Phân tích trở kháng sinh học (BIA) với AD5933: 9 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Tôi đã quan tâm đến việc tạo ra một Máy phân tích trở kháng sinh học để đo thành phần cơ thể và các tìm kiếm ngẫu nhiên của tôi liên tục tìm thấy một thiết kế từ lớp Thiết bị Y sinh năm 2015 tại Đại học Vanderbilt. Tôi đã làm việc thông qua thiết kế và cải thiện nó một chút. Tôi muốn chia sẻ những phát hiện của tôi với bạn. Lấy những gì bạn có thể sử dụng từ "buổi hướng dẫn" này nếu có điều gì đó không rõ ràng, vui lòng đề xuất các cải tiến. Một ngày nào đó tôi có thể viết ra suy nghĩ của mình dưới một hình thức gắn kết hơn, nhưng hiện tại tôi hy vọng bạn có thể sử dụng bất cứ điều gì bạn thấy ở đây. (Nếu bạn nghĩ rằng bạn có thể viết lên và cải thiện điều này, bạn được hoan nghênh)

Teddy

Thiết kế này bao gồm chip AD5933 và giao diện người dùng tương tự tùy chỉnh (AFE) để kết nối AD5933 với thân máy. AD5933 sau đó thực hiện phép đo và kết quả sau đó có thể được xử lý bằng vi điều khiển (ví dụ: Arduino).

Nếu bạn định sử dụng Arduino làm nguồn cung cấp điện, hãy đảm bảo rằng các bộ khuếch đại hoạt động và thiết bị (op-amps và in-amps) hỗ trợ cái gọi là điện áp "nguồn cung cấp duy nhất" và có thông số kỹ thuật đường sắt.

(Trong phần sau, tôi sẽ sử dụng nguồn điện (từ Arduino) 5V và cài đặt Phạm vi 1 trên AD5933.)

Bước 1: Giai đoạn Re-bias

Phần đầu tiên của AFE là giai đoạn định vị lại. Tín hiệu điện áp đầu ra không tập trung ở giữa dải điện áp cung cấp (VDD / 2). Điều này được khắc phục bằng cách sử dụng một tụ điện để chặn phần DC của tín hiệu và gửi nó qua bộ chia điện áp để thêm phần bù DC vào tín hiệu.

Hai điện trở phân cực lại có thể có giá trị bất kỳ miễn là chúng giống nhau. Giá trị cụ thể af của giới hạn cũng không quan trọng.

Giai đoạn định vị lại hoạt động giống như một bộ lọc thông cao và do đó có tần số cắt:

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

Đảm bảo rằng tần số cắt thấp hơn một vài thập kỷ so với tần suất tối thiểu mà bạn định sử dụng. Nếu bạn định sử dụng 1kHz trong ứng dụng của mình, bạn nên chọn các giá trị mũ và điện trở sẽ cung cấp cho bạn tần số cắt theo thứ tự 1-10 Hz.

Phần cuối cùng của giai đoạn này là một op-amp được thiết lập để trở thành một bộ theo điện áp. Điều này để đảm bảo rằng các giá trị điện trở không ảnh hưởng đến giai đoạn tiếp theo

Bước 2: Điện trở cảm biến hiện tại

Phần đầu tiên của giai đoạn tiếp theo là điện trở cảm nhận hiện tại. Dòng điện qua điện trở này sẽ là dòng điện mà bộ khuếch đại sẽ cố gắng duy trì qua cơ thể. Đảm bảo rằng dòng điện tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn IEC6060-1 *:

Dưới tần số 1 kHz, tối đa 10 microAmps (RMS) được phép đi qua cơ thể. Ở tần số trên 1kHz, phương trình sau cho dòng điện tối đa cho phép:

Dòng điện AC tối đa <(tần số tối thiểu tính bằng kHz) * 10 microAmps (RMS)

Mối quan hệ giữa biên độ đỉnh của tín hiệu AC và giá trị RMS của nó là: Peak = sqrt (2) * RMS. (10 microAmps RMS tương ứng với biên độ đỉnh 14 microAmps)

Sử dụng Định luật Ohms trên điện trở, chúng ta có thể tính toán giá trị điện trở sẽ phù hợp với tiêu chuẩn an toàn. Chúng tôi sử dụng điện áp kích thích từ AD5933 và giá trị dòng điện tối đa:

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

Ví dụ. sử dụng cài đặt Phạm vi 1 Nâng cấp = 3V / 2 = 1.5V (hoặc 1V @ 3.3V)

Sử dụng giá trị đỉnh 14 microAmp từ trên xuống, tôi nhận được giá trị điện trở ít nhất là 107kOhms

Người giới thiệu:

* Thiết bị tương tự: "Thiết kế mạch trở kháng sinh học cho hệ thống hao mòn cơ thể"

Bước 3: Bộ khuếch đại dẫn truyền

Sau điện trở cảm nhận hiện tại có một op-amp trong cấu hình phản hồi tiêu cực. Đây là cái gọi là thiết lập Load-in-the-Loop. Cực đầu vào tích cực của op-amp được kết nối với điện áp VDD / 2. Op-amp bây giờ sẽ cố gắng điều chỉnh đầu ra của nó theo hướng ngược lại với tín hiệu kích thích sao cho điện áp tại cực âm sẽ bằng VDD / 2. Điều này sẽ tạo ra một thế năng bập bênh đẩy và kéo dòng điện qua cơ thể.

Dòng điện được rút ra từ cực âm của op-amp gần như bằng không. Do đó, tất cả dòng điện qua điện trở cảm nhận hiện tại phải chạy qua cơ thể. Đây là cơ chế làm cho thiết lập này trở thành một bộ khuếch đại dẫn truyền (còn được gọi là nguồn dòng điện được điều khiển bằng điện áp, VCCS).

Op-amp chỉ có thể duy trì dòng điện nếu trở kháng của cơ thể không quá cao. Nếu không, đầu ra op-amp sẽ chỉ đạt cực đại ở điện áp cung cấp (0 hoặc 5 V). Khoảng điện áp tối đa có thể duy trì là VDD / 2 + Upeak (nguồn cung cấp 2,5 + 1,5V = 4V @ 5V). Biên điện áp của op-amp phải được trừ đi từ giá trị này, nhưng nếu op-amp có thông số kỹ thuật rail-to-rail thì sẽ chỉ là một lượng nhỏ. Do đó, trở kháng tối đa mà op-amp có thể thúc đẩy là:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(Trong thiết lập của tôi, Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, ước là đủ để bao phủ phạm vi trở kháng của thân máy)

Điện trở của bộ bảo vệ có giá trị rất lớn (1-1,5 MOhms) so với phần thân (khoảng 100kOhms) và đối với tất cả các hoạt động bình thường, điều này sẽ không tạo ra bất kỳ dòng điện đáng chú ý nào và trở kháng của kết nối song song bị chi phối bởi trở kháng của phần thân. Nếu trở kháng của cơ thể tăng lên (ví dụ như miếng đệm lỏng lẻo) thì dòng điện có thể đi qua điện trở và việc tối đa hóa op-amp sẽ không tạo ra điện áp khó chịu trong miếng đệm.

Bước 4: Bộ khuếch đại thiết bị đo

Giai đoạn tiếp theo là bộ khuếch đại thiết bị đo (in-amp) đo điện áp trên cơ thể. Điện áp trên toàn thân dao động xung quanh 0V, nhưng AD5933 cần điện áp đầu vào nằm trong một phạm vi tích cực. Do đó, bộ khuếch đại trong thêm một độ lệch DC của VDD / 2 vào tín hiệu điện áp đo được.

Tham chiếu VDD / 2 được tạo ra bởi một bộ chia điện áp. Có thể sử dụng bất kỳ điện trở giá trị nào miễn là chúng giống nhau. Bộ phân áp được ngăn cách với trở kháng của phần còn lại của mạch bằng bộ theo điện áp. Đầu ra của bộ theo điện áp sau đó có thể được chuyển tiếp đến cả bộ khuếch đại trong và bộ khuếch đại dẫn điện.

Bước 5: Giai đoạn đầu vào và hiệu chuẩn

Giai đoạn đầu vào của AD5933 chứa một op-amp trong cấu hình phản hồi tiêu cực. Có hai điện trở: một mắc nối tiếp (Rin) và một điện trở song song (RFB). Mức tăng của op-amp được cung cấp bởi

A = - RFB / Rin

Mức tăng của op-amp đầu vào và in-amp (và PGA) cần đảm bảo rằng tín hiệu đi vào ADC của AD5933 luôn nằm trong khoảng 0V và VDD.

(Tôi sử dụng giá trị in-amp và điện trở tăng thống nhất sẽ cho khoảng A = 0,5)

Bên trong AD5933 ADC sẽ chuyển đổi tín hiệu điện áp thành tín hiệu số. Dải điện áp từ 0V đến VDD được chuyển đổi thành dải kỹ thuật số 0-128 (2 ^ 7). (Tài liệu không nói rõ về điều này nhưng việc kiểm tra kỹ lưỡng các ô trong [1] và thực nghiệm som của tôi xác nhận điều này.)

Bên trong mô-đun DFT có một tỷ lệ khác là 256 (1024/4, xem [1]) trước khi kết quả được lưu trong thanh ghi thực và ảo.

Bằng cách đi theo tín hiệu điện áp máng AFE, vào ADC và sử dụng các hệ số thang đo được đề cập trước đó, có thể ước tính hệ số khuếch đại là:

g = (VDD * Dòng điện * Rin) / (256 * PGA * Nâng cấp * RFB * 2 ^ 7)

Một số hiệu chuẩn có thể vẫn cần thiết, vì vậy hãy tính đến một số hiệu ứng không phải là một phần của mô hình toán học này, vì vậy hãy đo giá trị độ lợi thực bằng cách đo các thành phần của trở kháng đã biết, như điện trở. (g = Z / mag, xem bên dưới)

Trở kháng bây giờ có thể được tính bằng

Z = g * mag

mag = sqrt (thực ^ 2 + ảo ^ 2)

PA = arctan2 (thực, ảo) - deltaPA

PA có thể cần được hiệu chuẩn cũng như có sự dịch chuyển pha có hệ thống như một hàm của tần số trong AD5933. deltaPA có thể sẽ là một số hàm tuyến tính của tần số.

Điện trở và điện kháng bây giờ có thể được tính bằng

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Tài liệu tham khảo: [1] Leonid Matsiev, "Cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của hệ thống dựa trên máy dò DFT tần số đơn như AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390 / điện tử4010001

Bước 6: Nội dung nâng cao: Rò rỉ quang phổ (DC)

Tín hiệu mà chúng tôi đưa vào AD5933 là điện áp / dòng điện như một hàm thời gian, nhưng mối quan tâm chính của chúng tôi là trở kháng như một hàm số của tần số. Để chuyển đổi giữa miền thời gian và miền tần số, chúng ta cần thực hiện phép biến đổi Fourier của tín hiệu miền thời gian. AD5933 có tích hợp mô-đun biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Ở tần số thấp (dưới khoảng 10 kHz), việc xây dựng trong DFT bị ảnh hưởng bởi hiện tượng rò rỉ răng cưa và phổ. Trong [1], ông đi qua toán học về cách sửa lỗi rò rỉ quang phổ. Bản chất của việc này là tính toán năm (cộng hai) hằng số cho mỗi bước tần số trong quá trình quét. Điều này có thể dễ dàng được thực hiện, ví dụ: bởi Arduino trong phần mềm.

Rò rỉ có hai dạng: rò rỉ một chiều có bản chất là phụ gia và rò rỉ xoay chiều có bản chất là số nhân.

Rò rỉ DC bắt nguồn từ thực tế là tín hiệu điện áp tại ADC không dao động xung quanh 0V mà xung quanh VDD / 2. Mức DC của VDD / 2 phải tương ứng với số đọc DC kỹ thuật số là khoảng 64 (delta được chỉ định trong [1]).

Các bước để khắc phục sự cố rò rỉ quang phổ DC:

1) Tính hệ số Envelope-factor E cho tần số hiện tại.

2) Tính hai hệ số khuếch đại GI (thực) và GQ (tưởng tượng)

3) Trừ delta * GI khỏi giá trị của thanh ghi thực và delta * GQ từ giá trị của thanh ghi ảo

Người giới thiệu:

[1] Leonid Matsiev, "Cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của hệ thống dựa trên

Máy dò DFT một tần số như AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10,3390 / electronic4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Máy đo trở kháng dải tần rộng đơn giản dựa trên mạch tích hợp AD5933", Metrol. Biện pháp Syst., Tập. XXII (2015), số 1, trang 13–24.

Bước 7: Nội dung nâng cao: Rò rỉ quang phổ (AC)

Giống như rò rỉ DC, rò rỉ AC có thể được sửa chữa theo toán học. Trong [1], điện trở và điện kháng lần lượt được gọi là A * cos (phi) và A * sin (phi), trong đó A tương ứng với độ lớn của trở kháng và phi tương ứng với góc pha (PA).

Các bước để sửa lỗi rò rỉ quang phổ AC:

1) Tính hệ số Envelope-factor (không giống như đối với DC) cho tần số hiện tại.

2) Tính ba thừa số a, b, d. (giá trị xấp xỉ ở tần số cao hơn: a = d = 256 và b = 0)

3) Điện trở (Acos (phi)) và điện kháng (Asin (phi)) hiện có thể được tính bằng đơn vị kỹ thuật số

Tài liệu tham khảo: [1] Leonid Matsiev, "Cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của hệ thống dựa trên máy dò DFT tần số đơn như AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390 / điện tử4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Máy đo trở kháng dải tần rộng đơn giản dựa trên mạch tích hợp AD5933", Metrol. Biện pháp Syst., Tập. XXII (2015), số 1, trang 13–24.

Bước 8: Nội dung nâng cao: Hệ số tăng lý thuyết

Với mô hình toán học của DFT, cũng có thể lập mô hình toán học cho toàn bộ AFE. Về mặt toán học, tín hiệu điện áp có thể được mô tả bằng một hàm sin với tần số cố định cho trước, độ lệch một chiều và dao động xoay chiều với biên độ cực đại. Tần số không thay đổi trong một bước tần số. Vì hệ số khuếch đại chỉ thay đổi độ lớn của trở kháng chứ không phải PA nên ở đây chúng ta sẽ không quan tâm đến bất kỳ sự dịch chuyển pha nào gây ra trên tín hiệu.

Dưới đây là tóm tắt ngắn gọn về tín hiệu điện áp khi nó truyền qua AFE:

1) Sau giai đoạn phân cực lại, biên độ AC vẫn là Upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) và nguồn DC đã được thay đổi thành VDD / 2.

2) Trong điện trở cảm nhận hiện tại, điện áp được đặt giống như giai đoạn trước…

3)… nhưng do điện áp bập bênh của op-amp, các dao động AC có kích thước là Z * Dòng suy giảm / Dòng điện. (Độ lệch DC bị loại bỏ bởi điện áp tham chiếu op-amps của VDD / 2 - điểm xoay của bập bênh - và trở thành mặt đất ảo trong phần này của mạch)

4) In-amp thống nhất bổ sung bù đắp DC của VDD / 2 trở lại và chuyển tiếp tín hiệu đến giai đoạn đầu vào của AD5933

5) Op-amp ở giai đoạn đầu vào có mức tăng A = -RFB / Rin và do đó biên độ AC trở thành (Z * Upeak / Rcurrent) * (RFB / Rin)

6) Ngay trước ADC có một bộ khuếch đại khuếch đại có thể lập trình (PGA) với hai cài đặt có mức tăng là 1 hoặc 5. Do đó, tín hiệu điện áp tại ADC trở thành: PGA * (Z * Upeak / Rcurrent) * (RFB / Rin)

ADC chuyển đổi tín hiệu v (t) thành tín hiệu số x (t) = u (t) / VDD * 2 ^ 7 với độ chính xác 12 bit.

Cường độ A được kết nối với trở kháng Z bằng hệ số khuếch đại, k, là A = k * Z và có giá trị xấp xỉ k = PGA * Upeak * RFB * 2 ^ 7 / (VDD * Dòng điện * Rin).

Nếu bạn muốn làm việc với gain-faktor thay vì g = 1 / k và Z = g * A.

Bước 9: Nội dung nâng cao: PA Shift

Trong [2], họ tìm thấy sự thay đổi có hệ thống trong PA như một hàm của tần số. Điều này là do thời gian trễ giữa DAC nơi tín hiệu kích thích được tạo ra và DFT nơi tín hiệu đầu vào cần được kết hợp với tín hiệu đi.

Sự thay đổi được đặc trưng bởi số chu kỳ xung nhịp mà tín hiệu bị trễ giữa DAC và DFT bên trong AD5933.

Tài liệu tham khảo: [1] Leonid Matsiev, "Cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của hệ thống dựa trên máy dò DFT tần số đơn như AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390 / điện tử4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Máy đo trở kháng dải tần rộng đơn giản dựa trên mạch tích hợp AD5933", Metrol. Biện pháp Syst., Tập. XXII (2015), số 1, trang 13–24.