EKG áramkör (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Megjegyzés: Ez NEM orvosi eszköz. Ez csak oktatási célokat szolgál, szimulált jelek használatával. Ha ezt az áramkört valós EKG-mérésekhez használja, győződjön meg arról, hogy az áramkör és az áramkör-műszer kapcsolatok megfelelő szigetelési technikákat alkalmaznak

Ez az oktatható útmutató egy irányított módszer az EKG jeleket befogadó, szűrő és erősítő áramkör szimulálására, felépítésére és tesztelésére. Alapvető ismeretekkel kell rendelkeznie az áramkörökről és kevés eszközről, hogy teljes egészében megvalósítsa ezt az oktatható anyagot.

Az elektrokardiográfia (EKG vagy EKG) fájdalommentes, nem invazív vizsgálat, amely rögzíti a szív elektromos aktivitását, és betekintést nyújt a beteg szívének állapotába. Az EKG -leolvasás sikeres szimulálásához a bemenő szívjeleket erősíteni kell (műszeres erősítő) és szűrni kell (bemetszéses és aluláteresztő szűrők). Ezeket az összetevőket fizikailag és áramköri szimulátoron hozták létre. Annak biztosítása érdekében, hogy minden egyes komponens megfelelően erősítse vagy szűrje a jelet, váltakozó áramú sweep hajtható végre a PSpice segítségével és kísérletileg. Miután minden egyes komponenst sikeresen tesztelt, a szívjelet be lehet vinni egy komplett áramkörbe, amely a műszererősítőt, a bevágásszűrőt és az aluláteresztő szűrőt tartalmazza. Ezt követően emberi EKG -jelet lehet bevinni az EKG -n és a LabVIEW -on. Mind a szimulált hullámforma, mind az emberi szívjel lefuttatható a LabVIEW -on a bemeneti jel percenként (BPM) számolásához. Összességében elmondható, hogy a bemeneti szívjelet és az emberi jelet sikeresen fel kell erősíteni és szűrni, az EKG -t szimulálva az áramköri ismeretek segítségével a műszererősítő, a bemetszéses szűrő és az aluláteresztő szűrőáramkör tervezéséhez, módosításához és teszteléséhez.

Lépés: Szimulálja az áramkört a számítógépen

Bármilyen rendelkezésre álló szoftverrel szimulálhatja az általunk létrehozandó áramkört. A PSpice -t használtam, ezért fogom elmagyarázni a részleteket, de a komponensek értékei (ellenállások, kondenzátorok stb.) És a fő kivonatok mindegyik ugyanaz, ezért nyugodtan használjon valami mást (például circuitlab.com).

Számítsa ki az összetevő értékeit:

1. Először határozza meg a műszeres erősítő értékeit (lásd a képet). A képen látható értékeket úgy határozták meg, hogy a kívánt nyereség 1000 volt. Ez azt jelenti, hogy a bemeneti feszültségtől függetlenül, amelyet az áramkör ezen része szolgáltat, ezt "erősíti" a nyereségértékkel. Például, ha Ön 1 V -ot biztosít, mint én, akkor a kimenetnek 1000 V -nak kell lennie. Ennek a műszeres erősítőnek két része van, így a nyereség megoszlik közöttük K1 és K2 néven. Lásd a mellékelt képet, szeretnénk, ha a nyereségek közel lennének (ezért a képen a 2.
2. A bemetszéses szűrő ellenállási értékeit úgy határoztuk meg, hogy a minőségi tényezőt, Q -t 8 -ra állítottuk, és mivel tudtuk, hogy rengeteg 0,022uF kondenzátor áll rendelkezésünkre, ezt követően a két feltétel alkalmazásával haladtunk előre. Az értékek kiszámításához nézze meg a képet az 5 - 10 egyenletekkel. Vagy használja az R1 = 753,575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750,663Ω értéket, ezt tettük!
3. Az aluláteresztő szűrő egy bizonyos frekvencia feletti zajt kíván eltávolítani, amelyet az interneten találtunk, hogy az EKG esetében jó 250 Hz -es vágási frekvenciát használni. Ebből a frekvenciából és a 11-15 egyenletekből (ellenőrizze a képet) számítsa ki az ellenállás értékeit az aluláteresztő szűrőhöz. Az R3 -at nyitott áramkörként, az R4 -et rövidzárlatként kezelje annak érdekében, hogy K = 1 erősítést kapjunk. R1 = 15, 300 ohm, R2 = 25, 600 ohm, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

A PSpice megnyitása és továbbfejlesztése:

Mindezekkel az értékekkel indítsa el a PSpice programot - Nyissa meg az „OrCAD Capture CIS” programot, ha a Cadence Project Choices ablakban megjelenik egy ablak, válassza az „Allegro PCB Design CIS L”, fájl megnyitása -> új projekt parancsot, írjon hozzá egy okos nevet, válassza a projekt létrehozása lehetőséget. analóg vagy vegyes A/D használatával válassza az „üres projekt létrehozása” lehetőséget, lásd a képet a projekt fájlszervezéséhez, minden oldalon belül össze kell állítani a komponenseket (ellenállásokat, kondenzátorokat stb.) kívánt áramkört. Minden oldalon rákattint a tetején található eszköztár egy részére, majd a részre kattintva megnyithatja az alkatrészek listáját, ahol ellenállásokat, kondenzátorokat, műveleti erősítőket és áramforrásokat keres. Szintén a Hely legördülő menüben talál földelést és vezetéket, amelyeket használni kell. Most tervezze meg minden oldalát a mellékelt képeken látható módon a számított értékek segítségével.

Futtassa az AC Sweeps programot, hogy a szűrés és erősítés valóban a várt módon történjen

Ezek szimulációjához két számot adtam hozzá. Figyelje meg a 60 Hz -es bevágást és a magas frekvenciák kiszűrését. Vegye figyelembe a vonal színeit és a feliratozott nyomkövetési kifejezéseket, én is végigfuttattam az egész áramkört, így elképzelést kell kapnia arról, hogy mire kell számítania!

A söprésekhez válassza a PSpice lehetőséget, kattintson a PSpice, Új szimulációs profil elemre, váltson AC Sweep -re, és állítsa be a kívánt gyakoriságot az indításhoz, leállításhoz és a növekményhez. A PSpice menüben kiválasztottam a markereket, a fejlett és a feszültség dB -t, és a jelzőt arra a helyre tettem, ahová a kimenetet akartam mérni, ez később segít, így nem kell manuálisan hozzáadni a nyomkövetési módosítást. Ezután térjen vissza a PSpice menügombra, és válassza a Futtatás lehetőséget, vagy nyomja le az F11 billentyűt. Amikor a szimulátor megnyílik, ha szükséges: kattintson a nyomkövetés gombra, adja hozzá a nyomkövetést, majd válassza ki a megfelelő nyomkövetési kifejezést, például V (U6: OUT), ha meg szeretné mérni a kimeneti feszültséget az opamp U6 kimenetén.

Műszeres erősítő: Használja az uA741 -et mindhárom erősítőhöz, és vegye figyelembe, hogy a képeken szereplő erősítőkre a megfelelő címkék (U4, U5, U6) hivatkoznak. Futtassa az AC sweep -et a PSpice -n, hogy kiszámítsa az áramkör frekvenciaválaszát az egyik feszültségbemenettel, hogy a kimeneti feszültség egyenlő legyen az erősítéssel (1000) ebben az esetben.

Vágásszűrő: A képen látható egyfeszültségű váltakozó áramú tápegységet és az uA741 operációs erősítőt használja, és győződjön meg arról, hogy minden használt erősítőt tápellátásra használ (15 V egyenárammal). Futtassa az AC sweep -et, azt javaslom, hogy 30-100 Hz 10 Hz -es lépésekben biztosítsa a bevágást 60 Hz -en, amely kiszűri az elektromos jeleket.

Aluláteresztő szűrő: Használja az uA741 műveleti erősítőt (lásd az ábrát, ahogyan a miénk U1 felirattal volt ellátva), és adja meg az áramkört egy voltos váltakozó áramú árammal. Táplálja az operősítőt egyenáramú 15 V -os feszültséggel, és mérje meg az AC sweep kimenetét az U1 6. tűjén, amely a képen látható vezetékkel csatlakozik. Az AC sweep az áramkör frekvenciaválaszának kiszámítására szolgál, és egy beállított feszültségbemenettel a kimeneti feszültségnek egyenlőnek kell lennie az erősítéssel- 1.

2. lépés: Építse fel a fizikai áramkört egy kenyértáblára

Ez kihívást jelenthet, de teljes mértékben hiszek benned! Használja az Ön által létrehozott és tesztelt értékeket és sematikákat (remélhetőleg tudja, hogy az áramköri szimulátornak köszönhetően működnek), hogy ezt egy kenyérfalra építse. Győződjön meg arról, hogy csak az áramellátást (1 Vp-p függvénygenerátor által) használja az elejére, nem minden szakaszban, ha teljes áramkört tesztel, a teljes áramkör teszteléséhez csatlakoztassa az egyes részeket (műszeres erősítő a szűrő bemetszéséhez aluláteresztő), győződjön meg róla, hogy V+ és V- (15 V) tápellátást biztosít minden op erősítőhöz, és tesztelheti az egyes szakaszokat a kimenet különböző frekvenciákon történő mérésével az oszcilloszkóppal, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az ehhez hasonló szűrés működik. Használhatja a beépített szívhullámformát a funkciógenerátoron, ha a teljes áramkört együtt teszteli, és a várt módon látni fogja a QRS hullámformát. Egy kis csalódottsággal és kitartással képesnek kell lennie arra, hogy fizikailag felépítse ezt!

A PSpice -n nem látható op erősítő teljesítményekkel párhuzamosan hozzáadtunk egy 0,1uF sávos kondenzátort.

Íme néhány tipp az egyes alkatrészek építésekor:

A műszeres erősítő esetében, ha nehezen találja meg a hiba forrását, ellenőrizze a három op-erősítő minden egyes kimenetét. Ezenkívül győződjön meg arról, hogy az áramforrást és a bemenetet megfelelően táplálja. Az áramforrást a 4. és a 7. tűhöz kell csatlakoztatni, a feszültség bemenetét és kimenetét pedig az első fokozatú erősítők 3. csapjához.

A bemetszéses szűrőnél az ellenállás értékeit módosítani kellett, hogy a szűrő 60 Hz frekvencián kiszűrődjön. Ha a szűrés 60 Hz -nél nagyobb mértékben fordul elő, az egyik ellenállás növelése (2 -et állítottunk be) segít csökkenteni a szűrő frekvenciáját (ellentétben a növekedéssel).

Az aluláteresztő szűrő esetében az egyszerű ellenállásértékek biztosítása (a már meglévő ellenállások) jelentősen csökkenti a hibát!

3. lépés: LabVIEW az EKG hullámforma ábrázolásához és a pulzusszám (percenkénti ütem) kiszámításához

A LabVIEW -on blokkdiagramot és felhasználói felületet hoz létre, amely az EKG -hullámformát grafikonon jeleníti meg az idő függvényében, és megjeleníti a digitális pulzusszámot. Csatoltam egy képet arról, hogy mit kell építeni a labVIEW -ra, és a keresősáv segítségével megtalálhatja a szükséges összetevőket. Legyen türelmes ezzel, és a segítség segítségével olvashat is az egyes darabokról.

Győződjön meg arról, hogy a fizikai DAQ -t használja az áramkör csatlakoztatásához a számítógéphez. A DAQ asszisztensen változtassa meg a mintavételt folyamatos és 4 k -ra.

Íme néhány tanács a diagram felépítéséhez:

• A DAQ Assistant kapcsolat az „adatok” és a „leállítás” pontból jön ki.
• DAQ asszisztens a „max.
• Kattintson a jobb egérgombbal, hozzon létre, és válasszon konstansot a képen látható számhoz.
• Kattintson a jobb egérgombbal, válassza ki az elemet, dt, ez a t0 dt értékre vált
• A csúcsérzékelés "jel bemenet", "küszöb" és "szélesség" kapcsolatokkal rendelkezik
• Csatlakozás a "tömbhöz" és az állandók az "indexhez"
• Győződjön meg arról, hogy a DAQ kártya fizikai tűje (azaz az analóg 8) a DAQ Assistantban kiválasztott tű (lásd a képet)

A mellékelt „IMG_9875.mov” videó egy számítógépről készült, amely a LabVIEW VI felhasználói felületét mutatja, és a bemenet alapján megjeleníti a változó EKG -hullámformát és percenkénti ütéseket (figyelje, amint bejelentik, hogy a frekvencia milyen értékre változik).

Tesztelje tervét 1 Hz -es frekvenciabemenet küldésével, és tiszta hullámformával rendelkezik (hasonlítsa össze a képen), de képesnek kell lennie 60 ütés percenként olvasására!

Amit elkészített, emberi szórakoztató EKG jel olvasására is használható szórakozásból, mivel ez NEM orvosi eszköz. Ennek ellenére óvatosnak kell lennie a tervezéshez biztosított árammal. Rögzített felületi elektródák: pozitív a bal bokánál, negatív a jobb csuklónál, és rögzítse a talajt a jobb bokához. Futtassa a labVIEW -t, és látnia kell, hogy a hullámforma megjelenik a grafikonon, és a percenkénti ütések is megjelennek a digitális kijelzőmezőben.