Sirkuit EKG (PSpice, LabVIEW, Breadboard): 3 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:58

Catatan: Ini BUKAN perangkat medis. Ini untuk tujuan pendidikan hanya menggunakan sinyal simulasi. Jika menggunakan sirkuit ini untuk pengukuran EKG nyata, harap pastikan sirkuit dan koneksi sirkuit-ke-instrumen menggunakan teknik isolasi yang tepat

Instruksi ini adalah cara terpandu untuk mensimulasikan, membangun, dan menguji sirkuit yang menerima, menyaring, dan memperkuat sinyal EKG. Anda akan memerlukan pengetahuan dasar tentang sirkuit dan beberapa instrumen untuk mengimplementasikan keseluruhan instruksi ini.

Elektrokardiografi (EKG atau EKG) adalah tes non-invasif tanpa rasa sakit yang merekam aktivitas listrik jantung dan digunakan untuk mendapatkan wawasan tentang keadaan jantung pasien. Agar berhasil mensimulasikan pembacaan EKG, sinyal input jantung perlu diperkuat (penguat instrumentasi) dan disaring (takik dan filter lolos rendah). Komponen-komponen ini dibuat secara fisik dan pada simulator sirkuit. Untuk memastikan bahwa setiap komponen memperkuat atau menyaring sinyal dengan benar, sapuan AC dapat dilakukan menggunakan PSpice dan secara eksperimental. Setelah berhasil menguji setiap komponen secara individual, sinyal jantung dapat dimasukkan melalui rangkaian lengkap yang terdiri dari penguat instrumentasi, filter takik, dan filter lolos rendah. Setelah itu, sinyal EKG manusia dapat dimasukkan melalui EKG dan LabVIEW. Baik bentuk gelombang yang disimulasikan dan sinyal jantung manusia dapat dijalankan melalui LabVIEW untuk menghitung denyut per menit (BPM) dari sinyal input. Secara keseluruhan, sinyal input jantung dan sinyal manusia harus dapat berhasil diperkuat dan difilter, mensimulasikan EKG menggunakan keterampilan sirkuit untuk merancang, memodifikasi, dan menguji penguat instrumentasi, filter takik, dan rangkaian filter lolos rendah.

Langkah 1: Simulasikan Sirkuit di Komputer

Anda dapat menggunakan perangkat lunak apa pun yang Anda miliki untuk mensimulasikan rangkaian yang akan kita buat. Saya menggunakan PSpice sehingga saya akan menjelaskan detailnya tetapi nilai komponen (resistor, kapasitor, dll.) dan take away utama semuanya sama, jadi silakan gunakan yang lain (seperti circuitlab.com).

Hitung nilai komponen:

1. Pertama adalah menentukan nilai penguat instrumentasi (lihat gambar). Nilai dalam gambar ditentukan dengan memiliki gain yang diinginkan sebesar 1000. Yang berarti bahwa berapa pun tegangan input yang Anda berikan pada bagian rangkaian ini akan 'menguatkan' ini dengan nilai gain. Misalnya jika Anda memberikan 1V seperti yang saya lakukan, outputnya harus 1000V. Ada dua bagian penguat instrumentasi ini, sehingga gain dibagi di antara mereka dicatat sebagai K1 dan K2. Lihat gambar yang disertakan, kami ingin gain menjadi dekat (itu sebabnya persamaan 2 pada gambar), persamaan 2 dan 3 pada gambar ditemukan dengan analisis nodal, dan kemudian nilai resistor dapat dihitung (lihat gambar).
2. Nilai resistor untuk filter takik ditentukan dengan mengatur faktor kualitas, Q, ke 8 dan karena kami tahu kami memiliki banyak kapasitor 0,022uF yang tersedia, kami kemudian bergerak maju dalam perhitungan menggunakan dua kondisi ini. Lihat gambar dengan persamaan 5 - 10 untuk menghitung nilainya. Atau gunakan R1 = 753.575Ω, R2 = 192195Ω, R3= 750.643Ω, itulah yang kami lakukan!
3. Filter lolos rendah adalah untuk menghilangkan kebisingan di atas frekuensi tertentu yang kami temukan online bahwa untuk EKG baik menggunakan frekuensi cutoff untuk, 250 Hz. Dari frekuensi dan persamaan 11-15 (periksa gambar) hitung nilai resistor untuk filter lolos rendah Anda. Perlakukan R3 sebagai sirkuit terbuka dan R4 sebagai sirkuit pendek untuk mendapatkan penguatan K = 1. Kami menghitung R1 = 15, 300 ohm, R2 = 25, 600 ohm, C1 = 0,022 uF, C2 = 0,047 uF.

Buka dan Bangun di PSpice:

Dengan semua nilai ini, Mulai PSpice - Buka 'OrCAD Capture CIS', jika munculan untuk Pilihan Proyek Irama terbuka pilih 'Allegro PCB Design CIS L', buka file -> proyek baru, ketik nama pintar untuk itu, pilih buat proyek menggunakan A/D analog atau campuran, pilih 'buat proyek kosong', lihat gambar untuk organisasi file proyek Anda, di dalam setiap halaman adalah tempat Anda akan mengkompilasi komponen (resistor, kapasitor, dll.) untuk membangun bagian Anda sirkuit yang Anda inginkan. Pada setiap halaman Anda akan mengklik bagian di bilah alat di bagian atas dan klik bagian untuk membuka daftar bagian yang merupakan tempat Anda mencari resistor, kapasitor, penguat operasional, dan sumber daya. Juga di drop-down Place Anda akan menemukan ground dan wire yang perlu Anda gunakan. Sekarang rancang setiap halaman Anda seperti yang terlihat pada gambar yang disertakan menggunakan nilai yang Anda hitung.

Jalankan Sapuan AC untuk memastikan penyaringan dan penguatan benar-benar terjadi seperti yang Anda harapkan

Saya menambahkan dua angka untuk simulasi ini. Perhatikan bentukan pada 60 Hz dan saring frekuensi tinggi. Perhatikan warna garis dan ekspresi jejak berlabel, saya juga menjalankan seluruh rangkaian bersama-sama sehingga Anda harus mendapatkan gambaran tentang apa yang seharusnya Anda harapkan!

Untuk sapuan pilih PSpice, klik PSpice, New Simulation Profile, ubah ke AC Sweep dan atur frekuensi yang diinginkan untuk start, stop, dan nilai kenaikan. Di bawah menu PSpice saya juga memilih spidol, lanjutan, dan mengambil tegangan dB dan meletakkan penanda di tempat saya ingin mengukur output. Ini akan membantu nanti sehingga Anda tidak perlu menambahkan perubahan jejak secara manual. Lalu pergi pak ke tombol menu PSpice lagi dan pilih Run atau tekan saja F11. Saat simulator terbuka, jika diperlukan: klik trace, add trace, lalu pilih ekspresi trace yang sesuai seperti V(U6:OUT) jika Anda ingin mengukur tegangan output pada pin OUT dari opamp U6.

Amplifier Instrumentasi: Gunakan uA741 untuk ketiga amplifier dan perhatikan amplifier dalam gambar direferensikan sesuai dengan label masing-masing (U4, U5, U6). Jalankan sapuan AC Anda pada PSpice untuk menghitung respons frekuensi rangkaian dengan input satu tegangan sehingga output tegangan harus sama dengan gain (1000) dalam kasus ini.

Notch Filter: Gunakan sumber listrik AC satu tegangan seperti terlihat pada gambar dan penguat operasional uA741 dan pastikan untuk menyalakan setiap op amp yang Anda gunakan (ditenagai dengan 15V DC). Jalankan sapuan AC, saya sarankan 30 hingga 100 Hz dengan peningkatan 10 Hz untuk memastikan takik pada 60 Hz yang akan menyaring sinyal listrik.

Low Pass Filter: Gunakan penguat operasional uA741 (lihat gambar seperti yang kami beri label U1), dan suplai rangkaian daya AC satu volt. Nyalakan op amp dengan DC 15 volt dan ukur output untuk sapuan AC pada pin 6 dari U1 yang terhubung dengan kabel yang terlihat pada gambar. Sapuan AC digunakan untuk menghitung respons frekuensi rangkaian dan dengan satu input tegangan yang Anda atur, output tegangan harus sama dengan gain-1.

Langkah 2: Bangun Sirkuit Fisik di Papan Tempat memotong roti

Ini bisa menjadi tantangan tetapi saya memiliki keyakinan penuh pada Anda! Gunakan nilai dan skema yang Anda buat dan uji (semoga Anda tahu bahwa semuanya berfungsi berkat simulator sirkuit) untuk membuatnya di papan tempat memotong roti. Pastikan untuk hanya menerapkan daya (1 Vp-p oleh generator fungsi) ke awal tidak pada setiap tahap jika menguji seluruh rangkaian, untuk menguji seluruh rangkaian sambungkan setiap bagian (penguat instrumen ke filter takik ke low pass), pastikan untuk suplai V+ dan V- (15V) ke setiap op amp, dan Anda dapat menguji masing-masing tahapan dengan mengukur output pada frekuensi yang berbeda-beda dengan osiloskop untuk memastikan hal-hal seperti penyaringan berfungsi. Anda dapat menggunakan bentuk gelombang jantung bawaan pada generator fungsi saat Anda menguji seluruh rangkaian bersama-sama dan Anda kemudian akan melihat bentuk gelombang QRS seperti yang diharapkan. Dengan sedikit frustrasi dan ketekunan, Anda seharusnya dapat membangun ini secara fisik!

Kami juga menambahkan kapasitor pita 0,1uF secara paralel dengan kekuatan op amp yang tidak digambarkan di PSpice.

Berikut adalah beberapa tip saat membangun komponen individual:

Untuk penguat instrumentasi, jika Anda mengalami kesulitan menemukan sumber kesalahan, periksa setiap keluaran dari ketiga op-amp. Selain itu, pastikan Anda memasok sumber daya dan input dengan benar. Sumber daya harus dihubungkan ke pin 4 dan 7, dan tegangan input dan output ke pin 3 op-amp tahap pertama.

Untuk filter takik, beberapa penyesuaian nilai resistor harus dilakukan agar filter dapat menyaring pada frekuensi 60 Hz. Jika penyaringan terjadi lebih tinggi dari 60 Hz, meningkatkan salah satu resistor (kami menyesuaikan 2) akan membantu menurunkan frekuensi filter (berlawanan dengan peningkatan).

Untuk filter low-pass, memastikan nilai resistor sederhana (resistor yang sudah Anda miliki) akan mengurangi kesalahan secara signifikan!

Langkah 3: LabVIEW untuk Memplot Bentuk Gelombang EKG dan Menghitung Detak Jantung (Detak Per Menit)

Di LabVIEW Anda akan membuat diagram blok dan antarmuka pengguna yang merupakan bagian yang akan menampilkan bentuk gelombang EKG pada grafik sebagai fungsi waktu dan menampilkan angka detak jantung digital. Saya melampirkan gambar apa yang harus dibangun di labVIEW Anda dapat menggunakan bilah pencarian untuk menemukan komponen yang dibutuhkan. Bersabarlah dengan ini dan Anda juga dapat menggunakan bantuan untuk membaca tentang setiap bagian.

Pastikan untuk menggunakan DAQ fisik untuk menghubungkan sirkuit Anda ke komputer. Pada asisten DAQ, ubah pengambilan sampel Anda menjadi kontinu dan 4k.

Berikut adalah beberapa saran untuk membangun diagram:

• Koneksi DAQ Assistant keluar dari "data" dan "berhenti".
• Asisten DAQ untuk "membentuk gelombang" pada maks.
• Klik kanan, buat, dan pilih konstan untuk nomor yang terlihat pada gambar.
• Klik kanan, pilih item, dt, ini untuk mengubah t0 menjadi dt
• Deteksi puncak memiliki koneksi pada "signal in", "threshold", dan "width"
• Hubungkan ke "array" dan konstanta ke "index"
• Pastikan pin papan DAQ fisik (yaitu analog 8) adalah pin yang Anda pilih di DAQ Assistant (lihat gambar)

Video 'IMG_9875.mov' yang disertakan adalah dari komputer yang menunjukkan antarmuka Pengguna VI LabVIEW yang menampilkan bentuk gelombang EKG yang berubah dan denyut per menit berdasarkan input (dengarkan saat frekuensi diubah menjadi apa).

Uji desain Anda dengan mengirimkan input frekuensi 1Hz dan memiliki bentuk gelombang yang bersih (lihat gambar untuk dibandingkan) tetapi Anda harus dapat membaca 60 denyut per menit!

Apa yang Anda buat juga dapat digunakan untuk membaca sinyal EKG manusia hanya untuk bersenang-senang karena ini BUKAN perangkat medis. Anda harus tetap berhati-hati meskipun dengan arus yang disuplai ke desain. Elektroda permukaan terpasang: positif ke pergelangan kaki kiri, negatif ke pergelangan tangan kanan, dan menempelkan tanah ke pergelangan kaki kanan. Jalankan labVIEW Anda dan Anda akan melihat bentuk gelombang muncul pada grafik dan ketukan per menit juga muncul di kotak tampilan digital.