स्वचालित ईसीजी: एलटीस्पाइस का उपयोग करके प्रवर्धन और फ़िल्टर सिमुलेशन: 5 कदम

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:18

यह अंतिम उपकरण की तस्वीर है जिसे आप बना रहे हैं और प्रत्येक भाग के बारे में बहुत गहन चर्चा है। प्रत्येक चरण के लिए गणनाओं का भी वर्णन करता है।

छवि इस उपकरण के लिए ब्लॉक आरेख दिखाती है

तरीके और सामग्री:

इस परियोजना का उद्देश्य एक विशिष्ट जैविक संकेत को चिह्नित करने/सिग्नल पर प्रासंगिक डेटा एकत्र करने के लिए एक सिग्नल अधिग्रहण उपकरण विकसित करना था। अधिक विशेष रूप से, एक स्वचालित ईसीजी। चित्र 3 में दिखाया गया ब्लॉक आरेख डिवाइस के लिए प्रस्तावित योजनाबद्ध पर प्रकाश डालता है। डिवाइस एक इलेक्ट्रोड के माध्यम से जैविक संकेत प्राप्त करेगा और फिर 1000 के लाभ के साथ एक एम्पलीफायर का उपयोग करके इसे बढ़ा देगा। यह प्रवर्धन आवश्यक है क्योंकि जैविक संकेत लगभग 5mV से कम होगा जो बहुत छोटा है और इसकी व्याख्या करना कठिन हो सकता है [5]। बाद में, सिग्नल के लिए वांछित आवृत्ति रेंज प्राप्त करने के लिए बैंडपास फिल्टर का उपयोग करके शोर को कम किया जाएगा, 0.5-150 हर्ट्ज, और फिर 50-60 हर्ट्ज के आसपास पाए जाने वाले पावरलाइन के कारण सामान्य आसपास के शोर को दूर करने के लिए एक पायदान का पालन करेगा। [1 1]। अंत में, सिग्नल को फिर डिजिटल में परिवर्तित करने की आवश्यकता होती है ताकि कंप्यूटर का उपयोग करके इसकी व्याख्या की जा सके और यह एनालॉग से डिजिटल कनवर्टर के साथ किया जाता है। हालांकि इस अध्ययन में मुख्य रूप से एम्पलीफायर, बैंडपास फिल्टर और नॉच फिल्टर पर ध्यान दिया जाएगा।

एम्पलीफायर, बैंडपास फिल्टर, और नॉच फिल्टर सभी को LTSpice का उपयोग करके डिज़ाइन और नकली किया गया था। प्रत्येक अनुभाग को पहले अलग से विकसित किया गया था और यह सुनिश्चित करने के लिए परीक्षण किया गया था कि उन्होंने ठीक से प्रदर्शन किया है और फिर एक अंतिम योजनाबद्ध में संयोजित किया गया है। एम्पलीफायर, जिसे चित्र 4 में देखा जा सकता है, को एक इंस्ट्रूमेंटेशनल एम्पलीफायर के आधार पर डिजाइन और आधारित किया गया था। एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर आमतौर पर ईसीजी, तापमान मॉनिटर और यहां तक कि भूकंप डिटेक्टरों में उपयोग किया जाता है क्योंकि यह अतिरिक्त शोर को खारिज करते हुए बहुत कम स्तर के सिग्नल को बढ़ा सकता है। किसी भी लाभ की आवश्यकता के लिए समायोजित करने के लिए संशोधित करना भी बहुत आसान है [६]। सर्किट के लिए वांछित लाभ 1000 है और इसे चुना गया था क्योंकि इलेक्ट्रोड से इनपुट 5 एमवी [5] से कम एसी सिग्नल होगा और डेटा को व्याख्या करने में आसान बनाने के लिए इसे बढ़ाना होगा। 1000 का लाभ प्राप्त करने के लिए, समीकरण (1) GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3) का उपयोग किया गया था जिससे GAIN=(1+(5000Ω+5000Ω)/101.01Ω प्राप्त हुआ।)(१०००Ω/१००Ω) = १०००। यह पुष्टि करने के लिए कि प्रवर्धन की सही मात्रा हासिल की गई थी, एलटीस्पाइस का उपयोग करके एक क्षणिक परीक्षण किया गया था।

दूसरा चरण एक बैंडपास फिल्टर था। यह फ़िल्टर चित्र 5 में देखा जा सकता है और इसमें एक कम पास और फिर बीच में एक ऑपरेशनल एम्पलीफायर के साथ एक उच्च पास फ़िल्टर होता है ताकि फ़िल्टर को एक दूसरे को रद्द करने से रोका जा सके। इस चरण का उद्देश्य आवृत्तियों की एक निश्चित श्रेणी का उत्पादन करना है जो डिवाइस से गुजरने के लिए स्वीकार्य होगा। इस उपकरण के लिए वांछित सीमा 0.5 - 150 हर्ट्ज है क्योंकि यह ईसीजी के लिए मानक सीमा है [6]। इस लक्ष्य सीमा को प्राप्त करने के लिए, समीकरण (2) कटऑफ आवृत्ति = 1/(2πRC) का उपयोग बैंडपास के भीतर उच्च पास और निम्न पास फ़िल्टर दोनों के लिए कटऑफ आवृत्ति निर्धारित करने के लिए किया गया था। चूंकि सीमा के निचले सिरे को 0.5 हर्ट्ज की आवश्यकता होती है, इसलिए उच्च पास फिल्टर रोकनेवाला और संधारित्र मानों की गणना 0.5 हर्ट्ज = 1/(2π*1000Ω*318.83μF) और ऊपरी छोर 150 हर्ट्ज होने की आवश्यकता के साथ की गई थी, निम्न पास फिल्टर रोकनेवाला और संधारित्र मूल्यों की गणना १५० हर्ट्ज = १/(२π*1000Ω*1.061μF) होने के लिए की गई थी। यह पुष्टि करने के लिए कि सही फ़्रीक्वेंसी रेंज हासिल की गई थी, एलटीस्पाइस का उपयोग करके एक एसी स्वीप चलाया गया था।

तीसरा और अंतिम सिम्युलेटेड चरण नॉच फिल्टर है और इसे चित्र 6 में देखा जा सकता है। नॉच फिल्टर बैंडपास द्वारा बनाई गई वांछित आवृत्ति रेंज के बीच में होने वाले अवांछित शोर को खत्म करने के साधन के रूप में कार्य करता है। इस मामले में लक्ष्य आवृत्ति ६० हर्ट्ज है क्योंकि यह संयुक्त राज्य अमेरिका में मानक बिजली लाइन आवृत्ति है और [7] से निपटने के लिए हस्तक्षेप का कारण बनता है। इस हस्तक्षेप को संभालने के लिए चुना गया नॉच फिल्टर दो ऑप एम्प्स और एक वोल्टेज डिवाइडर के साथ एक ट्विन टी नॉच फिल्टर था। यह सिग्नल को न केवल लक्ष्य आवृत्ति पर सीधे सिग्नल को फ़िल्टर करने की अनुमति देगा बल्कि सिस्टम में एक परिवर्तनीय प्रतिक्रिया, एक समायोज्य गुणवत्ता कारक क्यू, और परिवर्तनीय आउटपुट वोल्टेज विभक्त के लिए धन्यवाद और इसलिए इसे एक सक्रिय फ़िल्टर बना देता है एक निष्क्रिय [8]। हालाँकि इन अतिरिक्त कारकों को प्रारंभिक परीक्षणों में ज्यादातर अछूता छोड़ दिया गया था, लेकिन भविष्य के कार्यों में और बाद में परियोजना को कैसे बेहतर बनाया जाए, इस पर ध्यान दिया जाएगा। अस्वीकृति आवृत्ति का केंद्र निर्धारित करने के लिए, समीकरण (3) केंद्र अस्वीकृति आवृत्ति=1/(2π)*√(1/(C2*C3*R5*(R3+R4))) = 1/(2π)* √(1/[(0.1*10^-6μF)*(0.1*10^-6μF)(15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 Hz कार्यरत था। यह पुष्टि करने के लिए कि सही अस्वीकृति आवृत्ति हासिल की गई थी, एलटीस्पाइस का उपयोग करके एक एसी स्वीप चलाया गया था।

अंत में, प्रत्येक चरण का अलग-अलग परीक्षण किए जाने के बाद, तीन चरणों को जोड़ दिया गया जैसा कि चित्र 7 में देखा गया है। यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि सभी सेशन amps को पर्याप्त प्रवर्धन की अनुमति देने के लिए +15V और -15V DC बिजली की आपूर्ति के साथ आपूर्ति की गई थी। आवश्यकता पड़ने पर घटित होना। फिर पूर्ण सर्किट पर एक क्षणिक परीक्षण और एक एसी स्वीप दोनों का प्रदर्शन किया गया।

परिणाम:

प्रत्येक चरण के रेखांकन परिशिष्ट में चित्र अनुभाग में सीधे अपने संबंधित चरण के अंतर्गत पाए जा सकते हैं। पहले चरण के लिए, इंस्ट्रुमेंटेशनल एम्पलीफायर, सर्किट पर एक क्षणिक परीक्षण चलाया गया ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि एम्पलीफायर के लिए लाभ 1000 था। परीक्षण 1 - 1.25 सेकंड से चला, जिसमें अधिकतम समय 0.05 था। आपूर्ति की गई वोल्टेज 0.005 वी के आयाम और 50 हर्ट्ज की आवृत्ति के साथ एक एसी साइन लहर थी। इच्छित लाभ 1000 था और जैसा कि चित्र 4 में देखा गया है, क्योंकि वाउट (हरा वक्र) का आयाम 5V था। नकली लाभ की गणना की गई, लाभ = वाउट / विन = 5 वी / 0.005 वी = 1000। इसलिए, इस चरण के लिए प्रतिशत त्रुटि 0% है। 0.005V को इस खंड के लिए इनपुट के रूप में चुना गया था क्योंकि यह विधि अनुभाग में उल्लिखित इलेक्ट्रोड से प्राप्त इनपुट से निकटता से संबंधित होगा।

दूसरे चरण, बैंडपास फिल्टर, की लक्ष्य सीमा 0.5 - 150 हर्ट्ज थी। फ़िल्टर का परीक्षण करने और यह सुनिश्चित करने के लिए कि एक दशक में, एसी स्वीप को 0.01 - 1000 हर्ट्ज से प्रति दशक 100 अंकों के साथ चलाया गया था। चित्रा 5 एसी स्वीप से परिणाम दिखाता है और पुष्टि करता है कि 0.5 से 150 हर्ट्ज की आवृत्ति रेंज हासिल की गई थी क्योंकि अधिकतम शून्य से 3 डीबी कटऑफ आवृत्ति देता है। इस विधि को ग्राफ पर दर्शाया गया है।

तीसरे चरण, नॉच फिल्टर को 60 हर्ट्ज के आसपास पाए जाने वाले शोर को खत्म करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। अस्वीकृति आवृत्ति का परिकलित केंद्र ~ ५६ हर्ट्ज़ था। इसकी पुष्टि के लिए एक दशक में 0.01 - 1000 हर्ट्ज से एक दशक में 100 अंकों के साथ एसी स्वीप चलाया गया। चित्रा 6 एसी स्वीप से परिणाम दिखाता है और अस्वीकृति आवृत्ति ~ 56-59 हर्ट्ज के केंद्र को दिखाता है। इस खंड के लिए प्रतिशत त्रुटि 4.16% होगी।

यह पुष्टि करने के बाद कि प्रत्येक व्यक्तिगत चरण काम कर रहा था, तीन चरणों को फिर से इकट्ठा किया गया जैसा कि चित्र 7 में देखा गया है। फिर सर्किट के प्रवर्धन की जांच के लिए एक क्षणिक परीक्षण चलाया गया और परीक्षण 1 - 1.25 सेकंड से चला, जिसमें अधिकतम समय चरण 0.05 था। 0.005 वी के आयाम और 50 हर्ट्ज की आवृत्ति के साथ एक एसी साइन लहर की आपूर्ति वोल्टेज। परिणामी ग्राफ चित्र 7 में पहला ग्राफ है जो Vout3 (लाल) दिखाता है, पूरे सर्किट का आउटपुट 3.865 V है और इसलिए लाभ = 3.865V/0.005V = 773 है। यह 1000 के इच्छित लाभ से काफी अलग है। और 22.7% की त्रुटि देता है। एक दशक के क्षणिक परीक्षण के बाद, एसी स्वीप को 0.01 - 1000 हर्ट्ज से प्रति दशक 100 अंकों के साथ चलाया गया और चित्र 7 में दूसरा ग्राफ तैयार किया गया। यह ग्राफ इच्छित परिणामों पर प्रकाश डालता है और एक फिल्टर का उत्पादन करने के लिए मिलकर काम करने वाले फिल्टर को दिखाता है 57.5-58.8 हर्ट्ज से अस्वीकृति केंद्र के साथ 0.5-150 हर्ट्ज से आवृत्तियों को स्वीकार करता है।

समीकरण:

(१) - इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का लाभ [६], चित्र ४ में पाए गए प्रतिरोधकों के सापेक्ष प्रतिरोधक।

(२) - कम / उच्च पास फिल्टर के लिए कटऑफ आवृत्ति

(३) - ट्विन टी नॉच फिल्टर [८] के लिए, चित्र ६ में पाए गए प्रतिरोधकों के सापेक्ष प्रतिरोधक।

चरण 1: इंस्ट्रुमेंटेशनल एम्पलीफायर

स्टेज 1: इंस्ट्रूमेंटेशनल एम्पलीफायर

समीकरण - GAIN=(1+(R2+R4)/R1)(R6/R3)

चरण 2: बैंडपास

चरण 2: बैंडपास फ़िल्टर

समीकरण: कटऑफ आवृत्ति = 1/2πRC

चरण 3: चरण 3: पायदान फ़िल्टर

स्टेज 3: ट्विन टी नॉच फिल्टर

समीकरण - केंद्र अस्वीकृति आवृत्ति=1/2π √(1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

चरण 4: एक साथ सभी चरणों की अंतिम योजना

एसी स्वीप और क्षणिक वक्र के साथ अंतिम योजनाबद्ध

चरण 5: डिवाइस की चर्चा

विचार - विमर्श:

ऊपर किए गए परीक्षणों के परिणाम समग्र रूप से सर्किट के लिए अपेक्षित थे। हालांकि प्रवर्धन सही नहीं था और सिग्नल थोड़ा कम हो गया और यह सर्किट के माध्यम से आगे चला गया (जिसे चित्र 7 में देखा जा सकता है, ग्राफ 1 जहां पहले चरण के बाद सिग्नल 0.005V से बढ़कर 5V हो गया और फिर दूसरे चरण के बाद घटकर 4V हो गया। और फिर अंतिम चरण के बाद 3.865V), बैंडपास और नॉच फिल्टर ने हालांकि इरादा के अनुसार काम किया और लगभग 57.5-58.8 हर्ट्ज की आवृत्ति को हटाने के साथ 0.5-150 हर्ट्ज की आवृत्ति रेंज का उत्पादन किया।

अपने सर्किट के लिए पैरामीटर स्थापित करने के बाद, मैंने इसकी तुलना दो अन्य ईसीजी से की। केवल संख्याओं के साथ अधिक प्रत्यक्ष तुलना तालिका 1 में पाई जा सकती है। मेरे डेटा की साहित्य के अन्य स्रोतों से तुलना करते समय तीन प्रमुख निष्कर्ष थे। पहला यह था कि मेरे सर्किट में प्रवर्धन अन्य दो की तुलना में काफी कम था जिसकी मैं तुलना कर रहा था। दोनों साहित्य स्रोतों के सर्किट ने 1000 का प्रवर्धन हासिल किया और गवली के ईसीजी [9] में, फ़िल्टर चरण में 147 के कारक द्वारा सिग्नल को और भी बढ़ाया गया था। इसलिए, हालांकि मेरे सर्किट में संकेत 773 (मानक प्रवर्धन की तुलना में 22.7% त्रुटि) द्वारा प्रवर्धित किया गया था और इलेक्ट्रोड से इनपुट सिग्नल की व्याख्या करने में सक्षम होने के लिए पर्याप्त समझा गया था [6], यह अभी भी मानक प्रवर्धन की तुलना में बौना है। 1000. यदि मेरे सर्किट में मानक प्रवर्धन प्राप्त किया जाना था, तो इंस्ट्रुमेंटेशनल एम्पलीफायर में एम्पलीफिकेशन को 1000 से अधिक कारक तक बढ़ाने की आवश्यकता होगी ताकि जब मेरे सर्किट में प्रत्येक फ़िल्टर चरण से गुजरने के बाद लाभ कम हो जाए, इसमें अभी भी कम से कम 1000 का लाभ है या उच्च वोल्टेज ड्रॉप स्तर को होने से रोकने के लिए फ़िल्टर को समायोजित करने की आवश्यकता है।

दूसरा प्रमुख उपाय यह था कि तीनों सर्किटों में बहुत समान आवृत्ति रेंज थीं। गवली की [९] की रेंज ठीक ०.५-१५० हर्ट्ज़ की थी जबकि गोवा [१०] में ०.०५-१५९ हर्ट्ज़ की थोड़ी व्यापक रेंज थी। गोवा के सर्किट में यह मामूली विसंगति थी क्योंकि यह रेंज डेटा अधिग्रहण कार्ड के लिए बेहतर अनुकूल थी जिसका उपयोग उनके सेटअप में किया जा रहा था।

अंतिम प्रमुख टेकअवे प्रत्येक सर्किट में नॉच फिल्टर द्वारा प्राप्त अस्वीकृति आवृत्तियों के केंद्र में अंतर था। गाओ और मेरे सर्किट दोनों का लक्ष्य ६० हर्ट्ज़ का लक्ष्य था ताकि लाइन आवृत्ति शोर के कारण बिजली लाइनों को दबाया जा सके जबकि गवाली को ५० हर्ट्ज पर सेट किया गया था। हालाँकि, यह विसंगति ठीक है क्योंकि दुनिया में स्थान के आधार पर, बिजली लाइन की आवृत्ति 50 या 60 हर्ट्ज हो सकती है। इसलिए, सीधे तुलना गोवा के सर्किट से की गई क्योंकि संयुक्त राज्य अमेरिका में बिजली लाइन का हस्तक्षेप ६० हर्ट्ज [११] है। प्रतिशत त्रुटि 3.08% है।