Avtomatik EKQ: LTspice istifadə edərək gücləndirmə və filtrasiya simulyasiyaları: 5 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:43

Bu, quracağınız son cihazın şəklidir və hər bir hissə haqqında çox dərin bir müzakirədir. Həm də hər bir mərhələ üçün hesablamaları təsvir edir.

Şəkil bu cihazın blok diaqramını göstərir

Metod və materiallar:

Bu layihənin məqsədi, müəyyən bir bioloji siqnalı xarakterizə etmək/siqnal haqqında müvafiq məlumatları toplamaq üçün bir siqnal toplama cihazı hazırlamaq idi. Daha dəqiq desək, avtomatlaşdırılmış EKQ. Şəkil 3 -də göstərilən blok diaqramı cihazın təklif olunan sxemini vurğulayır. Cihaz bioloji siqnalı bir elektrod vasitəsi ilə alacaq və sonra onu 1000 mənfəət əldə edən bir gücləndirici istifadə edərək gücləndirəcək. Bu gücləndirmə zəruridir, çünki bioloji siqnal təxminən 5 mV -də çox azdır və çox çətin və şərh etmək çətin ola bilər [5]. Daha sonra, siqnal üçün istədiyiniz frekans aralığını əldə etmək üçün 0,5-150 Hz, sonra 50-60 Hz ətrafında olan elektrik xətlərinin yaratdığı normal səs-küyü aradan qaldırmaq üçün bir çentik izləyərək bir bant filtri istifadə edərək azaldıla bilər. [11]. Nəhayət, siqnalın kompüterdən istifadə edərək təfsir oluna bilməsi üçün rəqəmsal formaya çevrilməsi lazımdır və bu analoqdan rəqəmsal çeviriciyə çevrilir. Bununla birlikdə, bu işdə diqqət ilk növbədə gücləndiriciyə, bant keçid filtrinə və çentik filtrinə yönəldiləcəkdir.

Gücləndirici, bant keçidi filtri və çentik filtri LTSpice istifadə edərək dizayn və simulyasiya edilmişdir. Hər bölmə əvvəlcə ayrı -ayrılıqda işlənmiş və düzgün yerinə yetirildiklərindən əmin olmaq üçün sınaqdan keçirilmiş və sonra yekun bir sxemə birləşdirilmişdir. Şəkil 4 -də görülə bilən gücləndirici bir alət gücləndiricisindən hazırlanmışdır. Bir alət gücləndiricisi ümumiyyətlə EKQ-də, temperatur monitorlarında və hətta zəlzələ detektorlarında istifadə olunur, çünki həddindən artıq səs-küyü rədd edərkən çox aşağı səviyyədə siqnal gücləndirə bilir. Lazım olan hər hansı bir qazanc üçün tənzimləmək üçün dəyişdirmək də çox asandır [6]. Dövrə üçün arzu olunan qazanc 1000 -dir və elektroddan gələn giriş 5 mV [5] -dən az bir AC siqnalı olacağından seçildi və məlumatların təfsirini asanlaşdırmaq üçün gücləndirilməlidir. 1000 qazanc əldə etmək üçün (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) tənliyi istifadə edildi, bu səbəbdən GAIN = (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω verdi)) (1000Ω/100Ω) = 1000. Doğru amplifikasiyanın əldə edildiyini təsdiq etmək üçün LTspice istifadə edərək müvəqqəti bir sınaq keçirildi.

İkinci mərhələ bant keçid filtridir. Bu filtr Şəkil 5 -də görülə bilər və filtrlərin bir -birini ləğv etməməsi üçün aralarında əməliyyat gücləndiricisi olan aşağı keçiddən sonra yüksək keçid filtrindən ibarətdir. Bu mərhələnin məqsədi cihazdan keçmək üçün məqbul olacaq müəyyən bir sıra tezliklər istehsal etməkdir. Bu cihaz üçün istənilən diapazon 0,5 - 150 Hz -dir, çünki bu EKQ üçün standart diapazondur [6]. Bu hədəf aralığına çatmaq üçün, bant keçidində həm yüksək keçid, həm də aşağı keçmə filtrinin kəsilmə tezliyini təyin etmək üçün (2) kəsilmə tezliyi = 1/(2πRC) tənliyindən istifadə edilmişdir. Aralığın aşağı ucunun 0.5 Hz olması lazım olduğundan, yüksək keçid filtri rezistoru və kondansatör dəyərləri 0.5 Hz = 1/(2π*1000Ω*318.83µF) və yuxarı ucu 150 Hz olması üçün hesablandı. keçid filtri rezistoru və kondansatör dəyərləri 150 Hz = 1/(2π*1000Ω*1.061µF) olaraq hesablandı. Doğru tezlik aralığının əldə edildiyini təsdiqləmək üçün LTspice istifadə edərək bir AC süpürgəsi işə salındı.

Üçüncü və son simulyasiya mərhələsi çentik filtridir və onu Şəkil 6 -da görmək olar. Çentik filtri, bant ötürücüsünün yaratdığı istənilən tezlik aralığının ortasında yaranan arzuolunmaz səs -küyü aradan qaldırmaq üçün bir vasitə kimi xidmət edir. Bu vəziyyətdə hədəf tezliyi 60 Hz -dir, çünki bu, ABŞ -da standart elektrik xətti tezliyidir və həll edilməsə müdaxiləyə səbəb olur [7]. Bu müdaxiləni idarə etmək üçün seçilmiş çentik filtri, iki op amperli və gərginlik bölücü olan ikiqat çentikli bir filtr idi. Bu, siqnalın yalnız hədəf tezliyindəki siqnalı süzməklə kifayətlənməyəcək, həm də sistemə dəyişən geribildirim, tənzimlənən keyfiyyət faktoru Q və gərginlik bölücü sayəsində dəyişən çıxış təqdim etməsinə imkan verəcək və buna görə də onu aktiv filtr yerinə passiv [8]. Bu əlavə faktorlar, ilk sınaqlarda daha çox toxunulmamış qaldı, lakin gələcək işlərdə və daha sonra layihənin necə yaxşılaşdırılacağına toxunulacaq. Rədd tezliyinin mərkəzini təyin etmək üçün tənlik (3) mərkəzdən imtina tezliyi = 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 istifadə edilmişdir. Düzgün rədd edilmə tezliyinin əldə edildiyini təsdiq etmək üçün LTspice istifadə edərək bir AC süpürgəsi işə salındı.

Nəhayət, hər bir mərhələ ayrı -ayrılıqda sınaqdan keçirildikdən sonra, üç mərhələ Şəkil 7 -də göründüyü kimi birləşdirildi. Həm də nəzərə alınmalıdır ki, əhəmiyyətli dərəcədə gücləndirilməsini təmin etmək üçün bütün op amperləri +15V və -15V DC enerji təchizatı ilə təchiz edilmişdir. lazım gəldikdə baş verməlidir. Sonra tamamlanmış dövrədə həm keçici bir test, həm də AC süpürgəsi edildi.

Nəticələr:

Hər bir mərhələ üçün qrafikləri birbaşa əlavənin Şəkil bölməsində müvafiq mərhələsinin altında tapa bilərsiniz. Gücləndiricinin qazancının 1000 olduğunu yoxlamaq üçün ilk mərhələdə alət gücləndiricisi olan dövrə üzərində keçici bir sınaq keçirildi. Test 1 - 1.25 saniyədən maksimum 0,05 vaxt addımıyla keçdi. Verilən gərginlik, amplitudu 0,005 V və tezliyi 50 Hz olan AC sinus dalğası idi. Gözlənilən qazanc 1000 idi və Şəkil 4 -də göründüyü kimi, Vout (yaşıl əyri) 5V amplituduna malik idi. Simulyasiya edilmiş qazanc, mənfəət = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000 olaraq hesablandı. Buna görə də bu mərhələ üçün səhv xətası 0%-dir. Metodlar bölməsində qeyd edildiyi kimi bir elektroddan alınan girişlə yaxından əlaqəli olduğu üçün bu bölmə üçün 0.005V giriş olaraq seçildi.

İkinci mərhələ, bant keçidi filtrinin hədəf aralığı 0,5 - 150 Hz idi. Filtri sınamaq və aralığın uyğun gəldiyinə əmin olmaq üçün on il ərzində AC süpürgəsi 0,01 - 1000 Hz arasında hər on ildə 100 bal ilə aparılmışdır. Şəkil 5, AC süpürgəsinin nəticələrini göstərir və maksimum mənfi 3 dB kəsilmə tezliyini verdiyindən 0,5 ilə 150 Hz arasında bir tezlik aralığının əldə edildiyini təsdiq edir. Bu üsul qrafikdə göstərilmişdir.

Üçüncü mərhələ, çentik filtri, 60 Hz ətrafında olan səs -küyü aradan qaldırmaq üçün hazırlanmışdır. Hesablanmış rədd tezliyinin mərkəzi ~ 56 Hz idi. Bunu təsdiq etmək üçün on il ərzində AC süpürgəsi hər 10 ildə 0.01 - 1000 Hz aralığında 100 bal ilə keçirildi. Şəkil 6, AC süpürgəsinin nəticələrini göstərir və ~ 56-59 Hz rədd tezliyi mərkəzini göstərir. Bu bölmə üçün səhv səhv 4.16 %olardı.

Hər bir mərhələnin işlədiyini təsdiqlədikdən sonra, üç mərhələ Şəkil 7 -də göründüyü kimi bir araya gətirildi. Sonra dövrənin gücləndirilməsini yoxlamaq üçün keçici bir test edildi və test 1 ilə 1.25 saniyəyə qədər maksimum 0,05 addım addım ilə 0,005 V amplituda və 50 Hz tezliyi olan bir AC sinus dalğasının təchiz edilmiş gərginliyi. Yaranan qrafik, Şəkil 7 -dəki bütün dövrənin çıxışı 3.865 V olan və buna görə də qazanc = 3.865V/0.005V = 773 edən Vout3 (qırmızı) göstərən ilk qrafikdir. və 22.7%səhv verir. Keçici testdən sonra, on il ərzində, AC süpürgəsi 0.01 - 1000 Hz -dən on ildə 100 bal ilə işləndi və Şəkil 7 -də ikinci qrafiki hazırladı. Bu qrafik nəzərdə tutulan nəticələri vurğulayır və bir filtr istehsal etmək üçün tandemdə işləyən filtrləri göstərir. 57.5-58.8 Hz arasında bir rədd mərkəzi ilə 0.5-150 Hz tezlikləri qəbul edir.

Tənliklər:

(1) - alət gücləndiricisinin [6], Şəkil 4 -də göstərilənlərə nisbətən rezistorların qazancı.

(2) - aşağı/yüksək keçid filtri üçün kəsilmə tezliyi

(3) - ikiqat çentikli filtr [8] üçün, Şəkil 6 -da olanlara nisbətən rezistorlar.

Addım 1: Cihaz Gücləndiricisi

Mərhələ 1: alət gücləndiricisi

tənlik - GƏNCƏ = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3)

Addım 2: Bandpass

Mərhələ 2: bandpass filtri

tənlik: kəsilmə tezliyi = 1/2πRC

Addım 3: Mərhələ 3: Çentik Filtri

Mərhələ 3: Twin T Notch filtri

tənlik - mərkəzdən imtina tezliyi = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Addım 4: Birlikdə Bütün Mərhələlərin Son Şeması

AC süpürgəsi və keçici əyriləri olan son sxem

Addım 5: Cihazın müzakirəsi

Müzakirə:

Yuxarıda edilən testlərin nəticəsi bütövlükdə dövrə üçün gözlənildiyi kimi getdi. Gücləndirmə mükəmməl olmasa da və siqnal bir qədər də aşağı düşsə də, dövrədən keçdikcə (bunu Şəkil 7, qrafik 1 -də görmək olar ki, siqnal birinci mərhələdən sonra 0.005V -dan 5V -ə yüksəldi, sonra ikinci mərhələdən sonra 4V -ə düşdü) və sonra son mərhələdən sonra 3.865V), bant keçidi və çentik filtri nəzərdə tutulduğu kimi çalışdı və təxminən 57.5-58.8 Hz tezliyi çıxarılaraq 0.5-150 Hz tezlik diapazonu istehsal etdi.

Dövrümün parametrlərini təyin etdikdən sonra onu digər iki EKQ ilə müqayisə etdim. Sadəcə rəqəmlərlə daha birbaşa müqayisə Cədvəl 1 -də tapıla bilər. Məlumatlarımı digər ədəbiyyat mənbələri ilə müqayisə edərkən üç əsas götürmə var idi. Birincisi, dövrədəki gücləndirmənin müqayisə etdiyim digər ikisindən xeyli aşağı olması idi. Ədəbiyyat mənbələrinin hər iki dövrəsi 1000 və Gawali'nin EKQ -sində [9] gücləndirmə əldə etdi, siqnal filtr mərhələsində 147 faktorla daha da gücləndirildi. Buna görə də, dövrəmdəki siqnal 773 (standart gücləndirmə ilə müqayisədə 22.7% səhv) ilə gücləndirilmiş və elektroddan gələn giriş siqnalını [6] təfsir etmək üçün yetərli sayılsa da, standart gücləndirmə ilə müqayisədə hələ də cılızdır. 1000. Dövrümdə standart gücləndirmə əldə ediləcəyi təqdirdə, alət gücləndiricisindəki gücləndiricinin 1000 -dən çox olan bir faktora qədər artırılması lazımdır ki, qazanc mənim dövrəmdəki hər filtr mərhələsindən keçdikdən sonra aşağı düşsün, hələ də ən az 1000 qazanc əldə edir və ya daha yüksək gərginlik düşmə səviyyələrinin baş verməməsi üçün filtrlərin tənzimlənməsi lazımdır.

İkinci əsas götürmə, hər üç dövrənin çox oxşar tezlik aralığına malik olması idi. Gawali'nin [9] eyni diapazonu 0.5-150 Hz, Goa [10] isə 0.05-159 Hz bir qədər geniş diapazonuna sahib idi. Goa dövrəsində bu kiçik uyğunsuzluq var idi, çünki bu aralıq onların qurulmasında istifadə olunan məlumat toplama kartına daha uyğun gəlirdi.

Son əsas götürmə, hər dövrədəki çentikli filtrlərin əldə etdiyi rədd tezliklərinin mərkəzindəki fərqlər idi. Gao və mənim dövrəmdə hər ikisinin də 60 Hz hədəfi vardı, Gawali 50 Hz -ə təyin edildikdə, elektrik xətlərinə səbəb olan xətt tezliyi səs -küyünün qarşısını almaq üçün. Bununla birlikdə, bu uyğunsuzluq yaxşıdır, çünki dünyanın yerindən asılı olaraq elektrik xətlərinin tezliyi 50 və ya 60 Hz ola bilər. Buna görə ABŞ -da elektrik xətlərinin müdaxiləsi 60 Hz olduğundan yalnız Goa dövrəsi ilə birbaşa müqayisə edildi [11]. Səhv faizi 3.08%-dir.