AD5933: 9 Addımları ilə Bio Empedans Analizi (BIA)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:46

Bədən tərkibi ölçmələri üçün Bio Empedans Analizatoru etməklə maraqlandım və təsadüfi axtarışlarım Vanderbilt Universitetində 2015 Biyomedikal Cihazlar sinifindən bir dizayn tapmağa davam etdi. Dizayn üzərində çalışdım və bir az da təkmilləşdirdim. Tapdıqlarımı sizinlə bölüşmək istərdim. Bir şey aydın deyilsə, təkmilləşdirmələr təklif edin. Bir gün düşüncələrimi daha tutarlı bir şəkildə yaza bilərdim, amma ümid edirəm ki, burada gördüklərinizdən istifadə edə bilərsiniz. (Bunu yazıb inkişaf etdirə biləcəyinizi düşünürsünüzsə, xoş gəlmisiniz)

Teddy

Bu dizayn AD5933 çipindən və AD5933 gövdəsi ilə əlaqə qurmaq üçün xüsusi bir analog ön uçdan (AFE) ibarətdir. AD5933 daha sonra ölçmə aparır və nəticələr bir mikro nəzarətçi (məsələn, Arduino) tərəfindən işlənə bilər.

Arduino-nu enerji təchizatı olaraq istifadə etməyi planlaşdırırsınızsa, əməliyyat və alət gücləndiricilərinin (op-amps və in-amps) "tək təchizat" adlandırılan gərginliyi dəstəklədiyinə və dəmiryolundan dəmiryol xüsusiyyətlərinə malik olduğundan əmin olun.

(Aşağıda AD5933 -də 5V -lik bir enerji təchizatı (Arduino -dan) və Range 1 parametrindən istifadə edəcəyəm.)

Addım 1: Yenidən qərəzli mərhələ

AFE-nin birinci hissəsi yenidən qərəzli bir mərhələdir. Çıxış gərginliyi siqnalı təchizat gərginliyi aralığının ortasında (VDD/2) mərkəzləşdirilməmişdir. Bu, siqnalın DC hissəsini bağlamaq üçün bir kondansatördən istifadə etməklə və bir DC ofsetini yenidən siqnala əlavə etmək üçün bir gərginlik ayırıcı ilə göndərməklə düzəldilir.

İki önyargılı rezistor eyni olduğu müddətdə hər hansı bir dəyər ola bilər. Qapağın xüsusi dəyəri də vacib deyil.

Yenidən yanaşma mərhələsi yüksək keçid filtri kimi işləyir və buna görə də kəsilmə tezliyinə malikdir:

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

Kesim tezliyinin istifadə etməyi planlaşdırdığınız minimum tezliyin bir neçə onilliyindən aşağı olduğundan əmin olun. Tətbiqinizdə 1kHz istifadə etməyi planlaşdırırsınızsa, sizə 1-10 Hz aralığında bir kəsmə tezliyi verəcək qapaqlar və müqavimət dəyərləri seçməlisiniz.

Bu mərhələnin son hissəsi bir gərginlik izləyicisi olmaq üçün qurulmuş bir op-ampdir. Bu, rezistor dəyərlərinin sonrakı mərhələyə müdaxilə etməməsini təmin etmək üçündür

Addım 2: Cari Algılama Rezistoru

Növbəti mərhələnin ilk hissəsi cari hissedici rezistordur. Bu rezistordan keçən cərəyan, gücləndiricinin bədəndən qorumağa çalışacağı eyni cərəyan olacaq. Cərəyanın IEC6060-1 təhlükəsizlik standartlarına uyğun olduğundan əmin olun*:

1 kHz tezliklərin altında bədən vasitəsilə maksimum 10 microAmps (RMS) icazə verilir. 1kHz -dən yuxarı tezliklərdə aşağıdakı tənlik icazə verilən maksimum cərəyanı verir:

Maksimum AC cərəyanı <(kHz -də minimum tezlik) * 10 microAmps (RMS)

AC siqnalının pik amplitudası ilə RMS dəyəri arasındakı əlaqə: Peak = sqrt (2) * RMS. (10 microAmps RMS 14 microAmps pik amplitüdünə uyğundur)

Rezistordakı Ohms Qanunu istifadə edərək, təhlükəsizlik standartına uyğun olan müqavimət dəyərini hesablaya bilərik. AD5933 -dən gələn həyəcan gərginliyini və maksimum cərəyan dəyərindən istifadə edirik:

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

Məsələn, Range 1 parametrindən istifadə edərək Upeak = 3V / 2 = 1.5V (və ya 1V @3.3V)

Yuxarıdakı 14 microAmp pik dəyərindən istifadə edərək ən az 107kOhms müqavimət dəyəri alıram

İstinadlar:

* Analog Cihazlar: "Bədən Aşınmış Sistemlər üçün Bio-Empedans Dövrə Dizaynı"

Addım 3: Trans-keçiricilik gücləndiricisi

Mövcud algılayıcı müqavimətdən sonra mənfi rəy konfiqurasiyasında bir op-amp var. Bu Loop-in-the-Loop adlı bir quruluşdur. Op-ampin müsbət giriş terminalı VDD/2 gərginliyinə bağlıdır. Op-amp artıq mənfi terminaldakı gərginlik VDD/2-ə bərabər olacaq şəkildə həyəcan siqnalına əks istiqamətdə çıxışını tənzimləməyə çalışacaq. Bu, cərəyanı bədəndən itələmək və çəkmək üçün görmə potensialına səbəb olacaq.

Op-ampin mənfi terminalından alınan cərəyan demək olar ki, sıfırdır. Buna görə cərəyan algılayıcı rezistordan keçən bütün cərəyan bədəndən keçməlidir. Bu quruluşu bir trans-keçiricilik gücləndiricisinə çevirən mexanizmdir (VCCS bir gərginliyə nəzarət edən cərəyan mənbəyi də deyilir).

Op-amp yalnız cismin empedansı çox yüksək olmadıqda cərəyanı qoruya bilər. Əks təqdirdə, op-amp çıxışı yalnız təchizat gərginliyində (0 və ya 5 V) maksimuma çıxacaq. Maksimum gərginlik aralığı VDD/2 + Upeakdır (2.5 + 1.5V = 4V @ 5V təchizatı). Op-amp-in gərginlik marjları bu dəyərdən çıxarıla bilər, ancaq op-amp-in relsdən-dəmiryol xüsusiyyətlərinə malik olduğu təqdirdə bu az miqdarda olacaq. Op-amp-in idarə edə biləcəyi maksimum empedans:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(Quruluşumda Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, bədənin impedans aralığını əhatə etmək arzusu çoxdur)

Qoruyucu rezistor bədənə (təxminən 100kOhms) nisbətən çox böyük bir dəyərə (1-1.5 MOhms) malikdir və bütün normal əməliyyatlar üçün bu heç bir nəzərə çarpan cərəyan çəkməyəcək və paralel bağlantının impedansına bədənin impedansı üstünlük təşkil edir. Bədənin empedansı artarsa (məsələn, yastıqlar boşalırsa), cərəyan rezistordan keçə bilər və op-amperdən çıxma yastıqlarda xoşagəlməz gərginlik yaratmaz.

Addım 4: Alət Gücləndiricisi

Növbəti mərhələ, bədəndəki gərginliyi ölçən cihaz gücləndiricisidir. Bədəndəki gərginlik 0V ətrafında salınır, ancaq AD5933 -ün müsbət bir aralığa daxil olması üçün giriş gərginliyinə ehtiyacı var. In-amp buna görə ölçülmüş gərginlik siqnalına VDD/2 DC ofsetini əlavə edir.

VDD/2 istinad bir gərginlik bölücü tərəfindən yaradılır. Hər hansı bir dəyər rezistoru eyni olduğu müddətdə istifadə edilə bilər. Gərginlik bölücü, qalan bir dövrə empedansından bir gərginlik izləyicisi ilə ayrılır. Gərginlik izləyicisinin çıxışı daha sonra həm in-ampə, həm də keçiricilik gücləndiricisinə ötürülə bilər.

Addım 5: Giriş Mərhələsi və Kalibrləmə

AD5933-ün giriş mərhələsində mənfi rəy konfiqurasiyasında bir op-amp var. İki rezistor var: biri seriyalı (Rin) və biri paralel (RFB). Op-ampin qazancı ilə verilir

A = - RFB / Rin

Giriş op-amp və in-amp (və PGA) qazancları, AD5933-ün ADC-ə daxil olan siqnalın həmişə 0V və VDD daxilində olduğundan əmin olmalıdır.

(Təxminən A = 0.5 verəcək amp və rezistor dəyərlərində birlik qazancından istifadə edirəm)

AD5933 içərisində ADC, gərginlik siqnalını rəqəmsal bir siqnala çevirəcək. 0V-dən VDD-ə qədər olan gərginlik aralığı 0-128 (2^7) rəqəmsal aralığına çevrilir. (Sənədlər bu barədə aydın deyil, ancaq [1] dəki süjetlərin yaxından araşdırılması və mənim tərəfimdən som təcrübəsi bunu təsdiqləyir.)

Nəticənin həqiqi və xəyali reyestrdə saxlanmasından əvvəl DFT modulunun içərisində 256 (1024/4, bax [1]) başqa bir miqyaslama var.

AFE-dən ADC-ə gedən gərginlik siqnalını izləyərək və əvvəl qeyd olunan miqyas faktorlarını istifadə edərək, qazanma faktorunu təxmin etmək mümkündür:

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

bəzi kalibrləmə hələ də lazım ola bilər, buna görə də bu riyazi modelin bir hissəsi olmayan bəzi təsirləri nəzərə alsaq, zəhmət olmasa rezistorlar kimi bilinən empedansın komponentlərini ölçərək əsl mənfəət dəyərini ölçün. (g = Z / mag, aşağıya baxın)

Empedans indi hesablana bilər

Z = g * mag

mag = sqrt (real^2 + xəyali^2)

PA = arctan2 (real, xəyali) - deltaPA

PA, ehtimal ki, AD5933-də tezliyin bir funksiyası olaraq sistematik bir faza dəyişikliyi olduğu üçün kalibr edilməlidir. deltaPA, ehtimal ki, tezliyin bəzi xətti funksiyası olacaq.

Müqavimət və reaktivlik indi hesablana bilər

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

İstinadlar: [1] Leonid Matsiev, "AD5933 kimi Tək Frekanslı DFT Detektorlarına əsaslanan Sistemlərin Performansının və Çox Yönlülüyünün Təkmilləşdirilməsi", Elektronika 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika 4010001

Addım 6: Ətraflı Şeylər: Spektral Sızma (DC)

AD5933 -ə qoyduğumuz siqnal, zamanın funksiyası olaraq bir gərginlik/cərəyandır, amma əsas marağımız tezliyin funksiyası olaraq empedansdır. Zaman və tezlik sahələri arasında keçid etmək üçün vaxt domeni siqnalının Fourier çevrilməsini etməliyik. AD5933, quraşdırılmış diskret Fourier transformasiya (DFT) moduluna malikdir. Aşağı frekanslarda (təxminən 10 kHz -dən aşağı) DFT -nin quruluşu kənarlaşdırma və spektral sızmalardan təsirlənir. [1] -də spektral sızıntının necə düzəldiləcəyi ilə bağlı riyaziyyatdan keçir. Bunun mahiyyəti, süpürgədə hər bir tezlik addımı üçün beş (üstəgəl iki) sabitin hesablanmasıdır. Bu asanlıqla edilə bilər, məsələn. proqram təminatında Arduino tərəfindən.

Sızma iki formada gəlir: təbiətdə qatqısı olan bir DC sızması və təbiətdə çoxlu olan AC sızması.

DC sızması, ADC -dəki gərginlik siqnalının 0V ətrafında deyil, VDD/2 ətrafında salınmasından qaynaqlanır. VDD/2 -nin DC səviyyəsi təxminən 64 rəqəmsal DC oxunuşuna uyğun olmalıdır ([1] -də təyin olunmuş delta).

DC spektral sızıntısını düzəltmək üçün addımlar:

1) Cari tezlik üçün E zərf faktorunu hesablayın.

2) GI (real) və GQ (xəyali) iki qazanc faktorunu hesablayın

3) həqiqi reyestrin dəyərindən delta * GI və xəyali qeydin dəyərindən delta * GQ çıxarın.

İstinadlar:

[1] Leonid Matsiev, "Sistemlərin performansını və çox yönlülüyünü əsas götürərək

AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34 kimi tək frekanslı DFT Detektorları; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "AD5933 Integrated Circuit əsasında Sadə Geniş Frekans Aralığı Empedans Ölçən", Metrol. Ölçmələr. Syst., Cild. XXII (2015), No 1, s. 13-24.

Addım 7: Ətraflı Şeylər: Spektral Sızma (AC)

DC sızması kimi AC sızması riyazi yolla düzəldilə bilər. [1] -də müqavimət və reaksiya sırasıyla A*cos (phi) və A*sin (phi) adlanır, burada A empedansın böyüklüyünə, phi isə faz bucağına (PA) uyğundur.

AC spektral sızıntısını düzəltmək üçün addımlar:

1) Cari tezlik üçün E zərf faktorunu (DC ilə eyni deyil) hesablayın.

2) a, b və d üç faktorunu hesablayın. (daha yüksək tezliklərdə təxminən dəyərlər: a = d = 256 və b = 0)

3) Müqavimət (Acos (phi)) və reaktivlik (Asin (phi)) artıq rəqəmsal vahidlərlə hesablana bilər

İstinadlar: [1] Leonid Matsiev, "AD5933 kimi Tək Frekanslı DFT Detektorlarına əsaslanan Sistemlərin Performansının və Çox Yönlülüyünün Təkmilləşdirilməsi", Elektronika 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika 4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "AD5933 Integrated Circuit -ə əsaslanan Sadə Geniş Frekans Aralığı Empedans Ölçən", Metrol. Ölçmələr. Syst., Cild. XXII (2015), No 1, s. 13-24.

Addım 8: Ətraflı Şeylər: Teorik Qazanc faktoru

DFT -nin riyazi modelləşdirilməsi nəzərə alınmaqla bütün AFE -ni riyazi olaraq modelləşdirmək də mümkün olmalıdır. Riyazi olaraq gərginlik siqnalı, müəyyən bir sabit tezliyə malik bir sinus funksiyası, bir DC ofset və bir pik amplitudlu bir AC salınması ilə təsvir edilə bilər. Tezlik mərhələsi zamanı tezlik dəyişmir. Mənfəət faktoru yalnız empedansın böyüklüyünü dəyişdiyi üçün PA-da deyil, burada siqnalın yaratdığı hər hansı bir faza dəyişikliyi ilə əlaqədar olmayacağıq.

AFE -də yayılan gərginlik siqnalının qısa bir xülasəsi:

1) Yenidən yanaşma mərhələsindən sonra AC amplitudası hələ də Upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) və DC ofset VDD/2 olaraq dəyişdirildi.

2) Cari hissedici rezistorda gərginlik əvvəlki mərhələdə olduğu kimi qalır …

3)… lakin op-ampin mişar-gərmə gərginliyi səbəbindən AC salınımları Z*Upeak/Rcurrent ölçüsünə malikdir. (DC ofset, mişar maşınının dönmə nöqtəsi olan VDD/2 -nin op -amper istinad gərginliyi ilə ləğv edilir və dövrənin bu hissəsində fəzilət zəmininə çevrilir)

4) amp-in birliyi, VDD/2-nin DC ofsetini geri daxil edir və siqnalı AD5933-ün giriş mərhələsinə ötürür.

5) Giriş mərhələsindəki op-amp A = -RFB/Rin qazancına malikdir və buna görə AC amplitudası (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin) olur

6) ADC -dən bir qədər əvvəl, iki parametr 1 və ya 5 -ə bərabər olan proqramlaşdırıla bilən bir qazanc gücləndiricisi (PGA) var, buna görə də ADC -dəki gərginlik siqnalı: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

ADC v (t) siqnalını 12 bit dəqiqliklə x (t) = u (t) / VDD * 2^7 rəqəmsal siqnalına çevirir.

A böyüklüyü, Z = empedansa A = k * Z olaraq əmsal ilə bağlıdır və k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin) təxminən bir dəyərə malikdir.

Gain-faktor ilə işləmək istəsəniz g = 1 / k və Z = g * A.

Addım 9: Ətraflı Şeylər: PA Shift

[2] -də, PA -da tezliyin bir funksiyası olaraq sistematik bir dəyişiklik tapırlar. Bunun səbəbi, həyəcan siqnalının yarandığı DAC ilə gələn siqnalın gedən siqnal ilə birləşməsi lazım olan DFT arasındakı vaxt gecikməsidir.

Dəyişiklik, AD5933-də daxili olaraq DAC və DFT arasındakı gecikmə siqnalının saat dövrlərinin sayı ilə xarakterizə olunur.

İstinadlar: [1] Leonid Matsiev, "AD5933 kimi Tək Frekanslı DFT Detektorlarına əsaslanan Sistemlərin Performansının və Çox Yönlülüyünün Artırılması", Elektronika 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronika 4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "AD5933 Integrated Circuit -ə əsaslanan Sadə Geniş Frekans Aralığı Empedans Ölçən", Metrol. Ölçmələr. Syst., Cild. XXII (2015), No 1, s. 13-24.