مخطط كهربية القلب الآلي: محاكاة التضخيم والتصفية باستخدام LTspice: 5 خطوات

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

هذه هي صورة الجهاز النهائي الذي ستقوم ببنائه ومناقشة متعمقة للغاية حول كل جزء. يصف أيضًا حسابات كل مرحلة.

تظهر الصورة مخطط كتلة لهذا الجهاز

الطرق والمواد:

كان الهدف من هذا المشروع هو تطوير جهاز الحصول على الإشارة من أجل توصيف إشارة بيولوجية محددة / جمع البيانات ذات الصلة على الإشارة. وبشكل أكثر تحديدًا ، مخطط كهربية القلب الآلي. يبرز مخطط الكتلة الموضح في الشكل 3 التخطيطي المقترح للجهاز. سيستقبل الجهاز الإشارة البيولوجية عبر قطب كهربي ثم يضخّمها باستخدام مضخم بكسب 1000. هذا التضخيم ضروري لأن الإشارة البيولوجية ستكون أقل عند حوالي 5mV وهي صغيرة جدًا ويمكن أن يكون من الصعب تفسيرها [5]. بعد ذلك ، سيتم تقليل الضوضاء باستخدام مرشح النطاق الترددي من أجل الحصول على نطاق التردد المطلوب للإشارة ، 0.5-150 هرتز ، ثم تتبع الشق لإزالة الضوضاء المحيطة العادية التي تسببها خطوط الطاقة الموجودة حول 50-60 هرتز [11]. أخيرًا ، يجب تحويل الإشارة بعد ذلك إلى رقمية بحيث يمكن تفسيرها باستخدام جهاز كمبيوتر ويتم ذلك باستخدام محول تناظري إلى رقمي. ومع ذلك ، في هذه الدراسة ، سيكون التركيز في المقام الأول على مكبر الصوت ، ومرشح تمرير النطاق ، ومرشح الشق.

تم تصميم كل من مكبر الصوت ومرشح تمرير النطاق ومرشح الشق باستخدام LTSpice. تم تطوير كل قسم أولاً بشكل منفصل واختباره للتأكد من أدائه بشكل صحيح ثم تسلسله في مخطط نهائي واحد. تم تصميم مكبر الصوت ، الذي يمكن رؤيته في الشكل 4 ، على أساس مكبر للصوت. يستخدم مضخم الأجهزة بشكل شائع في أجهزة تخطيط القلب ، وأجهزة مراقبة درجة الحرارة ، وحتى أجهزة الكشف عن الزلازل لأنه يمكن أن يضخم مستوى منخفض جدًا من الإشارة مع رفض الضوضاء الزائدة. كما أنه من السهل جدًا تعديله للتكيف مع أي مكسب مطلوب [6]. الكسب المطلوب للدائرة هو 1000 وقد تم تحديد ذلك لأن المدخلات من القطب ستكون إشارة تيار متردد أقل من 5 مللي فولت [5] وتحتاج إلى تضخيمها من أجل تسهيل تفسير البيانات. من أجل الحصول على ربح 1000 ، تم استخدام المعادلة (1) GAIN = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3) والتي أسفرت بالتالي عن كسب = (1+ (5000Ω + 5000Ω) / 101.01Ω) (1000Ω / 100Ω) = 1000. من أجل التأكد من تحقيق المقدار الصحيح للتضخيم ، تم إجراء اختبار مؤقت باستخدام LTspice.

كانت المرحلة الثانية عبارة عن مرشح ممر النطاق. يمكن رؤية هذا المرشح في الشكل 5 ويتكون من تمرير منخفض ثم مرشح تمرير عالي مع مضخم تشغيلي بينهما لمنع المرشحات من إلغاء بعضها البعض. الغرض من هذه المرحلة هو إنتاج نطاق محدد من الترددات التي يمكن أن تمر عبر الجهاز. النطاق المطلوب لهذا الجهاز هو 0.5 - 150 هرتز لأن هذا هو النطاق القياسي لتخطيط القلب [6]. من أجل تحقيق هذا النطاق المستهدف ، تم استخدام المعادلة (2) تردد القطع = 1 / (2πRC) من أجل تحديد تردد القطع لكل من مرشح التمرير العالي والمنخفض داخل ممر النطاق. نظرًا لأن الحد الأدنى من النطاق يجب أن يكون 0.5 هرتز ، فقد تم حساب قيم مقاومة مرشح التمرير العالي وقيم المكثف لتكون 0.5 هرتز = 1 / (2π * 1000Ω * 318.83 درجة فهرنهايت) ومع الطرف العلوي الذي يحتاج إلى 150 هرتز ، فإن القيمة المنخفضة تم حساب قيم مرشح التمرير والمكثف لتكون 150 هرتز = 1 / (2π * 1000Ω * 1.061µF). من أجل التأكد من تحقيق نطاق التردد الصحيح ، تم تشغيل مسح التيار المتردد باستخدام LTspice.

المرحلة الثالثة والأخيرة من المحاكاة هي المرشح النتوي ويمكن رؤيتها في الشكل 6. يعمل مرشح القطع كوسيلة للتخلص من الضوضاء غير المرغوب فيها التي تحدث في منتصف مدى التردد المطلوب الناتج عن ممر النطاق. التردد المستهدف في هذه الحالة هو 60 هرتز لأن هذا هو التردد القياسي لخط الطاقة في الولايات المتحدة ويسبب تداخلاً إذا لم يتم التعامل معه [7]. كان مرشح الشق الذي تم اختياره للتعامل مع هذا التداخل عبارة عن مرشح مزدوج الدرجة مع مضخمين عمليين ومقسم جهد. سيسمح هذا للإشارة ليس فقط بتصفية الإشارة مباشرة عند التردد المستهدف ولكن أيضًا تقديم ردود فعل متغيرة في النظام ، وعامل جودة قابل للتعديل Q ، وإخراج متغير بفضل مقسم الجهد ، وبالتالي جعل هذا مرشحًا نشطًا بدلاً من المبني للمجهول [8]. ومع ذلك ، فقد تركت هذه العوامل الإضافية في الغالب دون مساس في الاختبارات الأولية ولكن سيتم التطرق إليها في الأعمال المستقبلية وكيفية تحسين المشروع لاحقًا. من أجل تحديد مركز تردد الرفض ، المعادلة (3) تردد رفض المركز = 1 / (2π) * √ (1 / (C2 * C3 * R5 * (R3 + R4))) = 1 / (2π) * √ (1 / [(0.1 * 10 ^ -6µF) * (0.1 * 10 ^ -6µF) (15000Ω) * (26525Ω + 26525Ω)]) = 56.420 هرتز كان يعمل. من أجل التأكد من تحقيق تردد الرفض الصحيح ، تم تشغيل مسح التيار المتردد باستخدام LTspice.

أخيرًا ، بعد اختبار كل مرحلة على حدة ، تم الجمع بين المراحل الثلاث كما هو موضح في الشكل 7. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن جميع مضخمات التشغيل تم تزويدها بمصدر طاقة تيار مستمر + 15 فولت و -15 فولت من أجل السماح بتضخيم كبير عند الضرورة. ثم تم إجراء كل من اختبار عابر واكتساح التيار المتردد على الدائرة المكتملة.

نتائج:

يمكن العثور على الرسوم البيانية لكل مرحلة مباشرة تحت مرحلتها الخاصة في قسم الشكل في الملحق. بالنسبة للمرحلة الأولى ، مضخم الأجهزة ، تم إجراء اختبار عابر على الدائرة من أجل الاختبار للتأكد من أن كسب مكبر الصوت كان 1000. واستمر الاختبار من 1 - 1.25 ثانية بحد أقصى للخطوة الزمنية 0.05. كان الجهد الموفر عبارة عن موجة جيبية متناوبة بسعة 0.005 فولت وتردد 50 هرتز. كان الكسب المقصود 1000 وكما هو موضح في الشكل 4 ، حيث أن Vout (المنحنى الأخضر) له سعة 5 فولت. تم حساب الكسب المحاكى ليكون ، الكسب = Vout / Vin = 5V / 0.005V = 1000. لذلك ، فإن النسبة المئوية للخطأ في هذه المرحلة هي 0٪. تم اختيار 0.005 فولت كمدخل لهذا القسم لأنه سيرتبط ارتباطًا وثيقًا بالمدخلات الواردة من القطب الكهربائي كما هو مذكور في قسم الطرق.

المرحلة الثانية ، مرشح ممر النطاق ، كان لها نطاق مستهدف يتراوح بين 0.5 و 150 هرتز. من أجل اختبار الفلتر والتأكد من تطابق النطاق ، عقد من الزمان ، تم تشغيل اكتساح التيار المتردد مع 100 نقطة لكل عقد من 0.01 - 1000 هرتز. يوضح الشكل 5 نتائج اكتساح التيار المتردد ويؤكد أنه تم تحقيق مدى تردد من 0.5 إلى 150 هرتز لأن الحد الأقصى ناقص 3 ديسيبل يعطي تردد القطع. هذه الطريقة موضحة على الرسم البياني.

تم تصميم المرحلة الثالثة ، مرشح الشق ، للقضاء على الضوضاء الموجودة حول 60 هرتز. كان المركز المحسوب لتردد الرفض حوالي 56 هرتز. من أجل تأكيد ذلك ، عقد من الزمن ، تم تشغيل التيار المتردد مع 100 نقطة لكل عقد من 0.01 - 1000 هرتز. يوضح الشكل 6 نتائج مسح التيار المتردد ويوضح مركز تردد الرفض ~ 56-59 هرتز. نسبة الخطأ لهذا القسم 4.16٪.

بعد التأكد من أن كل مرحلة على حدة كانت تعمل ، تم بعد ذلك تجميع المراحل الثلاث كما هو موضح في الشكل 7. ثم تم إجراء اختبار عابر للتحقق من تضخيم الدائرة واستمر الاختبار من 1 - 1.25 ثانية بحد أقصى للخطوة الزمنية 0.05 مع a تم تزويد الجهد لموجة جيبية متناوبة بسعة 0.005 فولت وتردد 50 هرتز. الرسم البياني الناتج هو الرسم البياني الأول في الشكل 7 يوضح Vout3 (أحمر) ، ناتج الدائرة بأكملها ، وهو 3.865 فولت وبالتالي يجعل الكسب = 3.865 فولت / 0.005 فولت = 773. هذا يختلف بشكل كبير عن الكسب المقصود 1000 ويعطي خطأ بنسبة 22.7٪. بعد اختبار عابر ، عقد من الزمن ، تم تشغيل مسح التيار المتردد بـ 100 نقطة لكل عقد من 0.01 - 1000 هرتز وأنتج الرسم البياني الثاني في الشكل 7. هذا الرسم البياني يبرز النتائج المقصودة ويظهر المرشحات تعمل جنبًا إلى جنب لإنتاج مرشح ذلك يقبل الترددات من 0.5-150 هرتز مع مركز رفض من 57.5-58.8 هرتز.

المعادلات:

(1) - كسب مضخم الأجهزة [6] ، المقاومات بالنسبة لتلك الموجودة في الشكل 4.

(2) - تردد القطع لمرشح تمرير منخفض / مرتفع

(3) - بالنسبة لمرشح الدرجة المزدوجة [8] ، المقاومات بالنسبة لتلك الموجودة في الشكل 6.

الخطوة 1: مضخم الأجهزة

المرحلة 1: مكبر الصوت

المعادلة - كسب = (1+ (R2 + R4) / R1) (R6 / R3)

الخطوة 2: ممر الموجة

المرحلة 2: مرشح ممر النطاق

المعادلة: تردد القطع = 1 / 2πRC

الخطوة 3: المرحلة 3: مرشح الشق

المرحلة 3: فلتر Twin T Notch

المعادلة - تردد رفض المركز = 1 / 2π √ (1 / (C_2 C_3 R_5 (R_3 + R_4)))

الخطوة 4: رسم تخطيطي نهائي لجميع المراحل معًا

التخطيطي النهائي مع منحنيات اكتساح وعابرة

الخطوة 5: مناقشة الجهاز

مناقشة:

كانت نتيجة الاختبارات التي تم إجراؤها أعلاه كما هو متوقع للدائرة ككل. على الرغم من أن التضخيم لم يكن مثاليًا وأن الإشارة تدهورت قليلاً كلما تقدمت خلال الدائرة (والتي يمكن رؤيتها في الشكل 7 ، الرسم البياني 1 حيث زادت الإشارة من 0.005 فولت إلى 5 فولت بعد المرحلة الأولى ثم انخفضت إلى 4 فولت بعد الثانية ثم 3.865 فولت بعد المرحلة النهائية) ، عمل ممر النطاق ومرشح الشق على النحو المنشود وأنتج نطاقًا تردديًا يتراوح من 0.5 إلى 150 هرتز مع إزالة التردد حوالي 57.5-58.8 هرتز.

بعد إنشاء معلمات دائري ، قمت بعد ذلك بمقارنتها مع اثنين من مخططات كهربية القلب الأخرى. يمكن العثور على مقارنة أكثر مباشرة مع الأرقام فقط في الجدول 1. كانت هناك ثلاث ملاحظات رئيسية عند مقارنة بياناتي بمصادر أخرى من الأدبيات. الأول هو أن التضخيم في دائري كان أقل بكثير من الاثنين الآخرين اللذين كنت أقارنهما أيضًا. حققت كل من دائرتي المصادر الأدبية تضخيمًا قدره 1000 وفي مخطط كهربية القلب لجوالي [9] ، تم تضخيم الإشارة بشكل أكبر بواسطة عامل 147 في مرحلة التصفية. لذلك ، على الرغم من تضخيم الإشارة في دائرتي بمقدار 773 (خطأ بنسبة 22.7٪ عند مقارنتها بالتضخيم القياسي) واعتبارها كافية لتكون قادرة على تفسير إشارة الإدخال من القطب [6] ، إلا أنها لا تزال تتضاءل مقارنةً بالتضخيم القياسي 1000. إذا تم تحقيق التضخيم القياسي في دائري ، فيجب زيادة التضخيم في مضخم الأجهزة إلى عامل أكبر من 1000 بحيث يتم تقليل الكسب بعد المرور عبر كل مرحلة من مراحل المرشح في دائري ، لا يزال لديها مكاسب لا تقل عن 1000 أو تحتاج إلى تعديل المرشحات لمنع حدوث مستويات أعلى من انخفاض الجهد.

كانت النتيجة الرئيسية الثانية هي أن جميع الدوائر الثلاث لها نطاقات تردد متشابهة جدًا. كان لدى Gawali [9] نفس النطاق بالضبط من 0.5-150 هرتز بينما كان نطاق Goa [10] أوسع قليلاً من 0.05-159 هرتز. يوجد هذا التناقض الطفيف في دائرة Goa لأن هذا النطاق يناسب بشكل أفضل بطاقة الحصول على البيانات التي تم استخدامها في الإعداد.

كانت آخر الوجبات الجاهزة الرئيسية هي الاختلافات في مركز ترددات الرفض التي حققتها مرشحات الشق في كل دائرة. كان هدف كل من Gao ودائرتى هو 60 هرتز من أجل قمع ضوضاء تردد الخط التي تسبب خطوط الكهرباء بينما تم تعيين Gawali على 50 هرتز. ومع ذلك ، فإن هذا التناقض جيد لأنه اعتمادًا على الموقع في العالم ، يمكن أن يكون تردد خط الطاقة 50 أو 60 هرتز. لذلك ، تم إجراء مقارنة مباشرة مع دائرة Goa فقط لأن تداخل خطوط الطاقة في الولايات المتحدة يبلغ 60 هرتز [11]. نسبة الخطأ 3.08٪.