Điện tâm đồ tự động: Mô phỏng bộ lọc và khuếch đại bằng LTspice: 5 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Đây là hình ảnh của thiết bị cuối cùng mà bạn sẽ xây dựng và một cuộc thảo luận rất sâu về từng phần. Đồng thời mô tả các tính toán cho từng giai đoạn.

Hình ảnh hiển thị sơ đồ khối cho thiết bị này

Phương pháp và Vật liệu:

Mục tiêu của dự án này là phát triển một thiết bị thu nhận tín hiệu để mô tả một tín hiệu sinh học cụ thể / thu thập dữ liệu liên quan về tín hiệu. Cụ thể hơn là điện tâm đồ tự động. Sơ đồ khối thể hiện trong Hình 3 nêu bật sơ đồ được đề xuất cho thiết bị. Thiết bị sẽ nhận tín hiệu sinh học thông qua một điện cực và sau đó khuếch đại nó bằng bộ khuếch đại có độ lợi 1000. Việc khuếch đại này là cần thiết vì tín hiệu sinh học sẽ nhỏ hơn ở khoảng 5mV, rất nhỏ và có thể khó giải thích [5]. Sau đó, tiếng ồn sẽ được giảm thiểu bằng cách sử dụng bộ lọc thông dải để có được dải tần số mong muốn cho tín hiệu, 0,5-150 Hz, và sau đó sẽ có một rãnh để loại bỏ tiếng ồn xung quanh bình thường do các đường dây nguồn khoảng 50-60 Hz gây ra. [11]. Cuối cùng, tín hiệu sau đó cần được chuyển đổi sang kỹ thuật số để nó có thể được thông dịch bằng máy tính và điều này được thực hiện bằng bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, chủ yếu sẽ tập trung vào bộ khuếch đại, bộ lọc thông dải và bộ lọc notch.

Bộ khuếch đại, bộ lọc thông dải và bộ lọc notch đều được thiết kế và mô phỏng bằng LTSpice. Mỗi phần đầu tiên được phát triển riêng biệt và được kiểm tra để đảm bảo chúng hoạt động đúng cách và sau đó được nối thành một giản đồ cuối cùng. Bộ khuếch đại, có thể được nhìn thấy trong hình 4, được thiết kế và dựa trên một bộ khuếch đại thiết bị. Bộ khuếch đại thiết bị đo đạc thường được sử dụng trong máy đo điện tâm đồ, máy theo dõi nhiệt độ và thậm chí cả máy dò động đất vì nó có thể khuếch đại mức tín hiệu rất thấp trong khi loại bỏ tiếng ồn dư thừa. Nó cũng rất dễ dàng sửa đổi để điều chỉnh cho bất kỳ lợi ích nào là cần thiết [6]. Độ lợi mong muốn cho mạch là 1000 và điều này đã được chọn vì đầu vào từ điện cực sẽ là tín hiệu AC nhỏ hơn 5 mV [5] và cần được khuếch đại để làm cho dữ liệu dễ hiểu hơn. Để đạt được mức tăng 1000, phương trình (1) GAIN = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3) đã được sử dụng, do đó mang lại GAIN = (1+ (5000Ω + 5000Ω) /101,01Ω) (1000Ω / 100Ω) = 1000. Để xác nhận mức khuếch đại chính xác đã đạt được, một thử nghiệm thoáng qua đã được tiến hành bằng cách sử dụng LTspice.

Giai đoạn thứ hai là một bộ lọc thông dải. Bộ lọc này có thể được nhìn thấy trong Hình 5 và bao gồm bộ lọc thông thấp và sau đó là bộ lọc thông cao với bộ khuếch đại hoạt động ở giữa để ngăn các bộ lọc triệt tiêu lẫn nhau. Mục đích của giai đoạn này là tạo ra một dải tần số có thể chấp nhận được để đi qua thiết bị. Phạm vi mong muốn cho thiết bị này là 0,5 - 150 Hz vì đây là phạm vi tiêu chuẩn cho ECG [6]. Để đạt được phạm vi mục tiêu này, phương trình (2) tần số cắt = 1 / (2πRC) đã được sử dụng để xác định tần số cắt cho cả bộ lọc thông cao và thông thấp trong dải thông. Vì đầu dưới của dải cần là 0,5 Hz, nên giá trị điện trở và tụ điện của bộ lọc thông cao được tính là 0,5 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 318,83µF) và với đầu trên cần là 150 Hz, mức thấp giá trị điện trở bộ lọc và tụ điện được tính là 150 Hz = 1 / (2π * 1000Ω * 1.061µF). Để xác nhận rằng đã đạt được dải tần chính xác, quá trình quét AC đã được chạy bằng LTspice.

Giai đoạn mô phỏng thứ ba và cuối cùng là bộ lọc khía và có thể được nhìn thấy trong Hình 6. Bộ lọc khía đóng vai trò như một phương tiện để loại bỏ tiếng ồn không mong muốn xảy ra ở giữa dải tần mong muốn do dải thông tạo ra. Tần số mục tiêu trong trường hợp này là 60 Hz vì đó là tần số đường dây điện tiêu chuẩn ở Hoa Kỳ và gây nhiễu nếu không được xử lý [7]. Bộ lọc rãnh được chọn để xử lý nhiễu này là bộ lọc rãnh kép với hai amply op và một bộ chia điện áp. Điều này sẽ cho phép tín hiệu không chỉ lọc ra tín hiệu trực tiếp ở tần số mục tiêu mà còn đưa vào hệ thống một phản hồi có thể thay đổi, hệ số chất lượng có thể điều chỉnh Q và đầu ra có thể thay đổi nhờ bộ phân áp và do đó làm cho bộ lọc này trở thành một bộ lọc tích cực thay vì một thụ động [8]. Tuy nhiên, những yếu tố phụ này hầu như không được đề cập đến trong các thử nghiệm ban đầu nhưng sẽ được đề cập đến trong các công trình tương lai và cách cải thiện dự án sau này. Để xác định tâm của tần số loại bỏ, phương trình (3) tần số loại bỏ trung tâm = 1 / (2π) * √ (1 / (C2 * C3 * R5 * (R3 + R4))) = 1 / (2π) * √ (1 / [(0,1 * 10 ^ -6µF) * (0,1 * 10 ^ -6µF) (15000Ω) * (26525Ω + 26525Ω)]) = 56,420 Hz đã được sử dụng. Để xác nhận rằng đã đạt được tần số từ chối chính xác, quá trình quét AC đã được chạy bằng LTspice.

Cuối cùng, sau khi mỗi giai đoạn được thử nghiệm riêng biệt, ba giai đoạn được kết hợp như trong Hình 7. Cũng cần lưu ý rằng tất cả các amp op đều được cung cấp nguồn điện DC + 15V và -15V để cho phép khuếch đại đáng kể để xảy ra khi cần thiết. Sau đó, cả thử nghiệm thoáng qua và quét AC đều được thực hiện trên mạch đã hoàn thành.

Kết quả:

Các đồ thị cho mỗi giai đoạn có thể được tìm thấy trực tiếp trong giai đoạn tương ứng của nó trong phần Hình trong phụ lục. Đối với giai đoạn đầu tiên, bộ khuếch đại dụng cụ, một thử nghiệm thoáng qua được chạy trên mạch để kiểm tra để đảm bảo rằng độ lợi cho bộ khuếch đại là 1000. Thử nghiệm chạy từ 1 - 1,25 giây với bước thời gian tối đa là 0,05. Điện áp được cung cấp là một sóng hình sin xoay chiều với biên độ 0,005 V và tần số 50 Hz. Mức tăng dự kiến là 1000 và như được thấy trong Hình 4, vì Vout (đường cong màu xanh lá cây) có biên độ 5V. Độ lợi mô phỏng được tính là, độ lợi = Vout / Vin = 5V / 0,005V = 1000. Do đó, sai số phần trăm cho giai đoạn này là 0%. 0,005V đã được chọn làm đầu vào cho phần này vì nó sẽ liên quan chặt chẽ đến đầu vào nhận được từ một điện cực như đã đề cập trong phần phương pháp.

Giai đoạn thứ hai, bộ lọc thông dải, có dải mục tiêu là 0,5 - 150 Hz. Để kiểm tra bộ lọc và đảm bảo phạm vi phù hợp, một thập kỷ, quét AC đã được chạy với 100 điểm mỗi thập kỷ từ 0,01 - 1000 Hz. Hình 5 cho thấy kết quả từ việc quét AC và xác nhận rằng đã đạt được dải tần từ 0,5 đến 150 Hz vì âm 3 dB tối đa cho tần số cắt. Phương pháp này được minh họa trên đồ thị.

Giai đoạn thứ ba, bộ lọc notch, được thiết kế để loại bỏ tiếng ồn xung quanh 60 Hz. Tần số từ chối trung tâm được tính toán là ~ 56 Hz. Để xác nhận điều này, một thập kỷ, AC quét đã được chạy với 100 điểm mỗi thập kỷ từ 0,01 - 1000 Hz. Hình 6 cho thấy các kết quả từ việc quét AC và minh họa một trung tâm của tần số loại bỏ ~ 56-59 Hz. Phần trăm lỗi cho phần này sẽ là 4,16%.

Sau khi xác nhận rằng từng giai đoạn riêng lẻ đã hoạt động, ba giai đoạn sau đó được lắp ráp như trong Hình 7. Sau đó, một thử nghiệm thoáng qua được chạy để kiểm tra độ khuếch đại của mạch và thử nghiệm chạy từ 1 - 1,25 giây với bước thời gian tối đa là 0,05 với a đã cung cấp điện áp một sóng sin xoay chiều có biên độ 0,005 V và tần số 50 Hz. Đồ thị kết quả là đồ thị đầu tiên trong Hình 7 cho thấy Vout3 (màu đỏ), đầu ra của toàn mạch, là 3,865 V và do đó làm cho mức tăng = 3,865V / 0,005V = 773. Điều này khác đáng kể so với mức tăng dự kiến là 1000 và cho sai số là 22,7%. Sau thử nghiệm thoáng qua, một thập kỷ, quét AC được chạy với 100 điểm mỗi thập kỷ từ 0,01 - 1000 Hz và tạo ra biểu đồ thứ hai trong Hình 7. Biểu đồ này nêu bật các kết quả dự kiến và cho thấy các bộ lọc hoạt động song song để tạo ra một bộ lọc nhận tần số từ 0,5-150 Hz với tâm loại bỏ từ 57,5-58,8 Hz.

Phương trình:

(1) - độ lợi của bộ khuếch đại thiết bị đo [6], điện trở so với điện trở được tìm thấy trong Hình 4.

(2) - tần số cắt cho bộ lọc thông thấp / cao

(3) - đối với bộ lọc t khía đôi [8], các điện trở so với các điện trở được tìm thấy trong Hình 6.

Bước 1: Bộ khuếch đại nhạc cụ

Giai đoạn 1: bộ khuếch đại thiết bị

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

Bước 2: Băng thông

giai đoạn 2: bộ lọc thông dải

phương trình: tần số cắt = 1 / 2πRC

Bước 3: Giai đoạn 3: Bộ lọc Notch

giai đoạn 3: Bộ lọc Twin T Notch

phương trình - tần số loại bỏ trung tâm = 1 / 2π √ (1 / (C_2 C_3 R_5 (R_3 + R_4)))

Bước 4: Sơ đồ cuối cùng của tất cả các giai đoạn cùng nhau

Sơ đồ cuối cùng với quét xoay chiều và các đường cong thoáng qua

Bước 5: Thảo luận về thiết bị

Thảo luận:

Kết quả từ các thử nghiệm được thực hiện ở trên đạt được kết quả như mong đợi đối với toàn bộ mạch. Mặc dù bộ khuếch đại không hoàn hảo và tín hiệu bị suy giảm một chút khi nó đi qua mạch (có thể thấy trong Hình 7, đồ thị 1 trong đó tín hiệu tăng từ 0,005V lên 5V sau giai đoạn đầu tiên và sau đó giảm xuống 4V sau giai đoạn thứ hai và sau đó là 3.865V sau giai đoạn cuối cùng), bộ lọc thông dải và rãnh đã hoạt động như dự định và tạo ra dải tần từ 0,5–150 Hz với việc loại bỏ tần số khoảng 57,5-58,8 Hz.

Sau khi thiết lập các thông số cho mạch của mình, tôi sau đó so sánh nó với hai ECG khác. So sánh trực tiếp hơn chỉ với các con số có thể được tìm thấy trong Bảng 1. Có ba điểm rút ra chính khi so sánh dữ liệu của tôi với các nguồn tài liệu khác. Đầu tiên là độ khuếch đại trong mạch của tôi thấp hơn đáng kể so với hai mạch khác mà tôi cũng đang so sánh. Cả hai mạch của nguồn tài liệu đều đạt được mức khuếch đại 1000 và trong Gawali’s ECG [9], tín hiệu thậm chí còn được khuếch đại hơn nữa bởi hệ số 147 trong giai đoạn bộ lọc. Do đó, mặc dù tín hiệu trong mạch của tôi đã được khuếch đại bằng 773 (sai số 22,7% khi so sánh với độ khuếch đại tiêu chuẩn) và được coi là đủ để có thể giải thích tín hiệu đầu vào từ điện cực [6], nó vẫn bị lùn so với mức khuếch đại tiêu chuẩn. 1000. Nếu đạt được độ khuếch đại tiêu chuẩn trong mạch của tôi, thì độ khuếch đại trong bộ khuếch đại dụng cụ sẽ cần phải được tăng lên đến một hệ số lớn hơn 1000 để khi độ lợi bị giảm xuống sau khi đi qua từng giai đoạn bộ lọc trong mạch của tôi, nó vẫn có mức khuếch đại ít nhất là 1000 hoặc các bộ lọc cần được điều chỉnh để ngăn chặn mức sụt áp cao hơn xảy ra.

Điều quan trọng thứ hai là cả ba mạch đều có dải tần số rất giống nhau. Gawali’s [9] có cùng dải chính xác là 0,5-150 Hz trong khi Goa [10] có dải rộng hơn một chút là 0,05-159 Hz. Mạch của Goa có sự khác biệt nhỏ này vì phạm vi đó phù hợp hơn với thẻ thu thập dữ liệu đang được sử dụng trong thiết lập của họ.

Điểm rút ra chính cuối cùng là sự khác biệt về trung tâm của tần số loại bỏ đạt được bởi các bộ lọc khía trong mỗi mạch. Gao’s và mạch của tôi đều có mục tiêu là 60 Hz để triệt tiêu nhiễu tần số đường dây gây ra cho đường dây điện trong khi Gawali’s được đặt thành 50 Hz. Tuy nhiên, sự khác biệt này là ổn vì tùy thuộc vào vị trí trên thế giới, tần số đường dây điện có thể là 50 hoặc 60 Hz. Do đó, một so sánh trực tiếp đã được thực hiện chỉ với mạch của Goa vì nhiễu đường dây điện ở Hoa Kỳ là 60 Hz [11]. Sai số phần trăm là 3,08%.