Bioimpedancia -elemzés (BIA) Az AD5933: 9 lépéssel

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Érdekelt egy bioimpedancia -elemző készítése a testösszetétel mérésére, és véletlenszerű kereséseim során folyamatosan megtaláltam a Vanderbilt Egyetem 2015 -ös Biomedical Instrumentation osztályának tervét. Átdolgoztam a tervezést és kissé javítottam. Szeretném megosztani veletek a megállapításaimat. Használja ki az „áttekintés” lehetőségeit, ha valami nem világos, javasoljon javításokat. Lehet, hogy egyszer összefogottabb formában írom le gondolataimat, de most remélem, hogy bármit használhatsz, amit itt látsz. (Ha úgy gondolja, hogy ezt leírhatja és javíthatja, szívesen látjuk)

Teddy

Ez a kialakítás az AD5933 chipből és egy egyedi analóg előlapból (AFE) áll, amely az AD5933-at a karosszériához illeszti. Ezután az AD5933 elvégzi a mérést, és az eredményeket egy mikrokontroller (például Arduino) dolgozhatja fel.

Ha azt tervezi, hogy az Arduino-t tápellátásként kívánja használni, győződjön meg arról, hogy a működési és műszeres erősítők (op-erősítők és erősítők) támogatják az úgynevezett "egyetlen tápfeszültséget", és rendelkeznek a sín-vasút specifikációkkal.

(A következőkben 5 V -os tápegységet fogok használni (egy Arduino -ból) és az AD5933 Range 1 beállítását.)

1. lépés: Az újra előfeszítés szakasz

Az AFE első része egy re-bias szakasz. A kimeneti feszültségjel nincs a tápfeszültség tartomány közepén (VDD/2). Ezt úgy korrigálják, hogy kondenzátort használnak a jel egyenáramú részének blokkolására, és egy feszültségosztón keresztül elküldik, hogy egyenáramú eltolást adjanak vissza a jelbe.

A két előfeszítő ellenállás bármilyen értékű lehet, amennyiben azonosak. A sapka konkrét értéke szintén nem fontos.

Az előfeszítési fokozat úgy működik, mint a felüláteresztő szűrő, ezért határfrekvenciája:

f_c = 1 / (2 * pi * (0,5 * R) * C)

Győződjön meg arról, hogy a levágási frekvencia néhány évtizeddel a tervezett minimális frekvencia alatt van. Ha 1 kHz-et tervez használni az alkalmazásában, akkor olyan sapkákat és ellenállásértékeket kell választania, amelyek 1-10 Hz nagyságrendű határfrekvenciát adnak.

Ennek a szakasznak az utolsó része egy op-erősítő, amelyet feszültségkövetőnek kell beállítani. Ezzel biztosítható, hogy az ellenállás értékei ne zavarják a következő lépést

2. lépés: Áramérzékelő ellenállás

A következő szakasz első része az áramérzékelő ellenállás. Az ellenálláson keresztül érkező áram ugyanaz lesz, mint amit az erősítő a testen keresztül próbál fenntartani. Győződjön meg arról, hogy az áram megfelel az IEC6060-1 biztonsági szabványoknak*:

1 kHz frekvencia alatt legfeljebb 10 mikroAmp (RMS) megengedett a testen. 1 kHz feletti frekvenciákon a következő egyenlet adja meg a megengedett legnagyobb áramot:

Max. AC áram <(minimális frekvencia kHz -ben) * 10 mikroAmp (RMS)

Az AC jel csúcs amplitúdója és az RMS értéke közötti összefüggés: Csúcs = sqrt (2) * RMS. (10 mikroAmps RMS 14 mikroAmps csúcs amplitúdónak felel meg)

Az ellenállás Ohms -törvénye alapján kiszámíthatjuk az ellenállás értékét, amely megfelel a biztonsági szabványnak. Az AD5933 gerjesztési feszültségét és a maximális áramértéket használjuk:

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

Például. az 1. tartomány beállítás használatával Upeak = 3V / 2 = 1.5V (vagy 1V @3.3V)

A 14 mikroAmp csúcsérték használatával felülről legalább 107 kOhm ellenállást kapok

Hivatkozások:

* Analóg eszközök: "Bioimpedancia áramkör tervezés test kopott rendszerekhez"

3. lépés: A transz-vezetőképesség erősítő

Az aktuális érzékelő ellenállás után van egy op-erősítő negatív visszacsatolású konfigurációban. Ez egy úgynevezett Load-in-the-Loop beállítás. Az op-erősítő pozitív bemeneti terminálja VDD/2 feszültségre van csatlakoztatva. Az op-erősítő most megpróbálja a gerjesztési jelrel ellentétes irányba állítani a kimenetét úgy, hogy a negatív terminál feszültsége egyenlő legyen a VDD/2 értékkel. Ez látásveszélyt eredményez, ami az áramot a testen keresztül nyomja és húzza.

Az op-amp negatív termináljából vett áram gyakorlatilag nulla. Az áramérzékelő ellenálláson keresztül áramló áramnak tehát át kell folynia a testen. Ez a mechanizmus teszi ezt a beállítást transz-vezetőképességű erősítővé (más néven feszültségvezérelt áramforrásnak, VCCS-nek).

Az op-erősítő csak akkor tudja fenntartani az áramot, ha a test impedanciája nem túl magas. Ellenkező esetben a tápfeszültség (0 vagy 5 V) esetén az op-amp kimenet csak max. A maximális fenntartható feszültségtartomány VDD/2 + Upeak (2,5 + 1,5 V = 4 V @ 5 V tápellátás). Ebből az értékből ki kell vonni az op-amp feszültséghatárát, de ha az op-amp sín-vasút specifikációkkal rendelkezik, akkor ez csak kis összeg lenne. Az op-amp által meghajtható maximális impedancia tehát:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(Az én beállításomban Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, a kívánság bőven elegendő a test impedancia tartományának lefedésére)

A védőellenállás nagyon nagy értékű (1-1,5 MOhm) a testhez képest (kb. 100 kOhm), és minden normál működéshez ez nem vesz észrevehető áramot, és a párhuzamos csatlakozás impedanciáját a test impedanciája határozza meg. Ha a test impedanciájának meg kell nőnie (például a párnák kilazulnak), akkor az áram átmehet az ellenálláson, és az op-erősítő maximalizálása nem okoz kellemetlen feszültséget a párnákban.

4. lépés: A műszeres erősítő

A következő szakasz a műszeres erősítő (in-amp), amely a test feszültségét méri. A test feszültsége 0 V körül oszcillál, de az AD5933 -nak pozitív bemeneti feszültségre van szüksége. Az erősítő ezért VDD/2 egyenáramú eltolást ad a mért feszültségjelhez.

A VDD/2 referenciát egy feszültségosztó generálja. Bármilyen értékellenállás használható, amennyiben azonosak. A feszültségosztót feszültségkövető választja el az áramkör többi részének impedanciájától. A feszültségkövető kimenete ezután továbbítható mind az erősítőbe, mind a transz-vezetőképességű erősítőbe.

5. lépés: A bemeneti szakasz és a kalibrálás

Az AD5933 bemeneti szakasza negatív visszacsatolású op-erősítőt tartalmaz. Két ellenállás van: egy soros (Rin) és egy párhuzamos (RFB). Az op-amp erősítését az adja

A = - RFB / Rin

A bemeneti op-erősítő és az erősítő (és PGA) nyereségének meg kell győződnie arról, hogy az AD5933 ADC-jébe érkező jel mindig 0V és VDD között van.

(Unity gain in-amp és ellenállás értékeket használok, amelyek kb. A = 0,5-t adnak meg)

Az AD5933 belsejében az ADC átalakítja a feszültségjelet a -ra digitális jellé. A 0V-VDD feszültségtartományt a 0-128 (2^7) digitális tartományba alakítják át. (A dokumentáció erről nem világos, de az [1] -ben található parcellák alapos vizsgálata és a részemről végzett kísérletek ezt megerősítik.)

A DFT modul belsejében van egy másik 256 skálázás (1024/4, lásd [1]), mielőtt az eredményt elmenti a valós és képzetes regiszterbe.

Ha követi a feszültségjelet az AFE-n keresztül az ADC-be, és használja az előbb említett skálafaktorokat, akkor meg lehet becsülni az erősítési tényezőt:

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

némi kalibrációra továbbra is szükség lehet, ezért vegyen figyelembe néhány effektust, amelyek nem része ennek a matematikai modellnek, ezért kérjük, mérje meg a valódi erősítési értéket ismert impedanciájú komponensek, például ellenállások mérésével. (g = Z / mag, lásd alább)

Az impedancia most kiszámítható

Z = g * mag

mag = sqrt (valódi^2 + képzeletbeli^2)

PA = arctan2 (valós, képzeletbeli) - deltaPA

A PA-t valószínűleg kalibrálni kell, valamint szisztematikus fáziseltolódás van a frekvencia függvényében az AD5933-ban. A deltaPA valószínűleg a frekvencia valamilyen lineáris függvénye lesz.

Az ellenállás és a reaktancia most kiszámítható

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Hivatkozások: [1] Leonid Matsiev, "A rendszerek teljesítményének és sokoldalúságának javítása egyfrekvenciás DFT-érzékelők, például AD5933 alapján", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika4010001

6. lépés: Speciális dolgok: spektrális szivárgás (DC)

A jel, amelyet az AD5933 -ba helyezünk, feszültség/áram, mint időfunkció, de legfőbb érdekünk az impedancia, mint a frekvencia funkciója. Az időtartomány és a frekvenciatartomány közötti átváltáshoz meg kell vennünk az időtartomány jel Fourier-transzformációját. Az AD5933 beépített diszkrét Fourier-transzformációs (DFT) modullal rendelkezik. Alacsony frekvenciákon (kb. 10 kHz alatt) a DFT beépítését befolyásolják az álnevek és a spektrális szivárgások. [1] -ben végigmegy a spektrális szivárgás kijavításának matematikáján. Ennek lényege, hogy öt (plusz két) állandót kell kiszámítani a sweep minden frekvencialépésére. Ezt könnyen meg lehet tenni pl. az Arduino szoftverben.

A szivárgásnak két formája van: egyenáramú szivárgás, amely additív jellegű, és váltakozó áramú szivárgás, amely többszörös jellegű.

Az egyenáramú szivárgás abból fakad, hogy az ADC feszültségjele nem 0V, hanem VDD/2 körül ingadozik. A VDD/2 egyenáramú szintjének körülbelül 64 digitális egyenáramú leolvasásnak kell megfelelnie (delta jelzéssel [1]).

A DC spektrális szivárgás kijavításának lépései:

1) Számítsa ki az E boríték-tényezőt az aktuális frekvenciához.

2) Számítsa ki a két erősítési tényezőt: GI (valós) és GQ (képzeletbeli)

3) Vonja le a delta * GI -t a valós regiszter értékéből, és a delta * GQ -t a képzeletbeli regiszter értékéből

Hivatkozások:

[1] Leonid Matsiev, "A rendszerek teljesítményének és sokoldalúságának javítása a következők alapján

Egyfrekvenciás DFT érzékelők, például AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Range Impedance Meter based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Meas. Syst., Vol. XXII (2015), 1. szám, 13–24.

7. lépés: Speciális dolgok: spektrális szivárgás (AC)

Az egyenáramú szivárgáshoz hasonlóan az AC szivárgás matematikailag korrigálható. Az [1] -ben az ellenállást és a reaktanciát A*cos (phi), illetve A*sin (phi) -nak nevezik, ahol A megfelel az impedancia nagyságának, a phi pedig a fázisszögnek (PA).

Az AC spektrális szivárgás kijavításának lépései:

1) Számítsa ki az E boríték-tényezőt (nem egyenlő a DC-vel) az aktuális frekvenciához.

2) Számítsa ki az a, b és d három tényezőt. (kb. értékek magasabb frekvenciákon: a = d = 256 és b = 0)

3) Az ellenállás (Acos (phi)) és a reaktancia (Asin (phi)) mostantól digitális egységekben is kiszámítható

Hivatkozások: [1] Leonid Matsiev, "A rendszerek teljesítményének és sokoldalúságának javítása egyfrekvenciás DFT-érzékelők, például AD5933 alapján", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Range Impedance Meter based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Meas. Syst., Vol. XXII (2015), 1. szám, 13–24.

8. lépés: Haladó dolgok: az elméleti erősítési tényező

Tekintettel a DFT matematikai modellezésére, lehetővé kell tenni a teljes AFE matematikai modellezését is. Matematikailag a feszültségjelet szinuszfüggvénnyel lehet leírni, adott fix frekvenciával, egyenáramú eltolással és csúcs amplitúdójú váltakozó áramú oszcillációval. A frekvencia nem változik a frekvencialépés során. Mivel az erősítési tényező csak az impedancia nagyságát változtatja meg, és nem a PA-t, itt nem fogunk foglalkozni a jelre kiváltott fáziseltolódással.

Íme egy rövid összefoglaló a feszültségjelről, amint az AFE -n keresztül terjed:

1) A re-bias szakasz után a váltakozó áramú amplitúdó továbbra is Upeak = 1,5V (1V @ VDD = 3,3 V), és a DC offset VDD/2-re változott.

2) Az áramérzékelő ellenállásban a feszültség ugyanaz, mint az előző szakaszban …

3)… de az op-erősítő lengőfeszültsége miatt az AC oszcillációk mérete Z*Upeak/Rcurrent. (Az egyenáramú eltolást a VDD/2 op -erősítő referenciafeszültsége - a libikóka forgópontja - törli, és az áramkör ezen részében virtuálföld lesz.)

4) A Unity in-amp hozzáadja a VDD/2 DC eltolását, és továbbítja a jelet az AD5933 bemeneti szakaszába

5) Az op-erősítő a bemeneti fokozatban A = -RFB/Rin erősítéssel rendelkezik, és ezért az AC amplitúdója (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin) lesz

6) Közvetlenül az ADC előtt van egy programozható erősítő (PGA), két beállítással, 1 vagy 5 erősítéssel. Ezért az ADC feszültségjele a következő lesz: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

Az ADC 12 bites pontossággal konvertálja a v (t) jelet x (t) = u (t) / VDD * 2^7 digitális jellé.

Az A nagyságrendet a k impedancia tényező köti össze a Z impedanciával, mint A = k * Z, és hozzávetőleges értéke k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

A ha szeretsz erősítés-faktorral dolgozni, ehelyett g = 1 / k és Z = g * A.

9. lépés: Speciális dolgok: a PA váltás

[2] -ben a PA -ban a frekvencia függvényében szisztematikus eltolódást találnak. Ennek oka a késleltetés a DAC, ahol a gerjesztési jel keletkezik, és a DFT között, ahol a bejövő jelet össze kell csavarni a kimenő jellel.

Az eltolást az óraciklusok száma jellemzi, a jel késik a DAC és a DFT között az AD5933-ban.

Hivatkozások: [1] Leonid Matsiev, "A rendszerek teljesítményének és sokoldalúságának javítása egyfrekvenciás DFT-érzékelők, például AD5933 alapján", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Range Impedance Meter based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Meas. Syst., Vol. XXII (2015), 1. szám, 13–24.