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Concevoir un ECG fonctionnel avec tracé automatisé du biosignal
Ce projet combine tout ce qui a été appris ce semestre et l'applique à une seule tâche. Notre tâche est de créer un circuit pouvant être utilisé comme électrocardiogramme (ECG) en utilisant une instrumentation amplificateur, filtre passe-bas et fi ltre coupe-bande. Un ECG utilise des électrodes placées sur un individu pour mesurer et afficher l'activité cardiaque. Les calculs ont été effectués sur la base du cœur adulte moyen et les schémas de circuit originaux ont été créés sur LTSpice pour vérifier les fréquences de gain et de coupure. Les objectifs de ce projet de conception sont les suivants :
- Appliquer les compétences en instrumentation acquises en laboratoire ce semestre
- Concevoir, construire et vérifier la fonctionnalité d'un dispositif d'acquisition de signaux
- Valider l'appareil sur un sujet humain
Fournitures:
- Simulateur LTSpice (ou logiciel similaire) Breadboard
- Diverses résistances
- Divers condensateurs
- Opamps
- Fils d'électrode
- Vol d'entréetagla source
- Appareil pour mesurer le volume de sortietage (c'est-à-dire oscilloscope)
Étape 1 : Effectuez les calculs pour chaque composant du circuit
Les images ci-dessus montrent les calculs pour chaque circuit. Ci-dessous, il explique plus sur les composants et les calculs effectués.
Instrumentation Amplifier
Une instrumentation amplifier, ou IA, aide à fournir une grande quantité de gain pour les signaux de bas niveau. Cela aide à augmenter la taille du signal afin qu'il soit plus visible et que la forme d'onde puisse être analysée.
Pour les calculs, nous avons choisi deux valeurs de résistance aléatoires pour R1 et R2, qui sont respectivement de 5 kΩ et 10 kΩ. Nous voulons également que le gain soit de 1000 afin que le signal soit plus facile à analyser. Les rapports pour R3 et R4 sont ensuite résolus par l'équation suivante :
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Nous avons ensuite utilisé ce rapport pour décider de la valeur de chaque résistance. Les valeurs sont les suivantes :
R3 = 1 kΩ
Filtre coupe-bande
Un filtre coupe-bande atténue les signaux dans une bande étroite de fréquences ou supprime une seule fréquence. La fréquence que nous voulons supprimer dans ce cas est de 60 Hz car la plupart des bruits produits par les appareils électroniques sont à cette fréquence. Le facteur AQ est le rapport de la fréquence centrale à la bande passante, et il aide également à décrire la forme du tracé de la magnitude. Un facteur Q plus grand entraîne une bande d'arrêt plus étroite. Pour les calculs, nous utiliserons une valeur Q de 8.
Nous avons décidé de choisir les valeurs de condensateur que nous avions. Ainsi, C1 = C2 = 0.1 uF et C2 = 0.2 uF.
Les équations que nous utiliserons pour calculer R1, R2 et R3 sont les suivantes :
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
Filtre passe bas
Un filtre passe-bas atténue les hautes fréquences tout en laissant passer les basses fréquences. La fréquence de coupure aura une valeur de 150 Hz car il s'agit de la valeur ECG correcte pour les adultes. De plus, le gain (valeur K) sera de 1 et les constantes a et b sont respectivement de 1.414214 et 1.
Nous avons choisi C1 pour qu'il soit égal à 68 nF car nous avions ce condensateur. Pour trouver C2, nous avons utilisé l'équation suivante :
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
Par conséquent, nous avons choisi C2 égal à 0.15 uF
Pour calculer les deux valeurs de résistance, nous avons dû utiliser les équations suivantes :
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
Étape 2 : Créer des schémas sur LTSpice
Les trois composants ont été créés et exécutés individuellement sur LTSpice avec une analyse par balayage AC. Les valeurs utilisées sont celles que nous avons calculées à l'étape 1.
Étape 3 : Construire l'instrumentation Amplifier
Nous avons construit l'instrumentation amplifier sur la planche à pain en suivant le schéma sur LTSpice. Une fois qu'il a été construit, le vol d'entrée (jaune) et de sortie (vert)tages ont été affichés. La ligne verte n'a qu'un gain de 743.5X par rapport à la ligne jaune.
Étape 4 : Construire le filtre coupe-bande
Ensuite, nous avons construit le filtre coupe-bande sur la planche à pain en nous basant sur le schéma réalisé sur LTSpice. Il a été construit à côté du circuit IA. Nous avons ensuite enregistré les volumes d'entrée et de sortietage valeurs à différentes fréquences pour déterminer l'amplitude. Ensuite, nous avons représenté graphiquement la magnitude en fonction de la fréquence sur le graphique pour la comparer à la simulation LTSpice. La seule chose que nous avons changée était les valeurs de C3 et R2 qui sont respectivement de 0.22 uF et 430 kΩ. Encore une fois, la fréquence qu'il supprime est de 60 Hz.
Étape 5 : Construire le filtre passe-bas
Nous avons ensuite construit le filtre passe-bas sur la planche à pain en nous basant sur le schéma de LTSpice à côté du filtre coupe-bande. Nous avons ensuite enregistré le vol d'entrée et de sortietages à différentes fréquences pour déterminer l'ampleur. Ensuite, nous avons tracé la magnitude et la fréquence pour la comparer à la simulation LTSpice. La seule valeur que nous avons changée pour ce filtre était C2 qui est de 0.15 uF. La fréquence de coupure que nous vérifions est de 150 Hz.
Étape 6 : Test sur un sujet humain
Tout d'abord, connectez les trois composants individuels du circuit ensemble. Ensuite, testez-le avec un rythme cardiaque simulé pour vous assurer que tout fonctionne. Ensuite, placez les électrodes sur l'individu de manière à ce que le positif soit sur le poignet droit, le négatif sur la cheville gauche et le sol sur la cheville droite. Une fois que l'individu est prêt, connectez une pile 9V pour alimenter l'opamps et afficher le signal de sortie. Notez que l'individu doit rester immobile pendant environ 10 secondes pour obtenir une lecture précise.
Félicitations, vous avez créé avec succès un ECG automatisé !
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