Imituota EKG grandinė: 7 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Elektrokardiograma yra įprastas tyrimas, naudojamas atliekant standartinius tyrimus ir diagnozuojant sunkias ligas. Šis prietaisas, žinomas kaip EKG, matuoja kūno signalus, atsakingus už širdies plakimo reguliavimą. Bandymas atliekamas taikant elektrodus ant tiriamojo odos ir stebint išvestį, kuri yra rodomos žinomos EKG bangos formos. Šioje bangos formoje yra P banga, QRS kompleksas ir T banga, kurios kiekviena reiškia fiziologinį atsaką. Šiame vadove bus aprašyti EKG modeliavimo grandinės modeliavimo programinėje įrangoje veiksmai.

Priedai:

LTSpice ar panašus grandinės simuliatorius

1 žingsnis: sukurkite instrumentų stiprintuvą

Prietaisų stiprintuvo paskirtis yra sustiprinti labai mažą signalą, kurį dažnai supa didelis triukšmas. Įvesties signalo įtampa į EMG paprastai yra nuo 1 mV iki 5 mV, o šio etapo tikslas yra sustiprinti tą signalą, kurio padidėjimas yra maždaug 1000. Schemoje parodyta, kad stiprinimas gali būti valdomas pagal šią lygtį, kur R1 = R2, R4 = R5 ir R6 = R7:

Pelnas = K1*K2, kur K1 = K2

K1 = 1 + (2R1/R3)

K2 = -R6/R4

Todėl padidėjimas buvo lygus 1000, taigi K1 ir K2 yra maždaug 31,6. Kai kurie rezistoriai gali būti pasirinkti savavališkai, o kiti - apskaičiuojami, jei padidinimo lygtis yra lygi 1000. Fizinėje grandinėje elektrodai patektų į operacinius stiprintuvus, tačiau modeliavimo tikslais vienas yra įžemintas, o kitas naudojamas žymėti galimas skirtumas. Vin mazgas bus naudojamas vėliau imituojant įvesties bangas. Vout mazgas veda į kitą EKG etapą. Buvo pasirinktas operacinis stiprintuvas LTC1151, nes jis yra „LTSpice“bibliotekoje, turi aukštą CMRR ir buvo naudojamas medicinos prietaisams. Šioje sistemoje veiktų bet koks pagrindinis operacinis stiprintuvas, kurio maitinimo įtampa yra +15V ir -15V.

2 veiksmas: sukurkite įpjovos filtrą

Kitas EKG etapas yra įpjovos filtras, skirtas filtruoti elektros linijos trukdžius, atsirandančius 60 Hz dažniu. Įpjovos filtras pašalina nedidelį signalų diapazoną, atsirandantį labai arti vienetinio dažnio. Todėl, naudojant 60 Hz ribinį dažnį ir ribinio dažnio lygtį, galima pasirinkti tinkamus rezistorius ir kondensatorius. Naudojant aukščiau pateiktą schemą ir pažymint, kad C = C1 = C2, C3 = 2*C1, R = R10 ir R8 = R9 = 2*R10, kondensatoriaus reikšmes galima pasirinkti savavališkai (pavyzdys rodo pasirinktą 1uF kondensatorių). Naudojant šią lygtį, galima apskaičiuoti ir naudoti šiame etape tinkamas rezistorių reikšmes:

fc = 1/(4*pi*R*C)

„Vin“mazgas yra prietaisų stiprintuvo išėjimas, o „Vout“mazgas veda į kitą etapą.

3 žingsnis: sukurkite pralaidumo filtrą

Paskutinį sistemos etapą sudaro aktyvus pralaidumo filtras, pašalinantis triukšmą virš ir žemiau tam tikro dažnių diapazono. Bazinė klajonė, atsirandanti dėl to, kad signalo bazinė linija kinta laikui bėgant, vyksta žemiau 0,6 Hz, o EMG triukšmas, kurį sukelia raumenų triukšmas, yra dažnis didesnis nei 100 Hz. Todėl šie skaičiai yra nustatyti kaip ribiniai dažniai. Pralaidų dažnių filtrą sudaro žemo dažnio filtras, po kurio - aukšto dažnio filtras. Tačiau abu filtrai turi tą patį išjungimo dažnį:

Fc = 1/(2*pi*R*C)

Naudojant 1uF kaip savavališką kondensatoriaus vertę ir 0,6 ir 100 kaip ribinius dažnius, rezistorių vertės buvo apskaičiuotos atitinkamoms filtro dalims. „Vin“mazgas gaunamas iš išpjovos filtro išvesties, o „Vout“mazgas yra ten, kur bus matuojamas visos sistemos imituojamas išėjimas. Fizinėje sistemoje ši išvestis būtų prijungta prie osciloskopo ar panašaus ekrano įrenginio, kad būtų galima realiu laiku peržiūrėti EKG bangas.

4 žingsnis: išbandykite prietaisų stiprintuvą

Toliau bus išbandytas prietaisų stiprintuvas, siekiant užtikrinti, kad jis padidintų 1000. Norėdami tai padaryti, įveskite sinusinę bangą bet kokiu dažniu ir amplitude. Šiame pavyzdyje buvo naudojama nuo 2 mV piko iki amplitudės, kad būtų pavaizduota EMG banga ir 1000 Hz dažnis. Imituokite prietaisų stiprintuvą grandinės modeliavimo programinėje įrangoje ir nubrėžkite įvesties ir išvesties bangos formas. Naudodami žymeklio funkciją, įrašykite įvesties ir išvesties dydžius ir apskaičiuokite padidėjimą pagal Gain = Vout/Vin. Jei šis padidėjimas yra maždaug 1000, šis etapas veikia tinkamai. Šiame etape galima atlikti papildomą statistinę analizę, atsižvelgiant į rezistorių nuokrypius ir pakeitus rezistorių reikšmes +5% ir -5%, kad būtų galima pamatyti, kaip tai veikia išėjimo bangą ir vėlesnį stiprinimą.

5 veiksmas: išbandykite išpjovos filtrą

Išbandykite išpjovos filtrą atlikdami kintamosios srovės valymą iš diapazono, kuriame yra 60 Hz. Šiame pavyzdyje šlavimas buvo atliekamas nuo 1 Hz iki 200 Hz. Gautas grafikas, matuojamas Vout mazge, išves stiprinimo grafiką dB ir dažnį Hz. Diagrama turėtų prasidėti ir baigtis esant 0 dB stiprinimui dažniu, kuris yra toli nuo 60 Hz abiem kryptimis, o didelis stiprinimo sumažėjimas turėtų atsirasti esant 60 Hz dažniui arba labai arti jo. Tai rodo, kad tokiu dažniu atsirandantys signalai tinkamai pašalinami iš norimo signalo. Šiame etape galima atlikti papildomą statistinę analizę, atsižvelgiant į rezistorių nuokrypius ir pakeitus rezistorių ir kondensatorių reikšmes +5% ir -5%, kad būtų galima pamatyti, kaip tai veikia eksperimentinį ribinį dažnį (dažniausias grafinis slopinimas).

6 veiksmas: išbandykite pralaidumo filtrą

Galiausiai patikrinkite pralaidumo filtrą atlikdami kitą kintamosios srovės valymo analizę. Šį kartą šlavimas turėtų būti nuo mažesnio nei 0,6 ir didesnio nei 100 dažnių, kad būtų užtikrintas grafinis pralaidumo pralaidumas. Dar kartą atlikite analizę, matuojant schemoje parodytą mazgą „Vout“. Išėjimas turėtų atrodyti kaip aukščiau pateiktas paveikslas, kur stiprinimas yra neigiamas, tuo toliau nuo 0,6–100 Hz diapazono. Taškai, kuriuose stiprinimas yra -3dB, turėtų būti 0,6 ir 100 Hz arba reikšmės, labai artimos atitinkamai pirmajam ir antrajam. -3dB taškai reiškia, kad signalas susilpnėja iki taško, kuriame šių dažnių išėjimas bus pusė pradinės galios. Todėl -3dB taškai naudojami filtrų signalų silpnėjimui analizuoti. Jei išvesties grafike esantys -3dB taškai sutampa su pralaidumo diapazonu, etapas veikia tinkamai.

Šiame etape galima atlikti papildomą statistinę analizę, atsižvelgiant į rezistorių nuokrypius ir pakeitus rezistorių ir kondensatorių reikšmes +5% ir -5%, kad būtų galima pamatyti, kaip tai veikia abu eksperimentinius ribinius dažnius.

7 žingsnis: surinkite visą EKG sistemą

Galiausiai, kai patvirtinama, kad visi trys etapai veikia tinkamai, sudėkite visus tris EKG etapus kartu ir gaukite galutinį rezultatą. Į prietaisų stiprintuvo pakopą gali būti įvesta imituota EKG banga, o išvestinė - sustiprinta EKG banga.