Erfassungs-, Verstärkungs- und Filterschaltungsdesign eines grundlegenden Elektrokardiogramms - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Um dieses anweisbare zu vervollständigen, sind die einzigen Dinge, die benötigt werden, ein Computer, ein Internetzugang und eine Simulationssoftware. Für die Zwecke dieses Designs werden alle Schaltungen und Simulationen auf LTspice XVII ausgeführt. Diese Simulationssoftware enthält Bibliotheken mit über 1.000 Komponenten, die das Erstellen von Schaltungen sehr einfach machen. Da diese Schaltungen verallgemeinert werden, wird der „UniversalOpAmp2“für jeden Fall verwendet, in dem ein Operationsverstärker benötigt wird. Zusätzlich wurde jeder Operationsverstärker von einem +15V- und -15V-Netzteil gespeist. Diese Netzteile versorgen nicht nur den Operationsverstärker, sondern beschneiden auch die Ausgangsspannung, wenn sie eines dieser beiden Extrema erreicht.

Schritt 1: Instrumentenverstärker-Design

Nachdem das Signal erfasst wurde, muss es verstärkt werden, um Berechnungen und Filterungen durchzuführen. Bei Elektrokardiogrammen ist die gebräuchlichste Verstärkungsmethode der Instrumentenverstärker. Wie bereits erwähnt, hat der Instrumentenverstärker viele Vorteile in Bezug auf Verstärkerschaltungen, wobei der größte die hohe Impedanz zwischen den Eingangsspannungen ist. Um diese Schaltung zu konstruieren, wurden 3 Operationsverstärker in Verbindung mit sieben Widerständen verwendet, wobei sechs der Widerstände betragsmäßig äquivalent waren. Die Verstärkung der meisten Elektrokardiogramme beträgt etwa das 1000-fache des Eingangssignals [1]. Die Gleichung für die Verstärkung eines Instrumentenverstärkers lautet wie folgt: Verstärkung = 1 + (2*R1/R2) * (R7/R6). Der Einfachheit halber wurde angenommen, dass jeder Widerstand 1000 Ohm hat, mit Ausnahme von R2, der mit 2 Ohm bestimmt wurde. Diese Werte ergeben eine 1001-mal größere Verstärkung als die Eingangsspannung. Diese Verstärkung reicht aus, um die erfassten Signale für die weitere Analyse zu verstärken. Unter Verwendung der Gleichung kann die Verstärkung jedoch beliebig sein, was man für ihr Schaltungsdesign wünscht.

Schritt 2: Bandpassfilter-Design

Ein Bandpassfilter ist ein Hochpassfilter und ein Tiefpassfilter, die normalerweise mit einem Operationsverstärker koordiniert arbeiten, um ein sogenanntes Durchlassband bereitzustellen. Ein Durchlassbereich ist ein Bereich von Frequenzen, der passieren kann, während alle anderen, darüber und darunter, abgelehnt werden. Industriestandards besagen, dass ein Standard-Elektrokardiogramm einen Durchlassbereich von 0,5 Hz bis 150 Hz haben muss [2]. Dieser große Durchlassbereich stellt sicher, dass das gesamte elektrische Signal des Herzens aufgezeichnet und nichts davon herausgefiltert wird. Ebenso weist dieser Durchlassbereich jeglichen DC-Offset zurück, der das Signal stören könnte. Um dies zu konzipieren, müssen spezifische Widerstände und Kondensatoren so gewählt werden, dass die Hochpass-Grenzfrequenz bei 0,5 Hz liegt und die Tiefpass-Grenzfrequenz bei 150 Hz liegt. Die Grenzfrequenzgleichung sowohl für den Hochpass- als auch für den Tiefpassfilter lautet wie folgt: Fc = 1/(2*pi*RC). Für meine Berechnungen wurde ein willkürlicher Widerstand gewählt, dann wurde mit Gleichung 4 ein Kondensatorwert berechnet. Daher hat der Hochpassfilter einen Widerstandswert von 100.000 Ohm und einen Kondensatorwert von 3,1831 Mikrofarad. Ebenso hat der Tiefpassfilter einen Widerstandswert von 100.000 Ohm und einen Kondensatorwert von 10,61 Nanofarad. Ein Diagramm des Bandpassfilters mit den eingestellten Werten wird angezeigt.

Schritt 3: Notch-Filter-Design

Ein Notch-Filter ist im Wesentlichen das Gegenteil eines Bandpassfilters. Anstatt einen Hochpass gefolgt von einem Tiefpass zu haben, ist es ein Tiefpass gefolgt von einem Hochpass, daher kann man im Wesentlichen ein kleines Rauschband eliminieren. Für den Notch-Filter des Elektrokardiogramms wurde ein Twin-T-Notch-Filter-Design verwendet. Dieses Design ermöglicht das Filtern einer Mittenfrequenz und bietet einen großen Qualitätsfaktor. In diesem Fall lag die zu beseitigende Mittenfrequenz bei 60 Hz. Unter Verwendung von Gleichung 4 wurden die Widerstandswerte unter Verwendung eines gegebenen Kondensatorwertes von 0,1 Mikrofarad berechnet. Die berechneten Widerstandswerte für ein 60-Hz-Sperrband waren 26,525 Ohm. Dann wurde R5 als 1/2 von R3 und R4 berechnet. C3 wurde auch als das Doppelte des für C1 und C2 gewählten Wertes berechnet [3]. Für R1 und R2 wurden beliebige Widerstände gewählt.

Schritt 4: Kombinationsschaltung

Mit Hilfe von Netzen wurden diese Komponenten in Reihe geschaltet und das Bild der fertigen Schaltung abgebildet. Laut einem von Springer Science veröffentlichten Papier sollte eine akzeptable Verstärkung der EKG-Schaltung bei etwa 70 dB liegen, wenn die gesamte Schaltung aufgebaut ist [4].

Schritt 5: Testen des gesamten Stromkreises

Wenn alle Komponenten in einer Serie platziert wurden, war eine Validierung des Designs erforderlich. Beim Testen dieser Schaltung wurden sowohl ein transienter als auch ein AC-Sweep durchgeführt, um festzustellen, ob alle Komponenten im Einklang arbeiteten. Wenn dies der Fall wäre, würde die transiente Ausgangsspannung immer noch etwa das 1000-fache der Eingangsspannung betragen. Ebenso würde bei Durchführung des AC-Sweeps ein Bandpassfilter-Bode-Plot mit einer Kerbe bei 60 Hz erwartet. Betrachtet man die abgebildeten Bilder, konnte diese Strecke beide Ziele erfolgreich erreichen. Ein weiterer Test war, die Effizienz des Kerbfilters zu sehen. Um dies zu testen, wurde ein 60-Hz-Signal durch die Schaltung geleitet. Wie abgebildet, war die Größe dieser Ausgabe nur etwa 5x größer als die der Eingabe, verglichen mit 1000x, wenn die Frequenz innerhalb des Durchlassbereichs liegt.

Schritt 6: Ressourcen:

[1] „ECG Measurement System“, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (Zugriff am 01.12. 2020).

[2] L. G. Tereshchenko und M. E. Josephson, „Frequenzinhalt und Eigenschaften der ventrikulären Leitung“, Journal of Electrocardiology, vol. 48, nein. 6, S. 933–937, 2015, doi: 10.1016/j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] „Bandstoppfilter werden Reject Filters genannt“, Basic Electronics Tutorials, 22. Mai 2018.

[4] N. Guler und U. Fidan, „Drahtlose Übertragung von EKG-Signalen“, Springer Science. vol. 30, Apr. 2005, doi: 10.1007/s10916-005-7980-5.