คำแนะนำ ออกแบบ ECG แบบใช้งานได้พร้อมการพล็อต Biosignal อัตโนมัติ
ออกแบบคลื่นไฟฟ้าหัวใจเชิงฟังก์ชันพร้อมการพล็อตสัญญาณชีวภาพอัตโนมัติ
โปรเจ็กต์นี้รวมทุกสิ่งที่เรียนรู้ในภาคการศึกษานี้และนำไปใช้กับงานเดียว หน้าที่ของเราคือสร้างวงจรที่สามารถใช้เป็นคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (ECG) ได้โดยใช้เครื่องมือวัด ampตัวขยายสัญญาณ, ตัวกรองความถี่ต่ำ และตัวกรองรอยบาก คลื่นไฟฟ้าหัวใจใช้อิเล็กโทรดที่วางอยู่บนบุคคลเพื่อวัดและแสดงการทำงานของหัวใจ การคำนวณอิงตามค่าเฉลี่ยของหัวใจผู้ใหญ่ และแผนผังวงจรดั้งเดิมถูกสร้างขึ้นบน LTSpice เพื่อตรวจสอบความถี่เกนและคัทออฟ วัตถุประสงค์ของโครงการออกแบบนี้มีดังนี้:
- ใช้ทักษะการใช้เครื่องมือที่เรียนรู้ในห้องทดลองในภาคการศึกษานี้
- ออกแบบ สร้าง และตรวจสอบการทำงานของอุปกรณ์รับสัญญาณ
- ตรวจสอบอุปกรณ์กับวัตถุที่เป็นมนุษย์
เสบียง:
- โปรแกรมจำลอง LTSpice (หรือซอฟต์แวร์ที่คล้ายกัน) Breadboard
- ตัวต้านทานต่างๆ
- คาปาซิเตอร์ต่างๆ
- Opamps
- สายอิเล็กโทรด
- ปริมาณอินพุตtagแหล่งที่มา
- อุปกรณ์วัดปริมาตรเอาท์พุตtage (เช่น ออสซิลโลสโคป)
ขั้นตอนที่ 1: ทำการคำนวณสำหรับแต่ละส่วนประกอบของวงจร
ภาพด้านบนแสดงการคำนวณสำหรับแต่ละวงจร ด้านล่างนี้จะอธิบายเพิ่มเติมเกี่ยวกับส่วนประกอบและการคำนวณที่ทำเสร็จแล้ว
เครื่องมือวัด Ampชีวิต
เครื่องมือวัด amplifier หรือ IA ช่วยให้ได้รับสัญญาณระดับต่ำเป็นจำนวนมาก ช่วยเพิ่มขนาดของสัญญาณให้มองเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นและสามารถวิเคราะห์รูปคลื่นได้
สำหรับการคำนวณ เราเลือกค่าตัวต้านทานแบบสุ่มสองค่าสำหรับ R1 และ R2 ซึ่งก็คือ 5 kΩ และ 10 kΩ ตามลำดับ เรายังต้องการให้เกนเป็น 1000 เพื่อให้สัญญาณวิเคราะห์ได้ง่ายขึ้น จากนั้นอัตราส่วนของ R3 และ R4 จะได้รับการแก้ไขโดยสมการต่อไปนี้:
มูลค่า / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
จากนั้นเราใช้อัตราส่วนนั้นเพื่อตัดสินใจว่าค่าตัวต้านทานแต่ละตัวจะเป็นเท่าใด ค่ามีดังนี้:
R3 = 1 กิโลโอห์ม
ตัวกรองรอย
ตัวกรองรอยบากจะลดทอนสัญญาณภายในย่านความถี่แคบหรือลบความถี่เดียวออก ความถี่ที่เราต้องการลบในกรณีนี้คือ 60 Hz เนื่องจากสัญญาณรบกวนส่วนใหญ่ที่เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อยู่ที่ความถี่นั้น ปัจจัย AQ คืออัตราส่วนของความถี่กลางต่อแบนด์วิธ และยังช่วยอธิบายรูปร่างของแผนภูมิขนาดด้วย ปัจจัย Q ที่มากขึ้นส่งผลให้แถบหยุดแคบลง สำหรับการคำนวณ เราจะใช้ค่า Q เท่ากับ 8
เราตัดสินใจเลือกค่าตัวเก็บประจุที่เรามี ดังนั้น C1 = C2 = 0.1 uF และ C2 = 0.2 uF
สมการที่เราจะใช้คำนวณ R1, R2 และ R3 มีดังนี้:
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
กรองผ่านต่ำ
ตัวกรองความถี่ต่ำผ่านจะลดทอนความถี่สูงในขณะที่ปล่อยให้ความถี่ต่ำผ่านได้ ความถี่คัตออฟจะมีค่า 150 Hz เพราะนั่นคือค่า ECG ที่ถูกต้องสำหรับผู้ใหญ่ นอกจากนี้ อัตราขยาย (ค่า K) จะเป็น 1 และค่าคงที่ a และ b คือ 1.414214 และ 1 ตามลำดับ
เราเลือก C1 ให้เท่ากับ 68 nF เพราะเรามีตัวเก็บประจุนั้น ถึง C2 เราใช้สมการต่อไปนี้:
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
ดังนั้นเราจึงเลือก C2 ให้เท่ากับ 0.15 uF
ในการคำนวณค่าตัวต้านทานสองตัว เราต้องใช้สมการต่อไปนี้:
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
ขั้นตอนที่ 2: สร้างแผนงานบน LTSpice
ส่วนประกอบทั้งสามถูกสร้างขึ้นและทำงานแยกกันบน LTSpice ด้วยการวิเคราะห์ ACกวาด ค่าที่ใช้คือค่าที่เราคำนวณในขั้นตอนที่ 1
ขั้นตอนที่ 3: สร้างเครื่องมือวัด Ampเครื่องช่วยหายใจ
เราสร้างเครื่องมือวัด amplifier บน breadboard โดยทำตามแผนผังบน LTSpice เมื่อสร้างเสร็จแล้ว ระดับอินพุต (สีเหลือง) และเอาต์พุต (สีเขียว)tages ถูกแสดง เส้นสีเขียวได้กำไรเพียง 743.5X เมื่อเทียบกับเส้นสีเหลือง
ขั้นตอนที่ 4: สร้างตัวกรองรอยบาก
ต่อไป เราสร้างตัวกรองรอยบากบนเขียงหั่นขนมตามแผนผังที่สร้างบน LTSpice มันถูกสร้างขึ้นถัดจากวงจร IA จากนั้นเราบันทึกปริมาณอินพุตและเอาต์พุตtagค่า e ที่ความถี่ต่างๆ เพื่อกำหนดขนาด จากนั้น เราสร้างกราฟขนาดเทียบกับความถี่บนพล็อตเพื่อเปรียบเทียบกับการจำลอง LTSpice สิ่งเดียวที่เราเปลี่ยนแปลงคือค่าของ C3 และ R2 ซึ่งเท่ากับ 0.22 uF และ 430 kΩ ตามลำดับ อีกครั้งความถี่ที่จะลบคือ 60 Hz
ขั้นตอนที่ 5: สร้างตัวกรอง Lowpass
จากนั้นเราสร้างตัวกรองความถี่ต่ำผ่านบนเขียงหั่นขนมตามแผนผังบน LTSpice ถัดจากตัวกรองรอยบาก จากนั้นเราจะบันทึกปริมาตรอินพุตและเอาต์พุตtagที่ความถี่ต่างๆ เพื่อกำหนดขนาด จากนั้น เราวางแผนขนาดและความถี่เพื่อเปรียบเทียบกับการจำลอง LTSpice ค่าเดียวที่เราเปลี่ยนสำหรับตัวกรองนี้คือ C2 ซึ่งก็คือ 0.15 uF ความถี่ตัดที่เราตรวจสอบคือ 150 Hz
ขั้นตอนที่ 6: ทดสอบในเรื่องของมนุษย์
ขั้นแรก เชื่อมต่อส่วนประกอบทั้งสามส่วนของวงจรเข้าด้วยกัน จากนั้นทดสอบด้วยการเต้นของหัวใจจำลองเพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างทำงานได้ จากนั้น วางอิเล็กโทรดลงบนตัวบุคคล โดยให้ขั้วบวกอยู่ที่ข้อมือขวา ส่วนขั้วลบอยู่ที่ข้อเท้าซ้าย และพื้นอยู่ที่ข้อเท้าขวา เมื่อแต่ละคนพร้อมแล้ว ให้เชื่อมต่อแบตเตอรี่ 9 โวลต์เพื่อเปิดเครื่องamps และแสดงสัญญาณเอาท์พุต โปรดทราบว่าบุคคลนั้นควรอยู่นิ่งๆ เป็นเวลาประมาณ 10 วินาทีเพื่อให้อ่านค่าได้อย่างแม่นยำ
ยินดีด้วย คุณสร้าง ECG อัตโนมัติสำเร็จแล้ว!
เอกสาร / แหล่งข้อมูล
 |
คำแนะนำ ออกแบบ ECG แบบใช้งานได้พร้อมการพล็อต Biosignal อัตโนมัติ [พีดีเอฟ] คำแนะนำ ออกแบบคลื่นไฟฟ้าหัวใจเชิงหน้าที่ด้วยการวางแผนสัญญาณชีวภาพอัตโนมัติ, ออกแบบคลื่นไฟฟ้าหัวใจเชิงฟังก์ชัน, คลื่นไฟฟ้าหัวใจเชิงหน้าที่, การวางแผนสัญญาณชีวภาพโดยอัตโนมัติ |
