hướng dẫn Thiết kế ECG chức năng với âm mưu tự động của tín hiệu sinh học
Thiết kế ECG chức năng với đồ thị tự động của tín hiệu sinh học
Dự án này kết hợp mọi thứ đã học trong học kỳ này và áp dụng nó vào một nhiệm vụ duy nhất. Nhiệm vụ của chúng tôi là tạo ra một mạch có thể được sử dụng làm điện tâm đồ (ECG) bằng cách sử dụng một thiết bị đo ampbộ lọc, bộ lọc thông thấp và bộ lọc notch. Điện tâm đồ sử dụng các điện cực đặt trên một cá nhân để đo và hiển thị hoạt động của tim. Các tính toán được thực hiện dựa trên trái tim trung bình của người trưởng thành và sơ đồ mạch ban đầu được tạo trên LTSpice để xác minh tần số khuếch đại và ngưỡng. Mục tiêu của đồ án thiết kế này như sau:
- Áp dụng các kỹ năng thiết bị đã học trong phòng thí nghiệm trong học kỳ này
- Thiết kế, xây dựng và xác minh chức năng của thiết bị thu tín hiệu
- Xác thực thiết bị trên đối tượng là con người
Quân nhu:
- Trình giả lập LTSpice (hoặc phần mềm tương tự) Breadboard
- điện trở khác nhau
- tụ điện khác nhau
- Opamps
- dây điện cực
- Đầu vào voltagnguồn e
- Thiết bị đo vol đầu ratage (tức là máy hiện sóng)
Bước 1: Thực hiện các phép tính cho từng thành phần mạch
Những hình ảnh trên cho thấy các tính toán cho mỗi mạch. Dưới đây, nó giải thích thêm về các thành phần và các tính toán được thực hiện.
Thiết bị đo lường Ampngười nói dối
một thiết bị đo đạc amplifier, hoặc IA, giúp cung cấp mức tăng lớn cho các tín hiệu mức thấp. Nó giúp tăng kích thước của tín hiệu để tín hiệu dễ nhìn thấy hơn và dạng sóng có thể được phân tích.
Để tính toán, chúng tôi đã chọn hai giá trị điện trở ngẫu nhiên cho R1 và R2, tương ứng là 5 kΩ và 10 kΩ. Chúng tôi cũng muốn mức tăng là 1000 để tín hiệu sẽ dễ phân tích hơn. Tỷ lệ cho R3 và R4 sau đó được giải theo phương trình sau:
Vout / (Vin1 – Vin2) = [1 + (2*R2/R1)] * (R4/R3) –> R4/R3 = 1000 / [1 + 2*(10) / (5)] –> R4/ R3 = 200
Sau đó, chúng tôi sử dụng tỷ lệ đó để quyết định từng giá trị điện trở sẽ là bao nhiêu. Các giá trị như sau:
R3 = 1kΩ
Bộ lọc Notch
Bộ lọc notch làm suy giảm tín hiệu trong một dải tần số hẹp hoặc loại bỏ một tần số duy nhất. Tần số chúng tôi muốn loại bỏ trong trường hợp này là 60 Hz vì hầu hết tiếng ồn do các thiết bị điện tử tạo ra đều ở tần số đó. Hệ số AQ là tỷ lệ giữa tần số trung tâm với băng thông và nó cũng giúp mô tả hình dạng của biểu đồ cường độ. Hệ số Q lớn hơn dẫn đến dải dừng hẹp hơn. Để tính toán, chúng tôi sẽ sử dụng giá trị Q là 8.
Chúng tôi quyết định chọn các giá trị tụ điện mà chúng tôi có. Vì vậy, C1 = C2 = 0.1 uF và C2 = 0.2 uF.
Các phương trình chúng ta sẽ sử dụng để tính R1, R2 và R3 như sau:
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
Bộ lọc thông thấp
Bộ lọc thông thấp làm suy giảm tần số cao trong khi cho phép tần số thấp hơn đi qua. Tần số cắt sẽ có giá trị 150 Hz vì đó là giá trị ECG chính xác cho người lớn. Ngoài ra, độ lợi (giá trị K) sẽ là 1 và các hằng số a và b lần lượt là 1.414214 và 1.
Chúng tôi đã chọn C1 bằng 68 nF vì chúng tôi có tụ điện đó. Để tìm C2, chúng tôi đã sử dụng phương trình sau:
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
Vì vậy, chúng tôi chọn C2 bằng 0.15 uF
Để tính toán hai giá trị điện trở, chúng ta phải sử dụng các phương trình sau:
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
Bước 2: Tạo sơ đồ trên LTSpice
Tất cả ba thành phần đã được tạo và chạy riêng lẻ trên LTSpice với phân tích quét AC. Các giá trị được sử dụng là những giá trị chúng tôi đã tính toán ở bước 1.
Bước 3: Xây dựng thiết bị Ampli er
Chúng tôi đã xây dựng thiết bị amplifier trên breadboard bằng cách làm theo sơ đồ trên LTSpice. Sau khi nó được xây dựng, đầu vào (màu vàng) và đầu ra (màu xanh lá cây)tages đã được hiển thị. Đường màu xanh lá cây chỉ có mức tăng 743.5 lần so với đường màu vàng.
Bước 4: Xây dựng bộ lọc Notch
Tiếp theo, chúng tôi đã xây dựng bộ lọc notch trên breadboard dựa trên sơ đồ được tạo trên LTSpice. Nó được xây dựng bên cạnh mạch IA. Sau đó chúng tôi đã ghi âm lượng đầu vào và đầu ratagcác giá trị e ở các tần số khác nhau để xác định độ lớn. Sau đó, chúng tôi vẽ biểu đồ cường độ so với tần số trên biểu đồ để so sánh nó với mô phỏng LTSpice. Điều duy nhất chúng tôi thay đổi là các giá trị của C3 và R2 lần lượt là 0.22 uF và 430 kΩ. Một lần nữa, tần số mà nó đang loại bỏ là 60 Hz.
Bước 5: Xây dựng bộ lọc thông thấp
Sau đó, chúng tôi đã xây dựng bộ lọc thông thấp trên bảng mạch dựa trên sơ đồ trên LTSpice bên cạnh bộ lọc notch. Sau đó chúng tôi đã ghi âm lượng đầu vào và đầu ratages ở các tần số khác nhau để xác định độ lớn. Sau đó, chúng tôi vẽ đồ thị cường độ và tần suất để so sánh nó với mô phỏng LTSpice. Giá trị duy nhất chúng tôi đã thay đổi cho bộ lọc này là C2 là 0.15 uF. Tần số cắt mà chúng tôi đang xác minh là 150 Hz.
Bước 6: Thử nghiệm trên một chủ đề con người
Đầu tiên, kết nối ba thành phần riêng lẻ của mạch với nhau. Sau đó, kiểm tra nó bằng nhịp tim mô phỏng để đảm bảo mọi thứ đều hoạt động. Sau đó, đặt các điện cực lên người đó sao cho cực dương ở cổ tay phải, cực âm ở mắt cá chân trái và tiếp đất ở mắt cá chân phải. Khi cá nhân đã sẵn sàng, hãy kết nối pin 9V để cấp nguồn cho hoạt độngamps và hiển thị tín hiệu đầu ra. Lưu ý rằng cá nhân nên giữ yên trong khoảng 10 giây để có kết quả chính xác.
Xin chúc mừng, bạn đã tạo thành công ECG tự động!
Tài liệu / Tài nguyên
 |
hướng dẫn Thiết kế ECG chức năng với âm mưu tự động của tín hiệu sinh học [tập tin pdf] Hướng dẫn Thiết kế điện tâm đồ chức năng với đồ thị tín hiệu sinh học tự động, thiết kế điện tâm đồ chức năng, điện tâm đồ chức năng, vẽ đồ thị tín hiệu sinh học |
