instructables Entwerfen Sie ein funktionelles EKG mit automatischer Darstellung des Biosignals
Entwerfen Sie ein funktionelles EKG mit automatischer Darstellung des Biosignals
Dieses Projekt kombiniert alles, was wir in diesem Semester gelernt haben, und wendet es auf eine einzige Aufgabe an. Unsere Aufgabe ist es, eine Schaltung zu erstellen, die mithilfe einer Instrumentierung als Elektrokardiogramm (EKG) verwendet werden kann. ampVerstärker, Tiefpassfilter und Kerbfilter. Ein EKG verwendet Elektroden, die an einer Person angebracht werden, um die Herzaktivität zu messen und anzuzeigen. Die Berechnungen wurden auf der Grundlage des durchschnittlichen Erwachsenenherzens durchgeführt, und die ursprünglichen Schaltpläne wurden in LTSpice erstellt, um Verstärkung und Grenzfrequenzen zu überprüfen. Die Ziele dieses Designprojekts sind wie folgt:
- Wenden Sie die im Labor dieses Semesters erworbenen Instrumentierungskenntnisse an
- Entwerfen, Erstellen und Überprüfen der Funktionalität eines Signalerfassungsgeräts
- Validieren Sie das Gerät an einem menschlichen Probanden
Lieferungen:
- LTSpice-Simulator (oder ähnliche Software) Steckbrett
- Verschiedene Widerstände
- Verschiedene Kondensatoren
- Opamps
- Elektrodendrähte
- Eingangsvolumentage Quelle
- Gerät zur Messung der Ausgangslautstärketage (dh Oszilloskop)
Schritt 1: Führen Sie die Berechnungen für jede Schaltungskomponente durch
Die obigen Bilder zeigen die Berechnungen für jeden Schaltkreis. Im Folgenden werden die Komponenten und die durchgeführten Berechnungen näher erläutert.
Instrumentierung Ampschwerer
Eine Instrumentierung amplifier oder IA sorgt für eine hohe Verstärkung von Signalen mit niedrigem Pegel. Es trägt dazu bei, die Signalgröße zu erhöhen, sodass es besser sichtbar ist und die Wellenform analysiert werden kann.
Für die Berechnungen haben wir zwei zufällige Widerstandswerte für R1 und R2 gewählt, nämlich 5 kΩ bzw. 10 kΩ. Außerdem wollen wir eine Verstärkung von 1000, damit das Signal leichter zu analysieren ist. Das Verhältnis für R3 und R4 wird dann mit der folgenden Gleichung gelöst:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/R3 = 200
Anhand dieses Verhältnisses haben wir dann den Wert jedes Widerstands bestimmt. Die Werte lauten wie folgt:
R3 = 1 kΩ
Notch-Filter
Ein Sperrfilter dämpft Signale innerhalb eines schmalen Frequenzbands oder entfernt eine einzelne Frequenz. Die Frequenz, die wir in diesem Fall entfernen möchten, ist 60 Hz, da der Großteil des von elektronischen Geräten erzeugten Rauschens bei dieser Frequenz liegt. Ein Q-Faktor ist das Verhältnis der Mittenfrequenz zur Bandbreite und hilft auch, die Form des Magnitudendiagramms zu beschreiben. Ein größerer Q-Faktor führt zu einem schmaleren Sperrband. Für die Berechnungen verwenden wir einen Q-Wert von 8.
Wir haben uns entschieden, die vorhandenen Kondensatorwerte zu übernehmen. Also C1 = C2 = 0.1 uF und C2 = 0.2 uF.
Zur Berechnung von R1, R2 und R3 verwenden wir die folgenden Gleichungen:
R1 = 1 / (4*Pi*Q*f*C1) = 1 / (4*Pi*8*60*0.1E-6) = 1.6 kΩ
R2 = (2*Q) / (2*Pi*f*C1) = (2*8) / (2*Pi*60*0.1E-6) = 424 kΩ
R3 = (R1*R2) / (R1 + R2) = (1.6*424) / (1.6 + 424) = 1.6 kΩ
Tiefpassfilter
Ein Tiefpassfilter dämpft hohe Frequenzen und lässt niedrigere Frequenzen passieren. Die Grenzfrequenz beträgt 150 Hz, da dies der korrekte EKG-Wert für Erwachsene ist. Außerdem beträgt die Verstärkung (K-Wert) 1 und die Konstanten a und b sind 1.414214 bzw. 1.
Wir haben C1 mit 68 nF gewählt, da wir diesen Kondensator hatten. Um C2 zu finden, haben wir die folgende Gleichung verwendet:
C2 >= (C2*4*b) / [a^2 + 4*b(K-1)] = (68E-9*4*1) / [1.414214^2 + 4*1(1-1)] –> C2 >= 1.36E-7
Daher haben wir C2 mit 0.15 uF gewählt.
Um die beiden Widerstandswerte zu berechnen, mussten wir die folgenden Gleichungen verwenden:
R1 = 2 / (2*Pi*f*[a*C2 + sqrt([a^2 + 4*b(K-1)]*C2^2 – 4*b*C1*C2)] = 7.7 kΩ
R2 = 1 / (b*C1*C2*R1*(2*pi*f)^2) = 14.4 kΩ
Schritt 2: Erstellen von Schaltplänen auf LTSpice
Alle drei Komponenten wurden einzeln erstellt und auf LTSpice mit einer AC-Sweep-Analyse ausgeführt. Die verwendeten Werte sind die, die wir in Schritt 1 berechnet haben.
Schritt 3: Erstellen Sie die Instrumentierung AmpLebendiger
Wir bauten die Instrumentierung amplifier auf dem Steckbrett, indem Sie dem Schema auf LTSpice folgen. Sobald es gebaut ist, werden die Eingangs- (gelb) und Ausgangs- (grün)tagEs wurden Werte angezeigt. Die grüne Linie weist im Vergleich zur gelben Linie nur einen Gewinn von 743.5X auf.
Schritt 4: Erstellen Sie den Notch-Filter
Als nächstes bauten wir den Notch-Filter auf dem Steckbrett basierend auf dem Schaltplan, der auf LTSpice erstellt wurde. Er wurde neben der IA-Schaltung gebaut. Wir zeichneten dann die Eingangs- und Ausgangslautstärke auf.tage-Werte bei verschiedenen Frequenzen, um die Größe zu bestimmen. Dann haben wir die Größe im Vergleich zur Frequenz grafisch dargestellt, um sie mit der LTSpice-Simulation zu vergleichen. Das Einzige, was wir geändert haben, waren die Werte von C3 und R2, die 0.22 uF bzw. 430 kΩ betragen. Auch hier beträgt die entfernte Frequenz 60 Hz.
Schritt 5: Erstellen Sie den Tiefpassfilter
Anschließend haben wir den Tiefpassfilter auf dem Steckbrett nach dem Schema von LTSpice neben dem Notchfilter gebaut. Anschließend haben wir die Eingangs- und Ausgangslautstärke aufgezeichnet.tages bei verschiedenen Frequenzen, um die Größe zu bestimmen. Dann haben wir die Größe und Frequenz aufgezeichnet, um sie mit der LTSpice-Simulation zu vergleichen. Der einzige Wert, den wir für diesen Filter geändert haben, war C2, also 0.15 uF. Die Grenzfrequenz, die wir überprüft haben, beträgt 150 Hz.
Schritt 6: Test an einem menschlichen Probanden
Verbinden Sie zunächst die drei einzelnen Komponenten des Schaltkreises miteinander. Testen Sie ihn dann mit einem simulierten Herzschlag, um sicherzustellen, dass alles funktioniert. Platzieren Sie dann die Elektroden so an der Person, dass sich der Pluspol am rechten Handgelenk, der Minuspol am linken Knöchel und die Erdung am rechten Knöchel befindet. Sobald die Person bereit ist, schließen Sie eine 9-V-Batterie an, um den Operationssaal mit Strom zu versorgen.amps und zeigen Sie das Ausgangssignal an. Beachten Sie, dass die Person etwa 10 Sekunden lang ganz still bleiben muss, um einen genauen Messwert zu erhalten.
Herzlichen Glückwunsch, Sie haben erfolgreich ein automatisiertes EKG erstellt!
Dokumente / Ressourcen
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