Автомат ЭКГ: LTspice ашиглан олшруулалт ба шүүлтүүрийн симуляци: 5 алхам

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:00

Энэ бол таны барьж буй эцсийн төхөөрөмжийн зураг бөгөөд хэсэг бүрийн талаар маш гүнзгий хэлэлцүүлэг юм. Мөн үе шат бүрийн тооцооллыг тайлбарласан болно.

Зураг дээр энэ төхөөрөмжийн блок диаграмыг харуулав

Арга, материал:

Энэхүү төслийн зорилго нь тодорхой биологийн дохиог тодорхойлох/дохионы талаархи холбогдох мэдээллийг цуглуулах зорилгоор дохио олж авах төхөөрөмжийг хөгжүүлэх явдал байв. Бүр тодруулбал, автомат ЭКГ. Зураг 3 -т үзүүлсэн блок диаграмм нь төхөөрөмжийн санал болгож буй схемийг онцлон харуулав. Төхөөрөмж нь биологийн дохиог электродоор дамжуулж, дараа нь 1000 -ийн оролттой өсгөгч ашиглан өсгөдөг. Биологийн дохио нь ойролцоогоор 5 мВ -аас бага байх тул тайлбарлахад хэцүү байх тул энэ өсгөлт зайлшгүй шаардлагатай болно [5]. Дараа нь дохионы хүссэн давтамжийн хязгаарыг авахын тулд 0.5-150 Гц давтамжтай давтамжийг авахын тулд тууз нэвтрүүлэх шүүлтүүр ашиглан дуу чимээг багасгаж, дараа нь 50-60 Гц орчим цахилгаан дамжуулах шугамаас үүссэн ердийн дуу чимээг арилгахын тулд ховилыг дагаж мөрдөх болно. [11]. Эцэст нь дохиог дижитал болгон хөрвүүлэх шаардлагатай бөгөөд үүнийг компьютер ашиглан тайлбарлах боломжтой бөгөөд үүнийг аналоги тоон хөрвүүлэгч ашиглан хийдэг. Гэхдээ энэ судалгаанд голчлон өсгөгч, зурвас дамжуулагч, ховилын шүүлтүүрт анхаарлаа хандуулах болно.

Өсгөгч, зурвас нэвтрүүлэх шүүлтүүр, ховилын шүүлтүүрийг LTSpice ашиглан бүтээсэн. Хэсэг бүрийг эхлээд тус тусад нь боловсруулж, зөв гүйцэтгэсэн эсэхийг шалгахын тулд туршиж, дараа нь нэг эцсийн схем болгон нэгтгэв. 4 -р зурагт үзүүлсэн өсгөгчийг багаж хэрэгслийн өсгөгч дээр үндэслэн бүтээсэн болно. Багажны өсгөгчийг ихэвчлэн ЭКГ, температур хэмжигч, тэр ч байтугай газар хөдлөлтийн детекторт ашигладаг, учир нь энэ нь хэт бага дуу чимээг эсэргүүцэхийн зэрэгцээ маш бага түвшний дохиог нэмэгдүүлдэг. Шаардлагатай ашиг олохын тулд үүнийг өөрчлөхөд маш хялбар байдаг [6]. Хэлхээний хүссэн ашиг нь 1000 бөгөөд электродын оролт нь 5 мВ [5] -аас бага гүйдлийн дохио байх тул өгөгдлийг тайлбарлахад хялбар болгохын тулд үүнийг нэмэгдүүлэх шаардлагатай тул үүнийг сонгосон болно. 1000 -ийн ашиг олохын тулд (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) тэгшитгэлийг ашигласан нь GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Олшруулалтын зөв хэмжээг баталгаажуулахын тулд LTspice ашиглан түр зуурын туршилт хийсэн.

Хоёрдахь үе шат бол туузан дамжуулагч шүүлтүүр юм. Энэхүү шүүлтүүрийг Зураг 5 -аас харж болох бөгөөд шүүлтүүрүүд бие биенээ цуцлахаас урьдчилан сэргийлэхийн тулд бага дамжуулалт, дараа нь өндөр хурдтай шүүлтүүрээс бүрдэнэ. Энэ үе шатны зорилго нь төхөөрөмжөөр дамжихад тохиромжтой давтамжийн багцыг гаргах явдал юм. Энэ төхөөрөмжийн хүссэн хүрээ нь 0.5-150 Гц байна, учир нь энэ нь ЭКГ -ийн стандарт хүрээ юм [6]. Энэхүү зорилтот хязгаарт хүрэхийн тулд туузан дамжуулалтын өндөр болон бага нэвтрүүлэх шүүлтүүрийн хоёуланг нь таслах давтамжийг тодорхойлохын тулд (2) таслах давтамж = 1/(2πRC) тэгшитгэлийг ашигласан. Хүрээний доод төгсгөл нь 0.5 Гц байх шаардлагатай тул өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүрийн резистор ба конденсаторын утгыг 0.5 Гц = 1/(2π*1000Ω*318.83µF) гэж тооцоолсон бөгөөд дээд үзүүр нь 150 Гц байх шаардлагатай. нэвтрүүлэх шүүлтүүр эсэргүүцэл ба конденсаторын утгыг 150 Гц = 1/(2π*1000Ω*1.061µF) гэж тооцоолсон. Зөв давтамжийн хязгаарт хүрсэн эсэхийг баталгаажуулахын тулд LTspice ашиглан хувьсах гүйдлийг цэвэрлэв.

Гурав дахь болон эцсийн загварчилсан үе шат нь ховилын шүүлтүүр бөгөөд Зураг 6 -аас харж болно. Ховилын шүүлтүүр нь зурвасын дамжуулалтаар үүсгэгдсэн хүссэн давтамжийн хүрээний дунд гарч буй хүсээгүй дуу чимээг арилгах хэрэгсэл болдог. Энэ тохиолдолд зорилтот давтамж нь 60 Гц байна, учир нь энэ нь АНУ дахь цахилгаан дамжуулах шугамын стандарт давтамж бөгөөд үүнийг шийдвэрлэхгүй бол хөндлөнгөөс оролцдог [7]. Энэхүү хөндлөнгийн оролцоог зохицуулахын тулд сонгосон ховилын шүүлтүүр нь хүчдэл хуваагчтай хоёр хос ампер бүхий хоёр давхар ховилын шүүлтүүр байв. Энэ нь дохиог зорилтот давтамж дээр шууд шүүж зогсохгүй хүчдэл хуваагчийн ачаар системд хувьсах эргэх холбоо, чанарын коэффициент Q, хувьсах гаралтыг нэвтрүүлэх боломжийг олгодог тул үүнийг идэвхтэй шүүлтүүрийн оронд идэвхжүүлдэг. идэвхгүй [8]. Эдгээр нэмэлт хүчин зүйлүүдийг эхний туршилтуудад хөндөөгүй байсан боловч цаашид хийх ажил, төслийг дараа нь хэрхэн сайжруулах талаар авч үзэх болно. Татгалзах давтамжийн төвийг тодорхойлохын тулд тэгшитгэл (3) төвийн татгалзах давтамж = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* √ (1/[(0.1*10^-6µF)*(0.1*10^-6µF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 Гц ашигласан. Татгалзах зөв давтамжийг баталгаажуулахын тулд LTspice ашиглан хувьсах гүйдлийг цэвэрлэв.

Эцэст нь үе шат бүрийг тус тусад нь туршиж үзсэний дараа 3 үе шатыг Зураг 7 -т үзүүлсэн шиг нэгтгэсэн бөгөөд мэдэгдэхүйц өсгөлтийг хангахын тулд бүх хүчдэлийг +15V ба -15V тогтмол гүйдлийн тэжээлээр хангаж байсныг тэмдэглэх нь зүйтэй. шаардлагатай үед тохиолдох болно. Дараа нь дууссан хэлхээнд түр зуурын туршилт болон хувьсах гүйдлийн шүүрийг хоёуланг нь гүйцэтгэсэн.

Үр дүн:

Үе шат бүрийн графикийг хавсралт дахь Зураг хэсэгт харуулсан үе шатнаас нь шууд олж болно. Эхний шатанд багажийн өсгөгч, өсгөгчийн ашиг 1000 байсан эсэхийг шалгахын тулд хэлхээнд түр зуурын туршилт хийсэн. Туршилт нь 1 - 1.25 секундээс хамгийн их хугацаа нь 0.05 байв. Нийлүүлсэн хүчдэл нь 0.005 В далайцтай, 50 Гц давтамжтай AC синус долгион байв. Төлөвлөсөн ашиг нь 1000 байсан бөгөөд 4 -р зурагт үзүүлсэн шиг Vout (ногоон муруй) нь 5V далайцтай байв. Дуурайсан ашиг нь = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000 байхаар тооцоолсон. Тиймээс энэ үе шатны алдааны хувь 0%байна. Аргын хэсэгт дурдсанчлан электродоос авсан оролттой нягт уялдаатай байх тул энэ хэсгийн оролтыг 0.005В болгон сонгосон.

Хоёрдахь үе шат, туузан дамжуулагч шүүлтүүр нь 0.5 - 150 Гц -ийн зорилтот хүрээтэй байв. Шүүлтүүрийг туршиж, хүрээ таарч байгаа эсэхийг шалгахын тулд арван жилийн хугацаанд хувьсах гүйдлийн гүйлгээг 0.01 - 1000 Гц хүртэл арван жилд 100 оноотой ажиллуулсан. 5 -р зурагт хувьсах гүйдлийн үр дүнг харуулсан бөгөөд хамгийн их хасах 3 дБ нь таслах давтамжийг өгдөг тул 0.5-150 Гц давтамжийн мужид хүрсэн болохыг баталж байна. Энэ аргыг график дээр харуулав.

Гурав дахь шат буюу ховилын шүүлтүүр нь 60 Гц орчим давтамжтай дуу чимээг арилгах зорилготой юм. Татгалзах давтамжийн тооцоолсон төв нь ~ 56 Гц байв. Үүнийг батлахын тулд арван жилийн хугацаанд хувьсах гүйдлийн гүйлгээг 10 жилд 0.01 - 1000 Гц хүртэл 100 оноотой ажиллуулж байсан. Зураг 6-д АС цэвэрлэгээний үр дүнг харуулсан бөгөөд ~ 56-59 Гц давтамжийн татгалзах төвийг харуулав. Энэ хэсгийн алдааны хувь 4.16 %байна.

Үе шат бүр ажиллаж байгааг баталгаажуулсны дараа Зураг 7 -т үзүүлсэн шиг гурван үе шатыг угсарч, дараа нь хэлхээний олшруулалтыг шалгахын тулд түр зуурын туршилтыг хийж, туршилтыг 1 - 1.25 секундын хугацаанд хамгийн ихдээ 0.05 -ийн алхамтай хийсэн. 0.005 В далайцтай, 50 Гц давтамжтай AC синус долгионы хүчдэл. Үүссэн график нь Зураг 7 -ийн эхний график бөгөөд Vout3 (улаан), бүх хэлхээний гаралт 3.865 В байх тул = 3.865V/0.005V = 773 болгож олсон байна. мөн 22.7%-ийн алдаа өгдөг. Түр зуурын туршилтын дараа, арван жилийн дараа, AC цэвэрлэгээг 0.01 - 1000 Гц хүртэл арван жилд 100 оноотой ажиллуулж, Зураг 7 -т хоёр дахь графикийг гаргажээ. 57.5-58.8 Гц-ээс татгалзах төвтэй 0.5-150 Гц давтамжийг хүлээн авдаг.

Тэгшитгэл:

(1) - багажийн өсгөгч [6], Зураг 4 -т үзүүлсэнтэй харьцуулахад резисторуудын ашиг.

(2) - бага/өндөр нэвтрүүлэх шүүлтүүрийг таслах давтамж

(3) - ихэр ховилын шүүлтүүрийн хувьд [8], Зураг 6 -д үзүүлсэнтэй харьцуулахад резистор.

Алхам 1: Багажны өсгөгч

1 -р шат: багаж хэрэгслийн өсгөгч

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

Алхам 2: Bandpass

2 -р үе шат: туузан дамжуулагч шүүлтүүр

тэгшитгэл: таслах давтамж = 1/2πRC

Алхам 3: Үе шат 3: Ховилын шүүлтүүр

3 -р шат: Twin T Notch шүүлтүүр

тэгшитгэл - төвийн татгалзах давтамж = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Алхам 4: Бүх үе шатуудын эцсийн схем

Гүйцэтгэх ба түр зуурын муруйтай эцсийн схем

Алхам 5: Төхөөрөмжийн тухай хэлэлцүүлэг

Хэлэлцүүлэг:

Дээрх туршилтуудын үр дүн нь бүхэлдээ хэлхээний хувьд хүлээгдэж байсны дагуу гарсан. Хэдийгээр олшруулалт нь төгс биш байсан бөгөөд дохио нь бага зэрэг муудсан ч хэлхээгээр дамжин өнгөрч байсан (үүнийг Зураг 7, 1 -р графикаас харж болно, эхний үе шатны дараа дохио 0.005 В -оос 5 В хүртэл нэмэгдэж, дараа нь хоёр дахь хугацааны дараа 4 В хүртэл буурсан болно. дараа нь эцсийн шат дууссаны дараа 3.865V), туузан дамжуулагч ба ховилын шүүлтүүр нь зориулалтын дагуу ажиллаж, 0.5-150 Гц давтамжийн мужийг гаргаж, 57.5-58.8 Гц орчим давтамжийг арилгасан.

Миний хэлхээний параметрүүдийг тогтоосны дараа би үүнийг бусад хоёр ЭКГ -тэй харьцуулав. Зөвхөн тоонуудтай илүү шууд харьцуулалтыг Хүснэгт 1 -ээс олж болно. Миний өгөгдлийг бусад уран зохиолын эх сурвалжтай харьцуулахдаа гурван чухал зүйлийг авч үзсэн. Эхнийх нь миний хэлхээний олшруулалт нь миний харьцуулж байсан бусад хоёроос хамаагүй доогуур байсан явдал юм. Уран зохиолын хоёр эх үүсвэрийн хэлхээ нь 1000 -аар нэмэгдсэн бөгөөд Гавалигийн ЭКГ -т [9] дохиог шүүлтүүрийн шатанд 147 дахин нэмэгдүүлсэн байна. Тиймээс, миний хэлхээний дохио 773 (стандарт олшруулалттай харьцуулахад 22.7% алдаа) -аар олширсон боловч электродоос ирсэн оролтын дохиог тайлбарлах чадвартай гэж үзсэн [6] боловч энэ нь стандарт өсгөгчтэй харьцуулахад бүдгэрсэн хэвээр байна. 1000. Хэрэв миний хэлхээнд стандарт олшруулалт хийх байсан бол багаж хэрэгслийн өсгөгчийн олшруулалтыг 1000 -аас дээш дахин нэмэгдүүлэх шаардлагатай бөгөөд ингэснээр миний хэлхээний шүүлтүүрийн үе шат бүрийг давсны дараа ашиг буурах болно. Энэ нь хамгийн багадаа 1000 -ийн ашиг олсон хэвээр байгаа эсвэл өндөр хүчдэлийн уналтаас урьдчилан сэргийлэхийн тулд шүүлтүүрийг тохируулах шаардлагатай байна.

Хоёрдахь чухал алхам бол бүх гурван хэлхээ нь ижил төстэй давтамжийн хүрээтэй байсан явдал юм. Гавалигийн [9] яг 0.5-150 Гц давтамжтай байсан бол Гоа [10] 0.05-159 Гц-ийн арай өргөн хүрээтэй байв. Гоагийн тойрог нь бага зэрэг зөрүүтэй байсан тул энэ хүрээ нь тэдний тохиргоонд ашиглаж байсан өгөгдөл цуглуулах картанд илүү тохиромжтой байв.

Хамгийн сүүлд авсан гол зүйл бол хэлхээ тус бүрийн ховилын шүүлтүүрээс татгалзах давтамжийн төвийн ялгаа байв. Гао болон миний хэлхээ хоёулаа 60 Гц -ийн зорилтот шугамын давтамжтай дуу чимээг таслахын тулд цахилгаан дамжуулах шугам үүсгэсэн бол Гавалигийн давтамжийг 50 Гц болгож тохируулсан байв. Гэсэн хэдий ч энэ ялгаа нь маш сайн, учир нь дэлхийн байршлаас хамааран цахилгаан дамжуулах шугамын давтамж 50 эсвэл 60 Гц байж болно. Тиймээс АНУ -д цахилгаан дамжуулах шугамын хөндлөнгийн оролцоо 60 Гц байдаг тул Гоагийн хэлхээтэй шууд харьцуулсан болно [11]. Алдааны хувь 3.08%байна.