اقتناء وتضخيم وترشيح تصميم الدوائر لمخطط القلب الكهربائي الأساسي: 6 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

من أجل إكمال هذا التوجيه ، فإن الأشياء الوحيدة المطلوبة هي جهاز كمبيوتر والوصول إلى الإنترنت وبعض برامج المحاكاة. لأغراض هذا التصميم ، سيتم تشغيل جميع الدوائر والمحاكاة على LTspice XVII. يحتوي برنامج المحاكاة هذا على مكتبات تضم أكثر من 1000 مكون مما يجعل إنشاء الدوائر أمرًا سهلاً للغاية. نظرًا لأنه سيتم تعميم هذه الدوائر ، فسيتم استخدام "UniversalOpAmp2" لكل مثيل حيث يلزم وجود جهاز op-amp. بالإضافة إلى ذلك ، تم تشغيل كل جهاز أمبير بواسطة مصدر طاقة + 15 فولت و -15 فولت. لا تعمل مصادر الطاقة هذه على تشغيل جهاز op-amp فحسب ، بل تقوم أيضًا بقص جهد الخرج إذا كان سيصل إلى أي من هذين الطرفين.

الخطوة 1: تصميم مضخم الأجهزة

بعد الحصول على الإشارة ، يجب تضخيمها لإجراء العمليات الحسابية والتصفية عليها. بالنسبة لمخططات القلب ، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا للتضخيم هي مضخم الأجهزة. كما ذكرنا سابقًا ، يتمتع مضخم الأجهزة بالعديد من المزايا عندما يتعلق الأمر بدارات التضخيم ، وأكبرها هو المعاوقة العالية بين الفولتية المدخلة. لإنشاء هذه الدائرة ، تم استخدام 3 أمبير بالاقتران مع سبعة مقاومات ، مع ستة مقاومات مكافئة في الحجم. يكون اكتساب معظم مخططات القلب الكهربائية حوالي 1000 ضعف إشارة الدخل [1]. تكون معادلة كسب مكبر للصوت كما يلي: كسب = 1 + (2 * R1 / R2) * (R7 / R6). من أجل التبسيط ، تم افتراض أن كل مقاوم يساوي 1000 أوم ، باستثناء R2 ، الذي تم تحديده على أنه 2 أوم. تعطي هذه القيم ربحًا أكبر بمقدار 1001 مرة من جهد الدخل. هذا الكسب كافٍ لتضخيم الإشارات المكتسبة لمزيد من التحليل. ومع ذلك ، باستخدام المعادلة ، يمكن أن يكون الربح هو ما يريده المرء لتصميم دائرته.

الخطوة 2: تصميم مرشح تمرير النطاق

مرشح تمرير النطاق هو مرشح تمرير عالي ومرشح تمرير منخفض يعمل بالتنسيق عادةً مع op-amp لتوفير ما يُعرف باسم نطاق المرور. نطاق المرور هو نطاق من الترددات التي يمكن أن تمر بينما يتم رفض جميع الترددات الأخرى الموجودة أعلى وأسفل. تنص معايير الصناعة على أن مخطط كهربية القلب القياسي يجب أن يكون له نطاق مرور من 0.5 هرتز إلى 150 هرتز [2]. يضمن نطاق التمرير الكبير هذا تسجيل كل الإشارات الكهربائية الواردة من القلب وعدم تصفية أي منها. وبالمثل ، فإن نطاق المرور هذا يرفض أي إزاحة للتيار المستمر يمكن أن تتداخل مع الإشارة. لتصميم هذا ، يجب اختيار مقاومات ومكثفات محددة بحيث يكون تردد قطع التمرير العالي عند 0.5 هرتز وتردد قطع التمرير المنخفض عند 150 هرتز. معادلة تردد القطع لكل من مرشح التمرير العالي ومرشح التمرير المنخفض هي كما يلي: Fc = 1 / (2 * pi * RC). بالنسبة لحساباتي ، تم اختيار مقاوم عشوائي ، ثم باستخدام المعادلة 4 ، تم حساب قيمة المكثف. لذلك ، سيكون لمرشح التمرير العالي قيمة مقاومة تبلغ 100000 أوم وقيمة مكثف تبلغ 3.1831 ميكروفاراد. وبالمثل ، سيكون لمرشح التمرير المنخفض قيمة مقاومة تبلغ 100000 أوم وقيمة مكثف تبلغ 10.61 نانو فاراد. يظهر رسم تخطيطي لمرشح تمرير النطاق مع القيم المعدلة.

الخطوة 3: تصميم مرشح الشق

مرشح القطع هو في الأساس عكس مرشح ممر النطاق. بدلاً من الحصول على تمريرة عالية متبوعة بتمريرة منخفضة ، فهي عبارة عن تمريرة منخفضة تليها تمريرة عالية ، وبالتالي يمكن للمرء بشكل أساسي التخلص من نطاق صغير من الضوضاء. بالنسبة لمرشح الشق في مخطط كهربية القلب ، تم استخدام تصميم مرشح الشق Twin-T. يسمح هذا التصميم بترشيح تردد مركزي ويوفر عامل جودة كبير. في هذه الحالة ، كان التردد المركزي للتخلص منه 60 هرتز. باستخدام المعادلة 4 ، تم حساب قيم المقاوم باستخدام قيمة مكثف معينة قدرها 0.1 ميكروفاراد. كانت قيم المقاوم المحسوبة لنطاق توقف 60 هرتز هي 26.525 أوم. ثم تم حساب R5 ليكون ½ من R3 و R4. تم حساب C3 أيضًا على أنها ضعف القيمة المختارة لـ C1 و C2 [3]. تم اختيار مقاومات عشوائية لـ R1 و R2.

الخطوة 4: الدائرة المختلطة

باستخدام الشباك ، تم وضع هذه المكونات في سلسلة معًا وتم تصوير صورة الدائرة المكتملة. وفقًا لورقة نشرتها Springer Science ، يجب أن يكون الكسب المقبول لدائرة مخطط كهربية القلب حوالي 70 ديسيبل عند إعداد الدائرة بأكملها [4].

الخطوة 5: اختبار الدائرة بأكملها

عندما تم وضع جميع المكونات في سلسلة ، كان من الضروري التحقق من صحة التصميم. اختبار هذه الدائرة ، تم إجراء مسح عابر و AC لتحديد ما إذا كانت جميع المكونات تعمل في انسجام تام. إذا كان هذا هو الحال ، فسيظل جهد الخرج العابر حوالي 1000x من جهد الدخل. وبالمثل ، عند إجراء عملية مسح التيار المتردد ، من المتوقع أن يكون مخطط مرشح النطاق الترددي مع درجة 60 هرتز. بالنظر إلى الصور المصورة ، تمكنت هذه الدائرة من تحقيق كلا الهدفين بنجاح. اختبار آخر كان لمعرفة كفاءة مرشح الشق. لاختبار ذلك ، تم تمرير إشارة 60 هرتز عبر الدائرة. كما هو موضح في الصورة ، كان حجم هذا الإخراج أكبر بحوالي 5x فقط من الإدخال ، مقارنة بـ 1000x عندما يكون التردد داخل نطاق المرور.

الخطوة السادسة: الموارد:

[1] "ECG Measurement System،" Columbia.edu، 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG٪20Report/E6001٪20ECG٪20final٪20report.htm (تمت الزيارة في 01 ديسمبر / كانون الأول ، 2020).

[2] L. G Tereshchenko and M. E. Josephson ، "محتوى التردد وخصائص التوصيل البطيني ،" مجلة علم القلب الكهربائي ، المجلد. 48 ، لا. 6 ، ص 933-937 ، 2015 ، دوى: 10.1016 / j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] "فلاتر إيقاف النطاق تسمى مرشحات رفض" ، دروس إلكترونيات أساسية ، 22 مايو 2018.

[4] N. Guler و U. Fidan ، "الإرسال اللاسلكي لإشارة ECG ،" Springer Science ، المجلد. 30 ، أبريل 2005 ، دوى: 10.1007 / s10916-005-7980-5.