تحليل المعاوقة الحيوية (BIA) باستخدام AD5933: 9 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

لقد كنت مهتمًا بعمل محلل المعاوقة الحيوية لقياسات تكوين الجسم واستمرت عمليات البحث العشوائية في العثور على تصميم من فصل الأجهزة الطبية الحيوية لعام 2015 في جامعة فاندربيلت. لقد عملت من خلال التصميم وقمت بتحسينه قليلاً. أود أن أشارككم نتائجي. خذ ما يمكنك استخدامه من هذا "الدليل التفصيلي" إذا لم يكن هناك شيء واضح ، فالرجاء اقتراح التحسينات. قد أكتب في يوم من الأيام أفكاري بشكل أكثر تماسكًا ، لكن في الوقت الحالي آمل أن تتمكن من استخدام كل ما تراه هنا. (إذا كنت تعتقد أنه يمكنك كتابة هذا وتحسينه ، فنحن نرحب بك)

دمية

يتكون هذا التصميم من شريحة AD5933 ونهاية أمامية تمثيلية مخصصة (AFE) لربط الطراز AD5933 بالجسم. ثم يقوم AD5933 بالقياس ويمكن بعد ذلك معالجة النتائج بواسطة متحكم دقيق (مثل Arduino).

إذا كنت تخطط لاستخدام Arduino كمصدر للطاقة ، فتأكد من أن مكبرات الصوت التشغيلية والأجهزة (op-Amps and in-Amps) تدعم ما يسمى بجهد "الإمداد الفردي" ولها مواصفات من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية.

(في ما يلي ، سأستخدم مصدر طاقة (من Arduino) بقوة 5 فولت وإعداد النطاق 1 على AD5933.)

الخطوة 1: مرحلة إعادة التحيز

الجزء الأول من AFE هو مرحلة إعادة التحيز. لا تتمركز إشارة جهد الخرج في منتصف نطاق جهد الإمداد (VDD / 2). يتم تصحيح ذلك باستخدام مكثف لمنع جزء التيار المستمر من الإشارة وإرساله عبر مقسم جهد لإعادة تعويض التيار المستمر إلى الإشارة.

يمكن أن تكون مقاومات إعادة التحيز أي قيمة طالما أنها متطابقة. القيمة المحددة للغطاء ليست مهمة أيضًا.

تعمل مرحلة إعادة التحيز مثل مرشح التمرير العالي وبالتالي يكون لها تردد قطع:

f_c = 1 / (2 * pi * (0.5 * R) * C)

تأكد من أن تردد القطع أقل ببضعة عقود من الحد الأدنى للتردد الذي تخطط لاستخدامه. إذا كنت تخطط لاستخدام 1 كيلو هرتز في تطبيقك ، فيجب عليك البحث عن قيم القبعات والمقاوم التي ستمنحك تردد قطع بترتيب 1-10 هرتز.

الجزء الأخير من هذه المرحلة عبارة عن جهاز op-amp تم إعداده ليكون تابعًا للجهد. هذا للتأكد من أن قيم المقاوم لا تتداخل مع المرحلة التالية

الخطوة 2: المقاوم الاستشعار الحالي

الجزء الأول من المرحلة التالية هو مقاوم الاستشعار الحالي. سيكون التيار عبر هذا المقاوم هو نفس التيار الذي سيحاول مكبر الصوت الحفاظ عليه من خلال الجسم. تأكد من أن التيار يتوافق مع معايير السلامة IEC6060-1 *:

يُسمح بترددات أقل من 1 كيلو هرتز بحد أقصى 10 ميكرو أمبير (RMS) عبر الجسم. عند الترددات التي تزيد عن 1 كيلو هرتز ، تعطي المعادلة التالية أقصى تيار مسموح به:

أقصى تيار تيار متردد <(أدنى تردد بالكيلوهرتز) * 10 ميكرو أمبير (RMS)

العلاقة بين سعة الذروة لإشارة التيار المتردد وقيمتها RMS هي: الذروة = الجذر التربيعي (2) * RMS. (10 microAmps RMS تتوافق مع 14 microAmps ذروة السعة)

باستخدام قانون أوم على المقاوم ، يمكننا حساب قيمة المقاوم التي تتوافق مع معيار الأمان. نستخدم جهد الإثارة من 5933 AD والقيمة الحالية القصوى:

U = R * I => R = U / I

على سبيل المثال باستخدام إعداد النطاق 1 Upeak = 3V / 2 = 1.5V (أو 1V @ 3.3V)

باستخدام قيمة الذروة 14 microAmp من الأعلى ، أحصل على قيمة مقاومة لا تقل عن 107 كيلو أوم

مراجع:

* الأجهزة التناظرية: "تصميم دائرة المعاوقة الحيوية للأنظمة التي يرتديها الجسم"

الخطوة 3: مضخم التوصيل

بعد مقاومة الاستشعار الحالية ، يوجد جهاز op-amp في تكوين ردود فعل سلبية. هذا هو ما يسمى بإعداد Load-in-the-Loop. يتم توصيل طرف الإدخال الموجب لجهاز op-amp بجهد VDD / 2. سيحاول جهاز op-amp الآن ضبط خرجه في الاتجاه المعاكس لإشارة الإثارة بحيث يكون الجهد عند الطرف السالب مساويًا لـ VDD / 2. سينتج هذا احتمال تأرجح يدفع وسحب التيار عبر الجسم.

التيار المستخرج من الطرف السالب لجهاز op-amp هو صفر تقريبًا. لذلك يجب أن يتدفق كل التيار من خلال المقاوم الاستشعار الحالي عبر الجسم. هذه هي الآلية التي تجعل هذا الإعداد مضخمًا عابرًا للموصلية (يُطلق عليه أيضًا مصدر تيار متحكم فيه الجهد ، VCCS).

يمكن لجهاز op-amp الحفاظ على التيار فقط إذا لم تكن مقاومة الجسم عالية جدًا. وإلا فإن خرج المرجع أمبير سيكون بحد أقصى عند جهد الإمداد (0 أو 5 فولت). الحد الأقصى لمدى الجهد الذي يمكن الحفاظ عليه هو VDD / 2 + Upeak (2.5 + 1.5V = 4V @ 5V Supply). يجب طرح هوامش الجهد لجهاز op-amp من هذه القيمة ، ولكن إذا كان جهاز op-amp يحتوي على مواصفات من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية ، فستكون كمية صغيرة فقط. وبالتالي ، فإن أقصى مقاومة يمكن أن يقودها جهاز op-amp هي:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / إيماكس

(في إعدادي Z <4V / 14 microAmps = 285 كيلو أوم ، أتمنى أن يكون هناك الكثير لتغطية نطاق مقاومة الجسم)

المقاوم للواقي له قيمة كبيرة جدًا (1-1.5 أوم) مقارنة بالجسم (حوالي 100 كيلو أوم) ولجميع العمليات العادية ، لن يسحب هذا أي تيار ملحوظ ومقاومة الاتصال الموازي تهيمن عليها مقاومة الجسم. إذا كان يجب أن ترتفع مقاومة الجسم (على سبيل المثال ، الوسادات فضفاضة) ، يمكن للتيار أن يمر عبر المقاوم ولن يؤدي الحد الأقصى من جهاز أمبير إلى إنشاء جهد كهربي مزعج في الفوط.

الخطوة 4: مضخم الأجهزة

المرحلة التالية هي مضخم الأجهزة (in-amp) الذي يقيس الجهد عبر الجسم. يتأرجح الجهد عبر الجسم حول 0V ، لكن AD5933 يحتاج إلى أن يكون جهد الدخل في نطاق موجب. وبالتالي يضيف in-amp تخالف DC لـ VDD / 2 إلى إشارة الجهد المقاسة.

يتم إنشاء مرجع VDD / 2 بواسطة مقسم الجهد. يمكن استخدام أي مقاوم ذي قيمة طالما أنهما متماثلان. يتم فصل مقسم الجهد عن مقاومة بقية الدوائر بواسطة متابع جهد. يمكن بعد ذلك إعادة توجيه خرج متابع الجهد إلى كل من مضخم التيار الداخلي ومضخم التوصيل.

الخطوة الخامسة: مرحلة الإدخال والمعايرة

تحتوي مرحلة الإدخال في AD5933 على op-amp في تكوين الملاحظات السلبية. هناك نوعان من المقاومات: واحد على التوالي (Rin) وواحد على التوازي (RFB). يتم إعطاء مكاسب المرجع أمبير بواسطة

أ = - RFB / رين

تحتاج مكاسب مدخلات op-amp و in-amp (و PGA) إلى التأكد من أن الإشارة التي تدخل إلى ADC لـ AD5933 تكون دائمًا ضمن 0V و VDD.

(أستخدم قيم كسب الوحدة في الأمبير والمقاوم التي ستعطي تقريبًا A = 0.5)

داخل AD5933 ADC ستحول إشارة الجهد إلى إشارة رقمية. يتم تحويل نطاق الجهد من 0V إلى VDD إلى النطاق الرقمي 0-128 (2 ^ 7). (التوثيق ليس واضحًا بشأن هذا ، لكن الفحص الدقيق للمخططات في [1] وبعض التجارب التي أجريتها من جانبي تؤكد ذلك.)

يوجد داخل وحدة DFT مقياس آخر لـ 256 (1024/4 ، راجع [1]) قبل حفظ النتيجة في السجل الحقيقي والتخيلي.

باتباع إشارة الجهد من خلال AFE ، إلى ADC واستخدام عوامل المقياس المذكورة من قبل ، من الممكن تقدير عامل الكسب ليكون:

g = (VDD * Rcurrent * Rin) / (256 * PGA * Upeak * RFB * 2 ^ 7)

قد تظل بعض المعايرة ضرورية ، لذا ضع في الاعتبار بعض التأثيرات التي ليست جزءًا من هذا النموذج الرياضي ، لذا يرجى قياس قيمة الكسب الحقيقية عن طريق قياس مكونات المعاوقة المعروفة ، مثل المقاومات. (ز = Z / ماج ، انظر أدناه)

يمكن الآن حساب الممانعة بواسطة

Z = ز * ماج

mag = sqrt (حقيقي ^ 2 + تخيلي ^ 2)

PA = arctan2 (حقيقي ، وهمي) - deltaPA

ربما تحتاج السلطة الفلسطينية إلى المعايرة بالإضافة إلى وجود تحول منتظم في الطور كدالة للتردد في 5933 م. من المحتمل أن تكون deltaPA دالة خطية للتردد.

يمكن الآن حساب المقاومة والمفاعلة بواسطة

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

المراجع: [1] ليونيد ماتسييف ، "تحسين أداء وتعدد استخدامات الأنظمة القائمة على أجهزة كشف DFT أحادية التردد مثل AD5933" ، إلكترونيات 2015 ، 4 ، 1-34 ؛ دوى: 10.3390 / إلكترونيات4010001

الخطوة 6: العناصر المتقدمة: التسرب الطيفي (DC)

إن الإشارة التي وضعناها في AD5933 هي جهد / تيار كوظيفة للوقت ، لكن اهتمامنا الرئيسي هو الممانعة كوظيفة للتردد. للتحويل بين المجال الزمني ومجال التردد ، نحتاج إلى أخذ تحويل فورييه لإشارة المجال الزمني. يحتوي الطراز AD5933 على وحدة تحويل فورييه (DFT) المنفصلة المدمجة. عند الترددات المنخفضة (أقل من kHz 10 تقريبًا) يتأثر البناء في DFT بالتشويش والتسرب الطيفي. في [1] درس الرياضيات الخاصة بكيفية تصحيح التسرب الطيفي. جوهر هذا هو حساب خمسة (زائد اثنين) ثوابت لكل خطوة تردد في عملية المسح. يمكن القيام بذلك بسهولة على سبيل المثال بواسطة Arduino في البرنامج.

يأتي التسرب في شكلين: تسرب DC وهو مادة مضافة بطبيعتها وتسرب AC وهو مضاعف في طبيعته.

ينبع تسرب التيار المستمر من حقيقة أن إشارة الجهد في ADC لا تتأرجح حول 0 فولت ولكن حول VDD / 2. يجب أن يتوافق مستوى DC VDD / 2 مع قراءة رقمية للتيار المستمر تقريبًا 64 (دلتا محددة في [1]).

خطوات تصحيح التسرب الطيفي للتيار المستمر:

1) احسب عامل المغلف E للتردد الحالي.

2) احسب عاملي الكسب GI (الحقيقي) و GQ (التخيلي)

3) اطرح دلتا * GI من قيمة السجل الحقيقي ودلتا * GQ من قيمة السجل التخيلي

مراجع:

[1] ليونيد ماتسييف ، "تحسين الأداء وتعدد استخدامات الأنظمة على أساس

كاشفات DFT أحادية التردد مثل AD5933 ، إلكترونيات 2015 ، 4 ، 1-34 ؛ دوى: 10.3390 / إلكترونيات 4010001

[2] كونراد تشابوفسكي ، توماش بياسيكي ، أندريه دزيركا ، كارول نيتش ، "مقياس مقاومة نطاق التردد الواسع البسيط على أساس الدائرة المتكاملة AD5933" ، مترو. القياس. النظام ، المجلد. XXII (2015) ، العدد 1 ، الصفحات 13-24.

الخطوة 7: العناصر المتقدمة: التسرب الطيفي (AC)

مثل تسرب التيار المستمر ، يمكن تصحيح تسرب التيار المتردد رياضيًا. في [1] تسمى المقاومة والمفاعلة A * cos (phi) و A * sin (phi) على التوالي ، حيث يتوافق A مع حجم الممانعة و phi يتوافق مع زاوية الطور (PA).

خطوات تصحيح التسرب الطيفي للتيار المتردد:

1) احسب عامل المغلف E (ليس هو نفسه بالنسبة للتيار المستمر) للتردد الحالي.

2) احسب العوامل الثلاثة أ ، ب ، د. (القيم التقريبية عند الترددات الأعلى: a = d = 256 و b = 0)

3) يمكن الآن حساب المقاومة (Acos (phi)) والمفاعلة (Asin (phi)) بالوحدات الرقمية

المراجع: [1] ليونيد ماتسييف ، "تحسين أداء وتعدد استخدامات الأنظمة القائمة على أجهزة كشف DFT أحادية التردد مثل AD5933" ، إلكترونيات 2015 ، 4 ، 1-34 ؛ دوى: 10.3390 / إلكترونيات4010001

[2] كونراد تشابوفسكي ، توماسز بياسيكي ، أندريه دزيركا ، كارول نيتش ، "مقياس مقاومة نطاق التردد العريض البسيط على أساس الدائرة المتكاملة AD5933" ، مترو. القياس. النظام ، المجلد. XXII (2015) ، العدد 1 ، الصفحات 13-24.

الخطوة 8: العناصر المتقدمة: عامل الكسب النظري

بالنظر إلى النمذجة الرياضية لـ DFT ، يجب أن يكون من الممكن أيضًا تصميم AFE بالكامل رياضيًا. رياضياً ، يمكن وصف إشارة الجهد بوظيفة جيبية بتردد ثابت معين ، وإزاحة التيار المستمر ، وتذبذب التيار المتردد بسعة الذروة. التردد لا يتغير خلال خطوة التردد. نظرًا لأن عامل الكسب يغير فقط حجم الممانعة وليس السلطة الفلسطينية ، فلن نهتم بأي تحول طور ناتج عن الإشارة.

فيما يلي ملخص قصير لإشارة الجهد أثناء انتشارها عبر AFE:

1) بعد مرحلة إعادة التحيز ، لا تزال سعة التيار المتردد Upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) وتم تغيير تعويض DC إلى VDD / 2.

2) في مقاوم الاستشعار الحالي ، يكون الجهد ثابتًا مثل المرحلة السابقة …

3) … ولكن نظرًا للجهد المتأرجح لجهاز op-amp ، فإن تذبذبات التيار المتردد لها حجم Z * Upeak / Rcurrent. (يتم إلغاء إزاحة التيار المستمر عن طريق الجهد المرجعي لأمبير المرجع لـ VDD / 2 - النقطة المحورية للأرجوحة - ويصبح أرضية فاضلة في هذا الجزء من الدائرة)

4) تضيف الوحدة in-amp إزاحة DC لـ VDD / 2 مرة أخرى وتعيد توجيه الإشارة إلى مرحلة الإدخال في AD5933

5) يمتلك op-amp في مرحلة الإدخال مكاسب A = -RFB / Rin وبالتالي تصبح سعة التيار المتردد (Z * Upeak / Rcurrent) * (RFB / Rin)

6) قبل ADC مباشرة ، يوجد مضخم كسب قابل للبرمجة (PGA) بإعدادين يكسبان 1 أو 5. وبالتالي تصبح إشارة الجهد في ADC: PGA * (Z * Upeak / Rcurrent) * (RFB / Rin)

يقوم ADC بتحويل إشارة v (t) إلى إشارة رقمية x (t) = u (t) / VDD * 2 ^ 7 بدقة 12 بت.

يتم توصيل المقدار A بالمقاومة Z بواسطة عامل الكسب ، k ، مثل A = k * Z وله قيمة تقريبية k = PGA * Upeak * RFB * 2 ^ 7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

إذا كنت ترغب في العمل مع Gain-faktor بدلاً من ذلك g = 1 / k و Z = g * A.

الخطوة 9: الأشياء المتقدمة: تحول السلطة الفلسطينية

في [2] وجدوا تحولًا منهجيًا في السلطة الفلسطينية كدالة للتردد. ويرجع ذلك إلى التأخير الزمني بين DAC حيث يتم إنشاء إشارة الإثارة و DFT حيث يجب أن تلتف الإشارة القادمة مع الإشارة الصادرة.

يتميز التحول بعدد دورات الساعة التي تتأخر فيها الإشارة بين DAC و DFT داخليًا في AD5933.

المراجع: [1] ليونيد ماتسييف ، "تحسين أداء وتعدد استخدامات الأنظمة القائمة على أجهزة كشف DFT أحادية التردد مثل AD5933" ، إلكترونيات 2015 ، 4 ، 1-34 ؛ دوى: 10.3390 / إلكترونيات4010001

[2] كونراد تشابوفسكي ، توماسز بياسيكي ، أندريه دزيركا ، كارول نيتش ، "مقياس مقاومة نطاق التردد العريض البسيط على أساس الدائرة المتكاملة AD5933" ، مترو. القياس. النظام ، المجلد. XXII (2015) ، العدد 1 ، الصفحات 13-24.