EKG -kredsløb (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Bemærk: Dette er IKKE et medicinsk udstyr. Dette er kun til uddannelsesmæssige formål ved hjælp af simulerede signaler. Hvis du bruger dette kredsløb til rigtige EKG-målinger, skal du sikre dig, at kredsløbet og kredsløbet til instrumentforbindelserne anvender korrekte isolationsteknikker

Denne instruerbare er en guidet måde at simulere, bygge og teste et kredsløb, der optager, filtrerer og forstærker EKG -signaler. Du har brug for grundlæggende viden om kredsløb og få instrumenter for at implementere hele dette instruerbare.

Elektrokardiografi (EKG eller EKG) er en smertefri, ikke-invasiv test, der registrerer hjertets elektriske aktivitet og bruges til at få indsigt i patientens hjertes tilstand. For at kunne simulere en EKG -måling skal input -hjertesignaler forstærkes (instrumenteringsforstærker) og filtreres (hak- og lavpasfiltre). Disse komponenter blev skabt fysisk og på en kredsløbssimulator. For at sikre, at hver komponent forstærker eller filtrerer signalet korrekt, kan der udføres et AC -sweep ved hjælp af PSpice og eksperimentelt. Efter succesfuld testning af hver komponent individuelt kan et hjertesignal indføres gennem et færdigt kredsløb bestående af instrumenteringsforstærker, hakfilter og lavpasfilter. Derefter kan et humant EKG -signal mates ind via EKG og LabVIEW. Både den simulerede bølgeform og det menneskelige hjertesignal kan køres gennem LabVIEW for at tælle slag pr. Minut (BPM) af indgangssignalet. Samlet set bør et input -hjertesignal og et menneskeligt signal være i stand til med succes at blive forstærket og filtreret, simulere et EKG ved hjælp af kredsløbsevner til at designe, ændre og teste en instrumenteringsforstærker, hakfilter og lavpasfilterkredsløb.

Trin 1: Simuler kredsløb på computeren

Du kan bruge den software, du har til rådighed, til at simulere det kredsløb, vi skal oprette. Jeg brugte PSpice, så det er det, jeg vil forklare detaljerne for, men komponentværdierne (modstande, kondensatorer osv.) Og de vigtigste take -away er alle de samme, så brug gerne noget andet (såsom circuitlab.com).

Beregn komponentværdier:

1. Først er det at bestemme værdier for instrumenteringsforstærkeren (se billede). Værdierne på billedet blev bestemt ved at have en ønsket forstærkning på 1000. Hvilket betyder, at uanset hvilken indgangsspænding du leverer, vil denne del af kredsløbet 'forstærke' dette med forstærkningsværdien. For eksempel, hvis du giver 1V som jeg gjorde, skulle output være 1000V. Der er to dele til denne instrumenteringsforstærker, så forstærkningen er delt blandt dem, der er angivet som K1 og K2. Se det medfølgende billede, vi vil have gevinsterne til at være tæt på (derfor er ligning 2 på billede), ligninger 2 og 3 på billedet findes med nodalanalyse, og derefter kan modstandsværdierne beregnes (se billede).
2. Modstandsværdierne for hakfilteret blev bestemt ved at indstille kvalitetsfaktoren, Q, til 8, og på grund af det faktum, at vi vidste, at vi havde masser af 0,022uF kondensatorer til rådighed, gik vi derefter fremad i beregninger ved hjælp af disse to betingelser. Se billedet med ligninger 5 - 10 for at beregne værdierne. Eller brug R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3 = 750.643Ω, hvilket er, hvad vi gjorde!
3. Lavpasfilteret er at fjerne støj over en bestemt frekvens, som vi fandt online, at for EKG er det godt at bruge en afbrydelsesfrekvens fo på 250 Hz. Ud fra denne frekvens og ligninger 11-15 (tjek billedet) beregne modstandsværdier for dit lavpasfilter. Behandl R3 som et åbent kredsløb og R4 som en kortslutning for at få en forstærkning på K = 1. Vi beregnede R1 = 15, 300 ohm, R2 = 25, 600 ohm, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Åbn og byg på PSpice:

Med alle disse værdier, Start PSpice - Åbn 'OrCAD Capture CIS', hvis en pop op til Cadence Project Choices åbnes, vælg 'Allegro PCB Design CIS L', åbn fil -> nyt projekt, skriv et klogt navn til det, vælg opret projekt ved hjælp af analog eller blandet A/D, vælg 'opret et tomt projekt', se billede for filorganisationen af dit projekt, inden for hver side er det, hvor du vil kompilere komponenterne (modstande, kondensatorer osv.) for at bygge den del af dit kredsløb, du ønsker. På hver side klikker du på del i værktøjslinjen øverst og klikker på del for at åbne en liste over dele, hvor du søger efter modstande, kondensatorer, operationsforstærkere og strømkilder. I rullemenuen Place finder du også jord og ledninger, som du skal bruge. Design nu hver af dine sider som vist på de medfølgende billeder ved hjælp af de værdier, du har beregnet.

Kør AC Sweeps for at sikre, at filtrering og forstærkning rent faktisk sker, som du forventer

Jeg tilføjede to figurer til simulering af disse. Bemærk hakket ved 60 Hz og filtrering af de høje frekvenser. Bemærk linjefarverne og mærkede sporudtryk, jeg kørte også hele kredsløbet sammen, så du skulle få en idé om, hvad du skal forvente!

Vælg sweepice for sweeps, klik på PSpice, New Simulation Profile, skift til AC Sweep og indstil de ønskede frekvenser til start, stop og stigningsværdien. Under PSpice -menuen valgte jeg også markører, avancerede og valgte spænding dB og satte markøren på, hvor jeg ville måle output, dette hjælper senere, så du ikke behøver manuelt at tilføje et sporalter. Pak derefter til PSpice -menuknappen igen, og vælg Kør, eller tryk bare på F11. Når simulatoren åbnes, hvis det er nødvendigt: klik på spor, tilføj spor, og vælg derefter det relevante sporudtryk, f.eks. V (U6: OUT), hvis du vil måle spændingsudgangen ved pin OUT på opamp U6.

Instrumenteringsforstærker: Brug uA741 til alle tre forstærkere, og vær opmærksom på, at forstærkerne på billederne refereres til i henhold til deres respektive etiket (U4, U5, U6). Kør din AC -sweep på PSpice for at beregne kredsløbets frekvensrespons med den ene spændingsindgang, så spændingsudgangen skal være lig forstærkningen (1000) i dette tilfælde.

Hakfilter: Brug en vekselstrømskilde med én spænding som vist på billedet og operationsforstærkeren uA741, og sørg for at forsyne alle op -forstærkere, du bruger (drevet med 15V DC). Kør AC -sweep, jeg anbefaler trin på 30 til 100 Hz med 10 Hz for at sikre hakket ved 60 Hz, der ville filtrere elektriske signaler ud.

Lavpasfilter: Brug uA741 operationsforstærkeren (se figuren som vores var mærket U1), og tilfør kredsløbet en en volt vekselstrøm. Strøm op forstærkere med en DC 15 volt og mål output for AC fejning ved pin 6 på U1, der forbinder med ledningen set på billedet. AC-sweep bruges til at beregne kredsløbets frekvensrespons, og med den ene spændingsindgang, du indstiller, skal spændingsudgangen være lig med gain-1.

Trin 2: Byg det fysiske kredsløb på et brødbræt

Dette kan være udfordrende, men jeg har fuld tiltro til dig! Brug de værdier og skemaer, du har oprettet og testet (du forhåbentlig ved, at de fungerer takket være kredsløbssimulatoren) til at bygge dette på et brødbræt. Sørg for kun at anvende strøm (1 Vp-p af en funktionsgenerator) til begyndelsen ikke på hvert trin, hvis hele kredsløbet testes, for at teste hele kredsløbet tilslut hver del (instrumentforstærker til hakfilter til lavpas), sørg for at forsyner V+ og V- (15V) til hver op-forstærker, og du kan teste individuelle trin ved at måle output ved forskellige frekvenser med oscilloskopet for at sikre, at ting som filtrering fungerer. Du kan bruge den indbyggede hjertebølgeform på funktionsgeneratoren, når du tester hele kredsløbet sammen, og du vil derefter se QRS-kurven som forventet. Med lidt frustration og vedholdenhed skulle du være i stand til fysisk at bygge dette!

Vi tilføjede også en båndkondensator på 0.1uF parallelt med op -amp -effekterne, der ikke er afbildet i PSpice.

Her er nogle tips, når du bygger de enkelte komponenter:

For instrumenteringsforstærkeren, hvis du har svært ved at lokalisere fejlkilden, skal du kontrollere hvert enkelt output på de tre op-forstærkere. Sørg desuden for, at du leverer strømkilden og input korrekt. Strømkilden skal tilsluttes pin 4 og 7, og spændingsindgang og -udgang til pins 3 i den første fase op-ampere.

For hakfilteret skulle der foretages nogle justeringer af modstandsværdier for at få filteret til at filtrere ud med en frekvens på 60 Hz. Hvis filtreringen sker højere end 60 Hz, vil en forøgelse af en af modstandene (vi justerede 2) hjælpe med at bringe filterfrekvensen ned (modsat stigning).

For lavpasfilteret reducerer fejlen betydeligt ved at sikre simple modstandsværdier (modstande du allerede har)!

Trin 3: LabVIEW for at plotte EKG -kurveform og beregne puls (slag pr. Minut)

På LabVIEW opretter du et blokdiagram og en brugergrænseflade, som er den del, der viser EKG -kurven på en graf som en funktion af tiden og viser et digitalt pulsnummer. Jeg vedhæftede et billede af, hvad der skal bygges på labVIEW, du kan bruge søgelinjen til at finde de nødvendige komponenter. Vær tålmodig med dette, og du kan også bruge hjælpen til at læse om hvert stykke.

Sørg for at bruge den fysiske DAQ til at slutte dit kredsløb til computeren. På DAQ -assistenten kan du ændre din prøveudtagning til kontinuerlig og 4k.

Her er nogle råd til opbygning af diagrammet:

• DAQ Assistant -forbindelsen kommer ud af "data" og "stop".
• DAQ Assistant til "bølgeform ind" på min. Max.
• Højreklik, opret og vælg konstant for det tal, der ses på billedet.
• Højreklik, vælg element, dt, dette er for at ændre t0 til dt
• Peak -detektering har forbindelser ved "signal in", "tærskel" og "bredde"
• Opret forbindelse til "array" og konstanterne til "indeks"
• Sørg for, at fysisk DAQ -kortstift (dvs. analog 8) er den pin, du vælger i DAQ -assistenten (se billede)

Den medfølgende video 'IMG_9875.mov' er af en computer, der viser VI -brugergrænsefladen i LabVIEW, der viser den ændrede EKG -kurve og slag i minuttet baseret på input (lyt, da det er meddelt, hvad frekvensen ændres til).

Test dit design ved at sende en 1Hz frekvensindgang, og den har en ren bølgeform (se billedet for at sammenligne med), men du skal kunne læse 60 slag i minuttet!

Det, du har lavet, kan også bruges til at læse et menneskeligt EKG -signal bare for sjov, da dette IKKE er et medicinsk udstyr. Du skal dog stadig være forsigtig med den strøm, der følger med designet. Vedhæftede overfladeelektroder: positive til venstre ankel, negativ til højre håndled og fastgør jorden til højre ankel. Kør din labVIEW, og du skal se bølgeformen vises på grafen, og slagene i minuttet dukker også op i den digitale displayboks.