5-150 הרץ ואילו לגואה [10] היה טווח מעט יותר רחב של 0.05-159 הרץ. במעגל של גואה הייתה אי התאמה קלה זו מכיוון שטווח זה התאים יותר לכרטיס רכישת הנתונים ששימש בהתקנה שלהם.

האחריות העיקרית האחרונה הייתה ההבדלים במרכז תדרי הדחייה שהשיגו מסנני החריץ בכל מעגל. לגאו ולמעגל שלי היה יעד של 60 הרץ על מנת לדכא את רעשי תדר הקווים שגרמו לקווי מתח בעוד שהגוואלי הוגדר ל 50 הרץ. עם זאת, אי התאמה זו היא בסדר שכןוון שתלות במיקום בעולם, תדר קווי החשמל יכול להיות 50 או 60 הרץ. לכן, נערכה השוואה ישירה רק למעגל הגואה מכיוון שהפרעה לקו החשמל בארצות הברית היא 60 הרץ [11]. אחוז השגיאה הוא 3.08%.