Analiza Bio Impedance (BIA) Me Hapat AD5933: 9

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:19

Unë kam qenë i interesuar të bëj një Analizues Bio Impedance për matjet e përbërjes së trupit dhe kërkimet e mia të rastësishme vazhduan të gjejnë një model nga klasa e Instrumentacionit Biomjekësor 2015 në Universitetin Vanderbilt. Unë kam punuar me modelin dhe e kam përmirësuar atë pak. Unë do të doja të ndaja gjetjet e mia me ju. Merrni atë që mund të përdorni nga kjo "ecje nëpër" nëse diçka nuk është e qartë, ju lutemi sugjeroni përmirësime. Një ditë mund ta shkruaj mendimin tim në një formë më kohezive, por tani për tani shpresoj se mund të përdorni gjithçka që shihni këtu. (Nëse mendoni se mund ta shkruani këtë dhe të përmirësoheni, jeni të mirëpritur)

Teddy

Ky dizajn përbëhet nga çipi AD5933 dhe një front analog i personalizuar (AFE) për të ndërlidhur AD5933 me trupin. AD5933 pastaj bën matjen dhe rezultatet pastaj mund të përpunohen nga një mikrokontrollues (p.sh. një Arduino).

Nëse planifikoni të përdorni Arduino si furnizim me energji, sigurohuni që përforcuesit e funksionimit dhe të instrumenteve (op-amps dhe in-amps) të mbështesin të ashtuquajturat tensione "të furnizimit të vetëm" dhe të kenë specifikime hekurudhë-hekurudhë.

(Në vijim do të përdor një furnizim me energji elektrike (nga një Arduino) prej 5V dhe cilësimin e Range 1 në AD5933.)

Hapi 1: Faza e ri-paragjykimit

Pjesa e parë e AFE është një fazë ri-paragjykimi. Sinjali i tensionit të daljes nuk është i përqendruar në mes të intervalit të tensionit të furnizimit (VDD/2). Kjo korrigjohet duke përdorur një kondensator për të bllokuar pjesën DC të sinjalit dhe duke e dërguar atë përmes një ndarësi të tensionit për të shtuar një kompensim DC përsëri në sinjal.

Dy rezistorët e ri-anshmërisë mund të kenë çdo vlerë për sa kohë që ato janë të njëjta. Vlera specifike e kapakut gjithashtu nuk është e rëndësishme.

Faza e ri-paragjykimit funksionon si një filtër me kalim të lartë dhe për këtë arsye ka një frekuencë ndërprerjeje:

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

Sigurohuni që frekuenca e ndërprerjes të jetë disa dekada nën frekuencën minimale që planifikoni të përdorni. Nëse planifikoni të përdorni 1kHz në aplikacionin tuaj, duhet të zgjidhni kufijtë dhe vlerat e rezistencës që do t'ju japin një frekuencë ndërprerjeje në rendin prej 1-10 Hz.

Pjesa e fundit e kësaj faze është një op-amp i vendosur për të qenë një përcjellës i tensionit. Kjo është për t'u siguruar që vlerat e rezistencës të mos ndërhyjnë në fazën tjetër

Hapi 2: Rezistenca e ndjeshmërisë aktuale

Pjesa e parë e fazës tjetër është rezistenca e ndjeshme aktuale. Rryma përmes këtij rezistori do të jetë e njëjta rrymë që përforcuesi do të përpiqet të mbajë përmes trupit. Sigurohuni që rryma të jetë në përputhje me standardet e sigurisë IEC6060-1*:

Nën frekuencat prej 1 kHz lejohen maksimumi 10 mikroAmps (RMS) përmes trupit. Në frekuencat mbi 1kHz ekuacioni i mëposhtëm jep rrymën maksimale të lejuar:

Rryma maksimale AC <(frekuenca minimale në kHz) * 10 mikroAmps (RMS)

Marrëdhënia midis amplitudës kulmore të një sinjali AC dhe vlerës së tij RMS është: Peak = sqrt (2) * RMS. (10 microAmps RMS korrespondojnë me amplituda maksimale të 14 microAmps)

Duke përdorur ligjin Ohms për rezistencën, ne mund të llogarisim vlerën e rezistencës që do të përputhet me standardin e sigurisë. Ne përdorim tensionin e ngacmimit nga AD5933 dhe vlerën maksimale aktuale:

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

P.sh. duke përdorur cilësimin Gama 1 Upeak = 3V / 2 = 1.5V (ose 1V @3.3V)

Duke përdorur vlerën e pikut 14 microAmp nga lart, marr një vlerë të rezistencës prej të paktën 107kOhms

Referencat:

* Pajisjet analoge: "Dizajni i qarkut bio-rezistencë për sistemet e veshura nga trupi"

Hapi 3: Përforcuesi Trans-përçueshmëri

Pas rezistencës aktuale të ndijimit ekziston një op-amp në një konfigurim të reagimeve negative. Ky është një i ashtuquajtur konfigurim Load-in-the-Loop. Terminali hyrës pozitiv i op-amp është i lidhur me një tension VDD/2. Op-amp tani do të përpiqet të rregullojë daljen e tij në drejtim të kundërt me sinjalin e ngacmimit të tillë që tensioni në terminalin negativ të jetë i barabartë me VDD/2. Kjo do të prodhojë një potencial sharrash që shtyn dhe tërheq rrymën nëpër trup.

Rryma e nxjerrë nga terminali negativ i op-amp është praktikisht zero. E gjithë rryma përmes rezistencës së ndjeshme aktuale duhet të rrjedhë nëpër trup. Ky është mekanizmi që e bën këtë konfigurim një përforcues trans-përçueshmërie (i quajtur edhe një burim aktual i kontrolluar nga tensioni, VCCS).

Op-amp mund të ruajë rrymën vetëm nëse rezistenca e trupit nuk është shumë e lartë. Përndryshe, dalja op-amp do të maksimizohej në tensionin e furnizimit (0 ose 5 V). Hapësira maksimale e tensionit që mund të mbahet është VDD/2 + Upeak (furnizimi 2.5 + 1.5V = 4V @ 5V). Kufijtë e tensionit të op-amp duhet të zbriten nga kjo vlerë, por nëse op-amp ka specifikime hekurudhë-hekurudhë kjo do të ishte vetëm një sasi e vogël. Rezistenca maksimale që op-amp mund të drejtojë është pra:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(Në konfigurimin tim Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, dëshira është e mjaftueshme për të mbuluar gamën e rezistencës së trupit)

Rezistenca mbrojtëse ka një vlerë shumë të madhe (1-1.5 MOhms) në krahasim me trupin (përafërsisht 100kOhms) dhe për të gjitha operacionet normale kjo nuk do të tërheqë ndonjë rrymë të dukshme dhe rezistenca e lidhjes paralele dominohet nga rezistenca e trupit. Nëse rezistenca e trupit duhet të rritet (p.sh. pads që lëshohen) rryma pastaj mund të kalojë nëpër rezistencë dhe maksimizimi jashtë op-amp nuk do të krijojë tensione të pakëndshme në jastëkët.

Hapi 4: Përforcuesi i instrumenteve

Faza tjetër është përforcuesi i instrumenteve (in-amp) i cili mat tensionin në trup. Tensioni në trup po lëkundet rreth 0V, por AD5933 ka nevojë që tensioni i hyrjes të jetë në një interval pozitiv. Prandaj, in-amp shton një kompensim DC të VDD/2 në sinjalin e tensionit të matur.

Referenca VDD/2 gjenerohet nga një ndarës i tensionit. Çdo rezistencë me vlerë mund të përdoret për sa kohë që ato janë të njëjta. Ndarësi i tensionit ndahet nga rezistenca e pjesës tjetër të qarkut nga një përcjellës i tensionit. Dalja e përcjellësit të tensionit pastaj mund të përcillet si në amplifikatorin në amplifikator ashtu edhe në atë të përçueshmërisë trans.

Hapi 5: Faza e Hyrjes dhe Kalibrimi

Faza hyrëse e AD5933 përmban një op-amp në konfigurimin e reagimeve negative. Ekzistojnë dy rezistenca: një në seri (Rin) dhe një paralel (RFB). Fitimi i op-amp jepet nga

A = - RFB / Rin

Fitimet e op-amp-it hyrës dhe in-amp (dhe PGA) duhet të sigurohen që sinjali që hyn në ADC të AD5933 është gjithmonë brenda 0V dhe VDD.

(Unë përdor një vlerë të fitimit të unitetit në amp dhe rezistencë që do të japë afërsisht A = 0.5)

Brenda AD5933 ADC do të shndërrojë sinjalin e tensionit në një në një sinjal dixhital. Gama e tensionit nga 0V në VDD konvertohet në rangun dixhital 0-128 (2^7). (Dokumentacioni nuk është i qartë për këtë, por një ekzaminim i ngushtë i komploteve në [1] dhe disa eksperimente nga ana ime e konfirmojnë këtë.)

Brenda modulit DFT ka një shkallë tjetër prej 256 (1024/4, shih [1]) para se rezultati të ruhet në regjistrin real dhe imagjinar.

Duke ndjekur sinjalin e tensionit përmes AFE, në ADC dhe duke përdorur faktorët e shkallës të përmendur më parë është e mundur të vlerësohet faktori i fitimit të jetë:

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

një kalibrim mund të jetë ende i nevojshëm, kështu që merrni parasysh disa efekte që nuk janë pjesë e këtij modeli matematikor, kështu që ju lutemi matni vlerën e vërtetë të fitimit duke matur komponentët e rezistencës së njohur, si rezistorët. (g = Z / mag, shih më poshtë)

Rezistenca tani mund të llogaritet duke

Z = g * mag

mag = sqrt (e vërtetë^2 + imagjinare^2)

PA = arctan2 (e vërtetë, imagjinare) - deltaPA

PA ndoshta ka nevojë të kalibrohet si dhe ka një ndryshim sistematik të fazës në funksion të frekuencës në AD5933. deltaPA ndoshta do të jetë një funksion linear i frekuencës.

Rezistenca dhe reaktanca tani mund të llogariten me

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Referencat: [1] Leonid Matsiev, "Përmirësimi i performancës dhe shkathtësisë së sistemeve bazuar në detektorë DFT me një frekuencë të tillë si AD5933", Elektronikë 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronikë4010001

Hapi 6: Gjëra të avancuara: Rrjedhje spektrale (DC)

Sinjali që vendosim në AD5933 është një tension/rrymë si një funksion i kohës, por interesi ynë kryesor është rezistenca e fortë si një funksion i frekuencës. Për të konvertuar midis fushës kohore dhe fushës së frekuencës, ne duhet të marrim transformimin Furier të sinjalit të fushës kohore. AD5933 ka një modul të integruar të transformimit Furier (DFT). Në frekuenca të ulëta (nën përafërsisht 10 kHz) ndërtimi i DFT ndikohet nga aliazimi dhe rrjedhjet spektrale. Në [1] ai kalon përmes matematikës se si të korrigjojë rrjedhjen spektrale. Thelbi i kësaj është të llogarisni pesë (plus dy) konstante për secilin hap të frekuencës në spastrim. Kjo lehtë mund të bëhet p.sh. nga Arduino në softuer.

Rrjedhja vjen në dy forme: një rrjedhje DC e cila është shtesë në natyrë dhe një rrjedhje AC e cila është shumëzuese në natyrë.

Rrjedhja DC rrjedh nga fakti se sinjali i tensionit në ADC nuk po lëkundet rreth 0V por rreth VDD/2. Një nivel DC i VDD/2 duhet të korrespondojë me një lexim dixhital DC prej përafërsisht 64 (delta e caktuar në [1]).

Hapat për të korrigjuar rrjedhjen spektrale të DC:

1) Llogaritni Zarfin-faktorin E për frekuencën aktuale.

2) Llogaritni dy faktorët e përfitimit GI (real) dhe GQ (imagjinar)

3) Zbrit deltën * GI nga vlera e regjistrit real dhe delta * GQ nga vlera e regjistrit imagjinar

Referencat:

[1] Leonid Matsiev, "Përmirësimi i performancës dhe shkathtësisë së sistemeve të bazuara në

Detektorë DFT me një frekuencë të tillë si AD5933 , Elektronikë 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Frequency Range Impedance Meter Based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Masat Syst., Vol. XXII (2015), Nr. 1, f. 13–24.

Hapi 7: Gjëra të avancuara: Rrjedhje spektrale (AC)

Ashtu si rrjedhja DC, rrjedhja AC mund të korrigjohet matematikisht. Në [1] rezistenca dhe reaktanca quhen respektivisht A*cos (phi) dhe A*sin (phi), ku A korrespondon me madhësinë e rezistencës dhe phi korrespondon me këndin e fazës (PA).

Hapat për të korrigjuar rrjedhjen spektrale të AC:

1) Llogaritni Zarfin-faktorin E (jo ai i njëjtë me DC) për frekuencën aktuale.

2) Llogaritni tre faktorët a, b dhe d. (vlera përafërsisht në frekuenca më të larta: a = d = 256 dhe b = 0)

3) Rezistenca (Acos (phi)) dhe reaktanca (Asin (phi)) tani mund të llogariten në njësi dixhitale

Referencat: [1] Leonid Matsiev, "Përmirësimi i performancës dhe shkathtësisë së sistemeve të bazuara në detektorë DFT me një frekuencë të tillë si AD5933", Elektronikë 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronikë4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Frequency Range Impedance Meter Based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Masat Syst., Vol. XXII (2015), Nr. 1, f. 13–24.

Hapi 8: Gjëra të avancuara: faktori i fitimit teorik

Duke pasur parasysh modelimin matematikor të DFT -së, gjithashtu duhet të jetë e mundur të modeloni të gjithë AFE -në në mënyrë matematikore. Matematikisht sinjali i tensionit mund të përshkruhet nga një funksion sinus me një frekuencë të caktuar fikse, një kompensim DC dhe një lëkundje AC me një amplitudë kulmi. Frekuenca nuk ndryshon gjatë një hapi frekuence. Meqenëse faktori i fitimit ndryshon vetëm madhësinë e rezistencës dhe jo PA, këtu nuk do të shqetësohemi për ndonjë zhvendosje fazore të shkaktuar në sinjal.

Këtu është një përmbledhje e shkurtër e sinjalit të tensionit ndërsa përhapet përmes AFE:

1) Pas fazës së ri-paragjykimit, amplituda AC është akoma Upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V) dhe offcet DC është ndryshuar në VDD/2.

2) Në rezistencën e ndjeshme të rrymës tensioni është i njëjtë si në fazën e mëparshme …

3) … por për shkak të tensionit të sharrës së op-amp, luhatjet AC kanë një madhësi Z*Upeak/Rrjedha. (Kompensimi DC anulohet nga tensioni i referencës op -amps i VDD/2 - pika e boshtit të sharrës - dhe bëhet një terren virtuoz në këtë pjesë të qarkut)

4) Uniteti në amp shton kompensimin DC të VDD/2 përsëri dhe përcjell sinjalin në fazën e hyrjes së AD5933

5) Op-amp në fazën e hyrjes ka një fitim prej A = -RFB/Rin dhe amplituda AC prandaj bëhet (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

6) Pak para ADC ekziston një përforcues i përfitimit të programueshëm (PGA) me dy cilësime një fitim prej 1 ose 5. Sinjali i tensionit në ADC bëhet kështu: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

ADC konverton sinjalin v (t) në një sinjal dixhital x (t) = u (t) / VDD * 2^7 me një saktësi 12 bit.

Madhësia A është e lidhur me rezistencën Z nga faktori i fitimit, k, si A = k * Z dhe ka një vlerë të përafërt prej k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

Nëse ju pëlqen të punoni me faktor fitimi në vend g = 1 / k dhe Z = g * A.

Hapi 9: Gjëra të avancuara: Pales Shift

Në [2] ata gjejnë një zhvendosje sistematike në PA si një funksion i frekuencës. Kjo është për shkak të një vonese kohore midis DAC ku gjenerohet sinjali i ngacmimit dhe DFT ku sinjali që vjen duhet të ngatërrohet me sinjalin dalës.

Zhvendosja karakterizohet nga numri i cikleve të orës kur sinjali vonohet midis DAC dhe DFT brenda AD5933.

Referencat: [1] Leonid Matsiev, "Përmirësimi i performancës dhe shkathtësisë së sistemeve të bazuara në detektorë DFT me një frekuencë të tillë si AD5933", Elektronikë 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektronikë4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Frequency Range Impedance Meter Based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Masat Syst., Vol. XXII (2015), Nr. 1, f. 13–24.