Bioimpedances analīze (BIA) ar AD5933: 9 soļiem

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:55

Mani interesēja izveidot bioimpedances analizatoru ķermeņa sastāva mērījumiem, un nejaušie meklējumi turpināja atrast dizainu no 2015. gada biomedicīnas instrumentu klases Vanderbilta universitātē. Esmu izstrādājis dizainu un nedaudz to uzlabojis. Es vēlos dalīties ar jums savos atklājumos. Ja kaut kas nav skaidrs, ņemiet vērā, ko varat izmantot, ja iesakāt uzlabojumus. Es kādreiz varētu uzrakstīt savu domu sakarīgākā formā, bet pagaidām ceru, ka varēsiet izmantot visu, ko šeit redzat. (Ja domājat, ka varat to uzrakstīt un uzlabot, esat laipni gaidīti)

Tedijs

Šis dizains sastāv no AD5933 mikroshēmas un pielāgotas analogās priekšējās daļas (AFE), lai savienotu AD5933 ar korpusu. Pēc tam AD5933 veic mērījumus, un rezultātus var apstrādāt ar mikrokontrolleri (piemēram, Arduino).

Ja plānojat izmantot Arduino kā barošanas avotu, pārliecinieties, ka darbības un instrumentu pastiprinātāji (op-amp un in-amps) atbalsta tā sauktos "vienas barošanas" spriegumus un tiem ir specifikācijas no sliedes līdz dzelzceļam.

(Turpmāk es izmantošu 5 V barošanas avotu (no Arduino) un AD5933 1. diapazona iestatījumu.)

1. solis: atkārtotas neobjektivitātes posms

AFE pirmā daļa ir atkārtota neobjektivitātes posms. Izejas sprieguma signāls nav centrēts barošanas sprieguma diapazona vidū (VDD/2). To izlabo, izmantojot kondensatoru, lai bloķētu signāla līdzstrāvas daļu un nosūtītu to caur sprieguma sadalītāju, lai pievienotu līdzstrāvas nobīdi atpakaļ signālam.

Abiem atkārtota slīpuma rezistoriem var būt jebkura vērtība, ja vien tie ir vienādi. Arī vāciņa īpašā vērtība nav svarīga.

Atkārtotā slīpuma pakāpe darbojas kā augstfrekvences filtrs, un tāpēc tai ir izslēgšanas frekvence:

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

Pārliecinieties, ka ierobežojuma frekvence ir dažas desmitgades zemāka par minimālo frekvenci, kuru plānojat izmantot. Ja plānojat savā lietojumprogrammā izmantot 1 kHz, jums jāizvēlas vāciņi un rezistoru vērtības, kas jums nodrošinās robežfrekvenci apmēram 1–10 Hz.

Šī posma pēdējā daļa ir op-amp, kas iestatīts kā sprieguma sekotājs. Tas tiek darīts, lai pārliecinātos, ka rezistora vērtības netraucē nākamajam posmam

2. solis: strāvas sensoru rezistors

Nākamā posma pirmā daļa ir strāvas sensoru rezistors. Strāva caur šo rezistoru būs tāda pati strāva, kādu pastiprinātājs mēģinās uzturēt caur ķermeni. Pārliecinieties, vai strāva atbilst IEC6060-1 drošības standartiem*:

Zem 1 kHz frekvencēm caur ķermeni ir atļauti ne vairāk kā 10 mikroAmp (RMS). Frekvencēs virs 1 kHz šāds vienādojums norāda maksimālo pieļaujamo strāvu:

Maksimālā maiņstrāva <(minimālā frekvence kHz) * 10 mikroAmp (RMS)

Attiecība starp maiņstrāvas signāla maksimālo amplitūdu un tā RMS vērtību ir šāda: maksimums = sqrt (2) * RMS. (10 mikroAmps RMS atbilst 14 mikroAmps maksimālajai amplitūda)

Izmantojot Ohma likumu uz rezistora, mēs varam aprēķināt rezistora vērtību, kas atbilst drošības standartam. Mēs izmantojam ierosmes spriegumu no AD5933 un maksimālo strāvas vērtību:

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

Piem. izmantojot 1. diapazona iestatījumu Upeak = 3V / 2 = 1.5V (vai 1V @3.3V)

Izmantojot 14 mikroAmp maksimālo vērtību no augšas, es saņemu rezistora vērtību vismaz 107 kOhm

Atsauces:

* Analogās ierīces: "Bio-pretestības shēmas dizains ķermeņa nodilušām sistēmām"

3. darbība. Transvadītspējas pastiprinātājs

Pēc pašreizējās uztveršanas rezistora ir op-amp negatīvas atgriezeniskās saites konfigurācijā. Šī ir tā saucamā Load-in-the-Loop iestatīšana. Op-amp pozitīvā ieejas spaile ir pievienota VDD/2 spriegumam. Op-amp tagad mēģinās noregulēt savu izeju pretēji ierosmes signālam tā, lai spriegums negatīvajā spailē būtu vienāds ar VDD/2. Tas radīs redzamības potenciālu, kas spiež un velk strāvu caur ķermeni.

Strāva, kas iegūta no op-amp negatīvā termināļa, praktiski ir nulle. Tāpēc visai strāvai caur strāvas sensoru jāplūst caur ķermeni. Tas ir mehānisms, kas padara šo iestatījumu par transvadītspējas pastiprinātāju (sauktu arī par sprieguma kontrolētu strāvas avotu, VCCS).

Op-amp var saglabāt strāvu tikai tad, ja ķermeņa pretestība nav pārāk augsta. Pretējā gadījumā op-amp izeja maksimāli izplūst pie barošanas sprieguma (0 vai 5 V). Maksimālais sprieguma diapazons, ko var uzturēt, ir VDD/2 + Upeak (2,5 + 1,5 V = 4 V @ 5 V barošana). No šīs vērtības ir jāatņem op-amp sprieguma robežas, bet, ja op-amp ir specifikācijas no sliedes līdz dzelzceļam, tas būtu tikai neliels daudzums. Tāpēc maksimālā pretestība, ko var vadīt op-amp, ir:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(Manā iestatījumā Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, vēlme ir pietiekama, lai aptvertu ķermeņa pretestības diapazonu)

Aizsardzības rezistoram ir ļoti liela vērtība (1-1,5 MOhms), salīdzinot ar korpusu (aptuveni 100 kOhm), un visām normālajām darbībām tas neņems ievērojamu strāvu, un paralēlā savienojuma pretestībā dominē korpusa pretestība. Ja ķermeņa pretestībai vajadzētu palielināties (piemēram, spilventiņi atslābst), tad strāva var iet caur rezistoru, un, palielinot op-amp, neizveidos spilvenos nepatīkamus spriegumus.

4. solis: instrumentu pastiprinātājs

Nākamais posms ir instrumentu pastiprinātājs (pastiprinātājs), kas mēra spriegumu visā ķermenī. Spriegums visā ķermenī svārstās ap 0V, bet AD5933 ieejas spriegumam jābūt pozitīvā diapazonā. Tāpēc pastiprinātājs izmērītajam sprieguma signālam pievieno līdzstrāvas nobīdi VDD/2.

VDD/2 atsauci ģenerē sprieguma dalītājs. Jebkuru vērtību rezistoru var izmantot, ja vien tie ir vienādi. Sprieguma dalītāju no pārējās ķēdes pretestības atdala sprieguma sekotājs. Sprieguma sekotāja izeju var pārsūtīt gan uz pastiprinātāju, gan uz transvadītspējas pastiprinātāju.

5. solis: ievades posms un kalibrēšana

AD5933 ievades stadijā ir op-amp negatīvas atgriezeniskās saites konfigurācijā. Ir divi rezistori: viens virknē (Rin) un otrs paralēli (RFB). Op-amp pastiprinājumu dod

A = - RFB / Rin

Ievades op-amp un in-amp (un PGA) ieguvumiem ir jāpārliecinās, ka signāls, kas nonāk AD5933 ADC, vienmēr ir 0V un VDD robežās.

(Es izmantoju vienotības pastiprinātāja un rezistora vērtības, kas dos aptuveni A = 0,5)

AD5933 iekšpusē ADC pārveidos sprieguma signālu par ciparu signālu. Sprieguma diapazons no 0V līdz VDD tiek pārveidots par ciparu diapazonu 0-128 (2^7). (Dokumentācija par to nav skaidra, bet rūpīga zemes gabalu [1] izpēte un daži eksperimenti no manas puses to apstiprina.)

DFT moduļa iekšpusē ir vēl 256 mērogošana (1024/4, sk. [1]), pirms rezultāts tiek saglabāts reālajā un iedomātajā reģistrā.

Sekojot sprieguma signālam caur AFE, ADC un izmantojot iepriekš minētos mēroga koeficientus, ir iespējams novērtēt pastiprinājuma koeficientu:

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

joprojām var būt nepieciešama kāda kalibrēšana, tāpēc ņemiet vērā dažus efektus, kas nav šī matemātiskā modeļa daļa, tāpēc, lūdzu, izmēriet patieso pieauguma vērtību, mērot zināmas pretestības komponentus, piemēram, rezistorus. (g = Z / mag, skatīt zemāk)

Tagad pretestību var aprēķināt pēc

Z = g * mag

mag = sqrt (reāls^2 + iedomāts^2)

PA = arctan2 (reāls, iedomāts) - deltaPA

PA, iespējams, ir jākalibrē, kā arī ir sistemātiska fāzes nobīde kā frekvences funkcija AD5933. deltaPA, iespējams, būs kāda frekvences lineāra funkcija.

Pretestību un pretestību tagad var aprēķināt pēc

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Atsauces: [1] Leonīds Matsjevs, "Sistēmu veiktspējas un daudzpusības uzlabošana, pamatojoties uz vienas frekvences DFT detektoriem, piemēram, AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

6. darbība. Uzlabotas lietas: spektrālā noplūde (DC)

Signāls, ko mēs ievietojām AD5933, ir spriegums/strāva kā laika funkcija, bet mūsu galvenā interese ir pretestība kā frekvences funkcija. Lai konvertētu starp laika domēnu un frekvences domēnu, mums ir jāņem laika domēna signāla Furjē transformācija. AD5933 ir iebūvēts diskrēts Furjē transformācijas (DFT) modulis. Zemās frekvencēs (zem aptuveni 10 kHz) DFT iebūvēšanu ietekmē pseidonīmi un spektrālā noplūde. [1] viņš iziet matemātiku, kā labot spektrālo noplūdi. Tā būtība ir aprēķināt piecas (plus divas) konstantes katram frekvences solim slaucīšanas laikā. To var viegli izdarīt, piem. Arduino programmatūrā.

Noplūde notiek divos veidos: līdzstrāvas noplūde, kurai ir papildinošs raksturs, un maiņstrāvas noplūde, kurai ir daudzkāršs raksturs.

Līdzstrāvas noplūde rodas no tā, ka sprieguma signāls pie ADC svārstās nevis ap 0V, bet ap VDD/2. Līdzstrāvas līmenim VDD/2 jāatbilst aptuveni 64 digitālajam līdzstrāvas rādījumam (apzīmēts ar delta [1]).

Darbības DC spektrālās noplūdes novēršanai:

1) Aprēķiniet aploksnes koeficientu E pašreizējai frekvencei.

2) Aprēķiniet divus pastiprinājuma faktorus GI (reāls) un GQ (iedomāts)

3) Atņemiet delta * GI no reālā reģistra vērtības un delta * GQ no iedomātā reģistra vērtības

Atsauces:

[1] Leonīds Matsjevs, "Sistēmu veiktspējas un daudzpusības uzlabošana, pamatojoties uz

Vienas frekvences DFT detektori, piemēram, AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrāds Čabovskis, Tomašs Piaseckis, Andžejs Dzierka, Karols Ničs, "Vienkāršs plaša frekvenču diapazona pretestības mērītājs, pamatojoties uz AD5933 integrēto shēmu", Metrol. Mēri. Syst., Sēj. XXII (2015), Nr. 1, 13. – 24.

7. darbība: uzlabotas lietas: spektrālā noplūde (maiņstrāva)

Tāpat kā līdzstrāvas noplūdi, maiņstrāvas noplūdi var labot matemātiski. [1] pretestību un pretestību attiecīgi sauc par A*cos (phi) un A*sin (phi), kur A atbilst pretestības lielumam un phi atbilst fāzes leņķim (PA).

Maiņstrāvas spektrālās noplūdes novēršanas darbības:

1) Aprēķiniet aploksnes koeficientu E (tas nav tāds pats kā DC) pašreizējai frekvencei.

2) Aprēķiniet trīs faktorus a, b un d. (aptuveni vērtības augstākās frekvencēs: a = d = 256 un b = 0)

3) Pretestību (Acos (phi)) un reaktivitāti (Asin (phi)) tagad var aprēķināt digitālās vienībās

Atsauces: [1] Leonīds Matsjevs, "Sistēmu veiktspējas un daudzpusības uzlabošana, pamatojoties uz vienas frekvences DFT detektoriem, piemēram, AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrāds Čabovskis, Tomašs Piaseckis, Andžejs Dzierka, Karols Nitshs, "Vienkāršs plaša frekvenču diapazona pretestības mērītājs, pamatojoties uz AD5933 integrēto shēmu", Metrol. Mēri. Syst., Sēj. XXII (2015), Nr. 1, 13. – 24.

8. solis: Uzlabotas lietas: teorētiskā ieguvuma faktors

Ņemot vērā DFT matemātisko modelēšanu, vajadzētu būt iespējai arī matemātiski modelēt visu AFE. Matemātiski sprieguma signālu var aprakstīt ar sinusa funkciju ar noteiktu fiksētu frekvenci, līdzstrāvas nobīdi un maiņstrāvas svārstībām ar maksimālo amplitūdu. Frekvences soļa laikā frekvence nemainās. Tā kā pastiprinājuma koeficients maina tikai pretestības lielumu, nevis PA, mēs šeit neuztraucamies par signāla izraisītu fāzes nobīdi.

Šeit ir īss sprieguma signāla kopsavilkums, izplatoties caur AFE:

1) Pēc atkārtotas novirzes pakāpes maiņstrāvas amplitūda joprojām ir Upeak = 1.5V (1V @ VDD = 3.3V), un līdzstrāvas nobīde ir mainīta uz VDD/2.

2) Pašreizējā sensora rezistorā spriegums ir tāds pats kā iepriekšējā posmā …

3)… bet op-amp šūpošanās sprieguma dēļ maiņstrāvas svārstību izmērs ir Z*Upeak/Rcurrent. (Līdzstrāvas nobīdi atceļ op -amperu atskaites spriegums VDD/2 - šūpoles pagrieziena punkts - un tas kļūst par virtuela zemi šajā ķēdes daļā)

4) Vienotības pastiprinātājs pievieno VDD/2 līdzstrāvas nobīdi atpakaļ un pārsūta signālu uz AD5933 ievades stadiju

5) Op-amp ievades stadijā ir A = -RFB/Rin pastiprinājums, un līdz ar to maiņstrāvas amplitūda kļūst par (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

6) Tieši pirms ADC ir programmējams pastiprinājuma pastiprinātājs (PGA) ar diviem iestatījumiem ar pastiprinājumu 1 vai 5. Tāpēc sprieguma signāls ADC kļūst par: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

ADC pārveido v (t) signālu ciparu signālā x (t) = u (t) / VDD * 2^7 ar 12 bitu precizitāti.

A lielums ir saistīts ar pretestību Z ar pastiprinājuma koeficientu k, jo A = k * Z, un tā aptuvenā vērtība ir k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

Ja jums patīk strādāt ar pastiprinājuma faktoru, tā vietā g = 1 / k un Z = g * A.

9. solis: uzlabotas lietas: PA maiņa

[2] viņi atrod sistemātisku PA maiņu kā frekvences funkciju. Tas ir saistīts ar laika aizkavi starp DAC, kurā tiek ģenerēts ierosmes signāls, un DFT, kurā ienākošais signāls ir jāapvieno ar izejošo signālu.

Pārbīdi raksturo pulksteņa ciklu skaits, kad signāls kavējas starp DAC un DFT iekšēji AD5933.

Atsauces: [1] Leonīds Matsijevs, "Sistēmu veiktspējas un daudzpusības uzlabošana, pamatojoties uz vienas frekvences DFT detektoriem, piemēram, AD5933", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrāds Čabovskis, Tomašs Piaseckis, Andžejs Dzierka, Karols Nitshs, "Vienkāršs plaša frekvenču diapazona pretestības mērītājs, pamatojoties uz AD5933 integrēto shēmu", Metrol. Mēri. Syst., Sēj. XXII (2015), Nr. 1, 13. – 24.