AD5933: 9 қадамдарымен био импеданс анализі (BIA)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:24

Мен дене құрамын өлшеу үшін био импеданс анализаторын жасауға қызығушылық таныттым және кездейсоқ іздеулер 2015 жылы Вандербильт университетінің биомедициналық аспаптар сыныбының дизайнын таба берді. Мен дизайнмен жұмыс жасадым және оны сәл жақсарттым. Мен сіздермен өз нәтижелеріммен бөліскім келеді. Егер сіз түсініксіз болса, жақсартуларды ұсынуды өтінеміз. Мен өз ойымды біртұтас формада жаза аламын, бірақ әзірге сіз мұнда көргенді пайдалана аласыз деп үміттенемін. (Егер сіз мұны жазып, жақсартуға болады деп ойласаңыз, қош келдіңіз)

Тедди

Бұл дизайн AD5933 микросхемасынан және корпуспен AD5933 интерфейсіне арналған теңшелетін аналогтық алдыңғы жақтан (AFE) тұрады. AD5933 содан кейін өлшеуді жүргізеді, содан кейін нәтижелерді микроконтроллер өңдей алады (мысалы, Arduino).

Егер сіз Arduino-ны қуат көзі ретінде пайдалануды жоспарласаңыз, операциялық және аспаптық күшейткіштердің (оп-амперлер мен амп-лар) «бір қоректену» деп аталатын кернеуді қолдайтынына және рельс-рельс ерекшеліктері бар екеніне көз жеткізіңіз.

(Келесіде мен 5V қуат көзін (Arduino -дан) және AD5933 құрылғысының 1 ауқымын қолданамын.)

1-қадам: Қайта қарау кезеңі

AFE-дің бірінші бөлігі-бұл қайталау кезеңі. Шығу кернеуі сигналы қоректену кернеуінің диапазонының ортасында (ВДД/2) орталықтандырылмаған. Бұл сигналдың тұрақты бөлігін блоктау үшін конденсаторды қолдану арқылы түзетіледі және кернеуді бөлгіш арқылы жіберіп, сигналға тұрақты токтың ығысуын қосады.

Қайта бұрылатын екі резистор, егер олар бірдей болса, кез келген мән болуы мүмкін. Қақпақтың нақты мәні де маңызды емес.

Қайта қарау кезеңі жоғары өту сүзгісі сияқты жұмыс істейді, сондықтан шектеу жиілігі бар:

f_c = 1 / (2 * pi * (0,5 * R) * C)

Шектеу жиілігі сіз пайдалануды жоспарлаған минималды жиіліктен бірнеше ондаған жыл төмен екеніне көз жеткізіңіз. Егер сіз өзіңіздің қосымшаңызда 1 кГц-ті қолдануды жоспарласаңыз, сізге қақпақ пен резистор мәндерін таңдауыңыз керек, бұл сізге 1-10 Гц жиіліктегі жиілікті береді.

Бұл кезеңнің соңғы бөлігі-кернеуді бақылайтын оп-амп. Бұл резистор мәндерінің келесі кезеңге кедергі жасамайтындығына көз жеткізу үшін қажет

2 -қадам: ток сезгіш резистор

Келесі кезеңнің бірінші бөлігі - ток сезгіш резистор. Бұл резистор арқылы өтетін ток күшейткіш корпус арқылы ұстап тұруға тырысатын ток болады. Ток IEC6060-1 қауіпсіздік стандарттарына сәйкес келетініне көз жеткізіңіз*:

1 кГц жиіліктен төмен дене арқылы максимум 10 микроАмпс (RMS) рұқсат етіледі. 1 кГц -тен жоғары жиілікте келесі теңдеу рұқсат етілген максималды токты береді:

Максималды айнымалы ток <(минималды жиілік кГц) * 10 микроАмпер (RMS)

Айнымалы ток сигналының шың амплитудасы мен оның RMS мәні арасындағы байланыс: Peak = sqrt (2) * RMS. (10 microAmps RMS 14 microAmps шыңы амплитудасына сәйкес келеді)

Резистордағы Ом заңын қолдана отырып, біз қауіпсіздік стандартына сәйкес келетін резистордың мәнін есептей аламыз. Біз AD5933 қоздыру кернеуін және максималды ток мәнін қолданамыз:

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

Мысалы, Upange = 3V / 2 = 1.5V (немесе 1V @3.3V) 1 диапазонының параметрін қолдану

Жоғарыдан 14 microAmp шыңының мәнін қолдана отырып, мен кем дегенде 107 кОм резистордың мәнін аламын

Әдебиеттер:

* Аналогты құрылғылар: «Дене тозған жүйелерге арналған био-импеданс схемасы»

3-қадам: Өткізгіштік күшейткіш

Ағымдағы сезімтал қарсылықтан кейін кері байланыс конфигурациясында оп-амп болады. Бұл Loop-in-the-Loop деп аталатын қондырғы. Оп-амптың оң кіріс терминалы VDD/2 кернеуіне қосылған. Оп-ампер енді шығыс сигналын керісінше теріс терминалдағы кернеу VDD/2-ге тең болатындай етіп реттеуге тырысады. Бұл ағымды денеден итеріп, тартып алатын көру қабілеттілігін тудырады.

Опера-ампердің теріс терминалынан алынған ток іс жүзінде нөлге тең. Сондықтан токты сезетін резистор арқылы барлық ток денеден өтуі керек. Бұл қондырғыны өткізгіштік күшейткішке айналдыратын механизм (кернеудің реттелетін ток көзі, VCCS деп те аталады).

Оп-амп токты тек дененің кедергісі тым жоғары болмаған жағдайда ғана сақтай алады. Әйтпесе, оп-ампердің шығысы қоректену кернеуінде максималды болады (0 немесе 5 В). Максималды кернеу диапазоны VDD/2 + Upeak (2,5 + 1,5V = 4V @ 5V). Опера-ампердің кернеу шектерін осы мәннен алып тастау керек, бірақ егер оп-амперде рельс-рельс ерекшеліктері болса, бұл шамалы ғана болады. Оп-амптың жүргізе алатын максималды кедергісі:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(Менің қондырғымда Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, дененің импеданс диапазонын жабуға тілек көп)

Қорғаныс резисторы корпуспен салыстырғанда (шамамен 100 кОм) өте үлкен мәнге ие (1-1,5 МОс) және барлық қалыпты операциялар үшін бұл айтарлықтай ток алмайды және параллель қосылыстың кедергісі дененің кедергісінен басым болады. Егер корпустың кедергісі жоғарыласа (мысалы, жастықтар босап кетсе), онда ток резистор арқылы өтуі мүмкін, ал оптикалық ампаның максималды шығуы төсеніштерде жағымсыз кернеу тудырмайды.

4 -қадам: аспаптық күшейткіш

Келесі кезең-денедегі кернеуді өлшейтін аспаптық күшейткіш. Денедегі кернеу 0В шамасында тербеледі, бірақ AD5933 оң диапазонда болу үшін кіріс кернеуін қажет етеді. Күшейткіш кернеу сигналына VDD/2 тұрақты ток ығысуын қосады.

VDD/2 анықтамасы кернеуді бөлгішпен жасалады. Кез келген мәндік резисторды олар бірдей болған жағдайда қолдануға болады. Кернеу бөлгіш тізбектің қалған бөлігінің кедергісінен кернеу ізбасары арқылы бөлінеді. Содан кейін кернеудің ізбасарының шығысы күшейткішке де, өткізгіштік күшейткішке де жіберілуі мүмкін.

5 -қадам: енгізу кезеңі және калибрлеу

AD5933 кіріс кезеңінде теріс кері байланыс конфигурациясындағы оп-амп бар. Екі резистор бар: біреуі тізбекті (Rin) және біреуі параллель (RFB). Оп-амптың пайдасы арқылы беріледі

A = - RFB / Rin

Кіріс оп-амп және кірістіру амплитудасы (және PGA) AD5933 ADC-ке кіретін сигнал әрқашан 0V және VDD шегінде болатынына көз жеткізуі керек.

(Мен шамамен A = 0,5 беретін ампер мен резистор мәндерінің бірлігін арттырамын)

AD5933 ішінде ADC кернеу сигналын сандық сигналға түрлендіреді. 0В-тан VDD-ге дейінгі кернеу диапазоны 0-128 (2^7) цифрлық диапазонына ауыстырылады. (Бұл туралы құжаттама түсініксіз, бірақ [1] -дегі сюжеттерді мұқият тексеру және мен жасаған сомалық эксперимент осыны растайды.)

DFT модулінің ішінде нәтиже нақты және ойдан шығарылған регистрде сақталмай тұрып, 256 (1024/4, [1] қараңыз) тағы бір масштабтау бар.

AFE арқылы ADC-ге кернеу сигналын қолдана отырып және жоғарыда айтылған масштабтық факторларды қолдана отырып, кіріс коэффициентін бағалауға болады:

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

кейбір калибрлеу әлі де қажет болуы мүмкін, сондықтан бұл математикалық модельге жатпайтын кейбір әсерлерді ескере отырып, резисторлар сияқты белгілі импеданс компоненттерін өлшеу арқылы табыстың шын мәнін өлшеңіз. (g = Z / mag, төменде қараңыз)

Енді кедергілерді есептеуге болады

Z = g * mag

mag = sqrt (нақты^2 + қиялды^2)

PA = arctan2 (нақты, қиял) - deltaPA

ПА-ны калибрлеу қажет болуы мүмкін, себебі AD5933 жиіліктегі функционалды фазалық ығысу бар. deltaPA жиіліктің сызықтық функциясы болуы мүмкін.

Енді қарсылық пен реактивтілікті есептеуге болады

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Әдебиеттер: [1] Леонид Мациев, «AD5933 сияқты бір жиілікті DFT детекторлары негізінде жүйелердің өнімділігі мен әмбебаптығын жақсарту», Электроника 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/электроника4010001

6 -қадам: Жетілдірілген материалдар: спектрлік ағу (DC)

Біз AD5933 -ке қойған сигнал - бұл уақыт функциясы ретінде кернеу/ток, бірақ біздің басты қызығушылығымыз жиілік функциясы ретінде импеданс. Уақыт-домен мен жиілік-доменді ауыстыру үшін уақыттық-домендік сигналдың Фурье түрленуін қабылдау қажет. AD5933 қондырылған дискретті Фурье түрлендіру (DFT) модулі бар. Төмен жиіліктерде (шамамен 10 кГц -тен төмен) DFT -дің құрамына бүркеншік және спектрлік ағулар әсер етеді. [1] -де ол спектрлік ағуды қалай түзетуге болатыны туралы математикадан өтеді. Мұның мәні - жиіліктегі әрбір жиілік қадамы үшін бес (плюс екі) тұрақтыларды есептеу. Мұны оңай жасауға болады, мысалы. Arduino бағдарламалық қамтамасыз етуде.

Ағып кету екі түрде болады: табиғатта аддитивті тұрақты токтың ағуы және мультипликативті айнымалы токтың ағуы.

Тұрақты токтың ағуы ADC кернеу сигналы 0В айналасында емес, VDD/2 айналасында тербелетіндігімен байланысты. VDD/2 тұрақты ток деңгейі шамамен 64 болатын сандық тұрақты ток көрсеткішіне сәйкес келуі керек ([1] тармағында белгіленген дельта).

Тұрақты ток спектрінің ағуын түзетуге арналған шаралар:

1) ағымдағы жиілік үшін E конверт-коэффициентін есептеңіз.

2) GI (нақты) және GQ (ойдан шығарылған) екі пайда факторларын есептеңіз

3) нақты регистрдің мәнінен delta * GI, ал ойдан шығарылған регистрдің мәнінен delta * GQ шығарыңыз.

Әдебиеттер:

[1] Леонид Мациев, «Жүйелердің өнімділігі мен әмбебаптығын жақсарту

AD5933 «, Electronics 2015, 4, 1-34 сияқты бір жиілікті DFT детекторлары: doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Конрад Чабовски, Томаш Пиасекки, Анджей Дзерка, Карол Нитч, «AD5933 интегралды схемасына негізделген қарапайым кең жиілікті диапазондағы импеданс есептегіші», Метрол. Өлшеу. Сист., Т. XXII (2015 ж.), No 1, 13–24 беттер.

7 -қадам: Жетілдірілген материалдар: спектрлік ағу (AC)

Тұрақты токтың ағуы сияқты айнымалы токтың ағуын математикалық түрде түзетуге болады. [1] -де қарсылық пен реактивтілік сәйкесінше A*cos (phi) және A*sin (phi) деп аталады, мұнда А кедергінің шамасына сәйкес келеді және phi фазалық бұрышқа (PA) сәйкес келеді.

Айнымалы ток спектрінің ағуын түзетуге арналған қадамдар:

1) ағымдағы жиілік үшін E конверт-коэффициентін (ол тұрақты ток үшін бірдей емес) есептеңіз.

2) a, b және d үш факторын есептеңіз. (жоғары жиіліктердегі шамамен мәндер: a = d = 256 және b = 0)

3) Қарсылық (Acos (phi)) және реактивтілік (Asin (phi)) енді сандық бірліктерде есептелуі мүмкін

Әдебиеттер: [1] Леонид Мациев, «AD5933 сияқты бір жиілікті DFT детекторлары негізінде жүйелердің өнімділігі мен әмбебаптығын жақсарту», Электроника 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/электроника4010001

[2] Конрад Чабовски, Томаш Пиасекки, Анджей Дзерка, Карол Нитч, «AD5933 интегралды схемасына негізделген қарапайым кең жиілікті диапазондағы импеданс есептегіші», Метрол. Өлшеу. Сист., Том. XXII (2015 ж.), No 1, 13–24 беттер.

8-қадам: Жетілдірілген материалдар: теориялық пайда факторы

DFT -дің математикалық модельдеуін ескере отырып, барлық AFE -ді математикалық түрде модельдеуге болады. Математикалық түрде кернеу сигналын берілген тұрақты жиіліктегі синус функциясымен, тұрақты амплитудасы бар тұрақты токтың ауытқуымен және айнымалы токтың тербелісімен сипаттауға болады. Жиілік қадам кезінде жиілік өзгермейді. Пайда факторы тек импеданс шамасын өзгертеді, бірақ ПА емес, біз бұл жерде сигналдың фазалық ығысуына қатысты болмаймыз.

Міне, кернеу сигналының AFE арқылы таралуы туралы қысқаша мәлімет:

1) Қайта бұрылу кезеңінен кейін айнымалы ток амплитудасы әлі де Upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) және тұрақты токтың ауысуы VDD/2 болып өзгертілді.

2) Ағымдағы сенсорлық резисторда кернеу алдыңғы сатыдағыдай …

3)… бірақ оптикалық күшейткіштің аралау кернеуіне байланысты айнымалы токтың тербелістері Z*Upeak/Rcurrent өлшеміне ие. (Тұрақты токтың ығысуы VDD/2 оптикалық амперлік кернеуінің күшімен жойылады - араның айналу нүктесі - және тізбектің осы бөлігінде виртуалды жерге айналады)

4) Ампер бірлігі VDD/2 тұрақты ток ығысуын қосады және сигналды AD5933 кіріс сатысына жібереді.

5) Кіріс сатысындағы жұмыс күшейткіші A = -RFB/Rin пайдасына ие және айнымалы ток амплитудасы (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin) болады

6) ADC -тің алдында екі параметрі 1 немесе 5 болатын бағдарламаланатын күшейткіш (PGA) бар, сондықтан ADC кернеу сигналы: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

ADC v (t) сигналын x (t) = u (t) / VDD * 2^7 сандық сигналға 12 биттік дәлдікпен түрлендіреді.

А шамасы кедергілер коэффициентімен Z кедергісіне қосылады, k = A * k * Z және шамамен k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin) шамасына ие.

Егер сіз g-1 / k және Z = g * A орнына пайда-фактормен жұмыс жасағыңыз келсе.

9 -қадам: Жетілдірілген материалдар: PA ауысымы

[2] олар жиіліктің функциясы ретінде ПА жүйелі ауысуын табады. Бұл қозу сигналы пайда болатын DAC пен кіріс сигналын шығыс сигналмен айналдыру қажет болатын DFT арасындағы уақыттың кешігуіне байланысты.

Ауысу AD5933 ішіндегі DAC пен DFT арасындағы сигналдың кешігуі сағаттық циклдер санымен сипатталады.

Әдебиеттер: [1] Леонид Мациев, «AD5933 сияқты бір жиілікті DFT детекторлары негізінде жүйелердің өнімділігі мен әмбебаптығын жақсарту», Электроника 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/электроника4010001

[2] Конрад Чабовски, Томаш Пиасекки, Анджей Дзерка, Карол Нитч, «AD5933 интегралды схемасына негізделген қарапайым кең жиілікті диапазондағы импеданс есептегіші», Метрол. Өлшеу. Сист., Т. XXII (2015 ж.), No 1, 13–24 беттер.