instructables Σχεδιάστε ένα Λειτουργικό ΗΚΓ με αυτοματοποιημένη απεικόνιση του βιοσηήματος
Σχεδιάστε ένα λειτουργικό ΗΚΓ με αυτοματοποιημένη απεικόνιση του βιοσηήματος
Αυτό το έργο συνδυάζει όλα όσα μάθαμε αυτό το εξάμηνο και τα εφαρμόζει σε μία μόνο εργασία. Το καθήκον μας είναι να δημιουργήσουμε ένα κύκλωμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) χρησιμοποιώντας όργανα ampσωστήρας, φίλτρο χαμηλής διέλευσης και φίλτρο εγκοπής. Ένα ΗΚΓ χρησιμοποιεί ηλεκτρόδια που τοποθετούνται σε ένα άτομο για να μετρήσει και να εμφανίσει την καρδιακή δραστηριότητα. Οι υπολογισμοί έγιναν με βάση τη μέση καρδιά του ενήλικα και τα αρχικά σχηματικά κυκλώματα δημιουργήθηκαν στο LTSpice για την επαλήθευση των συχνοτήτων απολαβής και αποκοπής. Οι στόχοι αυτού του σχεδιαστικού έργου είναι οι εξής:
- Εφαρμόστε τις δεξιότητες οργάνων που αποκτήθηκαν στο εργαστήριο αυτό το εξάμηνο
- Σχεδιάστε, κατασκευάστε και επαληθεύστε τη λειτουργικότητα μιας συσκευής λήψης σήματος
- Επικυρώστε τη συσκευή σε ανθρώπινο θέμα
Προμήθειες:
- Προσομοιωτής LTSpice (ή παρόμοιο λογισμικό) Breadboard
- Διάφορες αντιστάσεις
- Διάφοροι πυκνωτές
- Opamps
- Καλώδια ηλεκτροδίων
- Εισαγωγή τόμοςtage πηγή
- Συσκευή μέτρησης όγκου εξόδουtage (π.χ. παλμογράφος)
Βήμα 1: Κάντε τους υπολογισμούς για κάθε στοιχείο κυκλώματος
Οι παραπάνω εικόνες δείχνουν τους υπολογισμούς για κάθε κύκλωμα. Παρακάτω, εξηγεί περισσότερα σχετικά με τα στοιχεία και τους υπολογισμούς που έγιναν.
Ενοργάνιση Ampπιο ζωντανή
Ένα όργανο ampLifier, ή IA, βοηθά στην παροχή μεγάλου όγκου κέρδους για σήματα χαμηλού επιπέδου. Βοηθά στην αύξηση του μεγέθους του σήματος, ώστε να είναι πιο ορατό και να μπορεί να αναλυθεί η κυματομορφή.
Για τους υπολογισμούς, επιλέξαμε δύο τυχαίες τιμές αντίστασης για τα R1 και R2, που είναι 5 kΩ και 10 kΩ, αντίστοιχα. Θέλουμε επίσης το κέρδος να είναι 1000, ώστε το σήμα να είναι πιο εύκολο να αναλυθεί. Στη συνέχεια, η αναλογία για τα R3 και R4 λύνεται με την ακόλουθη εξίσωση:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε αυτή την αναλογία για να αποφασίσουμε ποια θα είναι η τιμή κάθε αντίστασης. Οι τιμές είναι οι εξής:
R3 = 1 kΩ
Φίλτρο εγκοπής
Ένα φίλτρο εγκοπής εξασθενεί τα σήματα μέσα σε μια στενή ζώνη συχνοτήτων ή αφαιρεί μια μεμονωμένη συχνότητα. Η συχνότητα που θέλουμε να αφαιρέσουμε σε αυτή την περίπτωση είναι 60 Hz γιατί ο περισσότερος θόρυβος που παράγεται από ηλεκτρονικές συσκευές είναι σε αυτή τη συχνότητα. Ο παράγοντας AQ είναι ο λόγος της κεντρικής συχνότητας προς το εύρος ζώνης και βοηθά επίσης στην περιγραφή του σχήματος της γραφικής παράστασης μεγέθους. Ένας μεγαλύτερος παράγοντας Q έχει ως αποτέλεσμα μια στενότερη ζώνη διακοπής. Για τους υπολογισμούς, θα χρησιμοποιήσουμε μια τιμή Q 8.
Αποφασίσαμε να επιλέξουμε τις τιμές πυκνωτών που είχαμε. Άρα, C1 = C2 = 0.1 uF και C2 = 0.2 uF.
Οι εξισώσεις που θα χρησιμοποιήσουμε για να υπολογίσουμε τα R1, R2 και R3 είναι οι εξής:
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
Φίλτρο χαμηλής διέλευσης
Ένα χαμηλοπερατό φίλτρο εξασθενεί τις υψηλές συχνότητες ενώ επιτρέπει τη διέλευση χαμηλότερων συχνοτήτων. Η συχνότητα αποκοπής θα έχει τιμή 150 Hz επειδή αυτή είναι η σωστή τιμή ΗΚΓ για ενήλικες. Επίσης, το κέρδος (τιμή K) θα είναι 1, και οι σταθερές a και b είναι 1.414214 και 1, αντίστοιχα.
Επιλέξαμε το C1 να ισούται με 68 nF επειδή είχαμε αυτόν τον πυκνωτή. Για το C2 χρησιμοποιήσαμε την ακόλουθη εξίσωση:
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
Επομένως, επιλέξαμε το C2 να ισούται με 0.15 uF
Για να υπολογίσουμε τις δύο τιμές των αντιστάσεων, έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε τις ακόλουθες εξισώσεις:
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
Βήμα 2: Δημιουργήστε Σχήματα στο LTSpice
Και τα τρία στοιχεία δημιουργήθηκαν και εκτελέστηκαν μεμονωμένα στο LTSpice με ανάλυση σάρωση AC. Οι τιμές που χρησιμοποιήθηκαν είναι αυτές που υπολογίσαμε στο βήμα 1.
Βήμα 3: Κατασκευάστε τα όργανα Ampελευθερώσω
Κατασκευάσαμε τα όργανα amplifier στο breadboard ακολουθώντας το σχηματικό στο LTSpice. Μόλις κατασκευάστηκε, η είσοδος (κίτρινη) και η έξοδος (πράσινη) voltagεμφανίστηκαν. Η πράσινη γραμμή έχει μόνο κέρδος 743.5Χ σε σύγκριση με την κίτρινη γραμμή.
Βήμα 4: Δημιουργήστε το φίλτρο Notch
Στη συνέχεια, κατασκευάσαμε το φίλτρο εγκοπής στο breadboard με βάση το σχηματικό που έγινε στο LTSpice. Κατασκευάστηκε δίπλα στο κύκλωμα IA. Στη συνέχεια καταγράψαμε τον όγκο εισόδου και εξόδουtagτιμές e σε διάφορες συχνότητες για τον προσδιορισμό του μεγέθους. Στη συνέχεια, γράψαμε γραφικά το μέγεθος έναντι της συχνότητας στην γραφική παράσταση για να το συγκρίνουμε με την προσομοίωση LTSpice. Το μόνο που αλλάξαμε ήταν οι τιμές των C3 και R2 που είναι 0.22 uF και 430 kΩ, αντίστοιχα. Και πάλι, η συχνότητα που αφαιρεί είναι 60 Hz.
Βήμα 5: Δημιουργήστε το φίλτρο Lowpass
Στη συνέχεια κατασκευάσαμε το χαμηλοπερατό φίλτρο στο breadboard με βάση το σχηματικό στο LTSpice δίπλα στο φίλτρο εγκοπής. Στη συνέχεια καταγράψαμε τον τόμο εισόδου και εξόδουtagείναι σε διάφορες συχνότητες για τον προσδιορισμό του μεγέθους. Στη συνέχεια, σχεδιάσαμε το μέγεθος και τη συχνότητα για να το συγκρίνουμε με την προσομοίωση LTSpice. Η μόνη τιμή που αλλάξαμε για αυτό το φίλτρο ήταν το C2 που είναι 0.15 uF. Η συχνότητα αποκοπής που επαληθεύαμε είναι 150 Hz.
Βήμα 6: Δοκιμή σε ανθρώπινο θέμα
Αρχικά, συνδέστε τα τρία μεμονωμένα εξαρτήματα του κυκλώματος μαζί. Στη συνέχεια, δοκιμάστε το με έναν προσομοιωμένο καρδιακό παλμό για να βεβαιωθείτε ότι όλα λειτουργούν. Στη συνέχεια, τοποθετήστε τα ηλεκτρόδια στο άτομο έτσι ώστε το θετικό να βρίσκεται στον δεξιό καρπό, το αρνητικό στον αριστερό αστράγαλο και το έδαφος στον δεξιό αστράγαλο. Μόλις το άτομο είναι έτοιμο, συνδέστε μια μπαταρία 9V για να τροφοδοτήσετε το opamps και εμφανίστε το σήμα εξόδου. Σημειώστε ότι το άτομο θα πρέπει να παραμείνει πολύ ακίνητο για περίπου 10 δευτερόλεπτα για να λάβει μια ακριβή ένδειξη.
Συγχαρητήρια, δημιουργήσατε με επιτυχία ένα αυτοματοποιημένο ΗΚΓ!
Έγγραφα / Πόροι
 |
instructables Σχεδιάστε ένα Λειτουργικό ΗΚΓ με αυτοματοποιημένη απεικόνιση του βιοσηήματος [pdf] Οδηγίες Σχεδιάστε ένα λειτουργικό ΗΚΓ με αυτοματοποιημένη γραφική παράσταση του βιοσηήματος, Σχεδιάστε ένα λειτουργικό ΗΚΓ, Λειτουργικό ΗΚΓ, Σχεδίαση του βιοσηήματος |
