Bioimpedantsi analüüs (BIA) AD5933: 9 sammuga

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

Olen olnud huvitatud bioimpedantsianalüsaatori valmistamisest kehakoostise mõõtmiseks ja minu juhuslikud otsingud leidsid pidevalt disaini Vanderbilti ülikooli 2015. aasta biomeditsiiniliste instrumentide klassist. Olen kujunduse läbi töötanud ja veidi parandanud. Tahaksin teiega oma avastusi jagada. Võtke sellest "läbikäigust" kasu, kui midagi pole selge, soovitage parandusi. Võib -olla kirjutan kunagi oma mõtte ühtsemas vormis, kuid praegu loodan, et saate siin kõike kasutada. (Kui arvate, et saate selle kirja panna ja parandada, olete teretulnud)

Teddy

See disain koosneb AD5933 kiibist ja kohandatud analoog-esipaneelist (AFE), mis ühendab AD5933 kehaga. Seejärel mõõdab AD5933 mõõtmisi ja tulemusi saab seejärel töödelda mikrokontrolleri (nt Arduino) abil.

Kui kavatsete kasutada Arduino toiteallikana, veenduge, et töövõimendid ja mõõteriistad (võimendid ja võimendid) toetaksid niinimetatud "ühe toite" pingeid ja et need oleksid rööbast-rööpaga.

(Järgnevalt kasutan 5 V toiteallikat (Arduino) ja AD5933 seadistust vahemik 1.)

1. samm: ümberpaigutamise etapp

AFE esimene osa on re-bias etapp. Väljundpinge signaal ei ole toitepingevahemiku keskel (VDD/2). Seda parandatakse kondensaatori abil, et blokeerida signaali alalisvoolu osa ja saata see läbi pingejaguri, et lisada alalisvoolu nihe tagasi signaali.

Kaks ümberpingestatud takistit võivad olla mis tahes väärtusega, kui need on samad. Samuti ei ole korgi konkreetne väärtus oluline.

Re-bias etapp töötab nagu kõrgpääsfilter ja seetõttu on selle sagedus:

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

Veenduge, et väljalülitamissagedus on mõnikümmend aastat madalam kasutatavast minimaalsest sagedusest. Kui kavatsete oma rakenduses kasutada 1 kHz, peaksite kasutama ülempiire ja takistite väärtusi, mis annavad teile piirsageduse suurusjärgus 1-10 Hz.

Selle etapi viimane osa on op-amp, mis on seadistatud pinge järgijaks. Selle eesmärk on veenduda, et takisti väärtused ei häiri järgmist etappi

2. samm: voolutundlik takisti

Järgmise etapi esimene osa on voolutundlik takisti. Selle takisti läbiv vool on sama vool, mida võimendi püüab läbi keha säilitada. Veenduge, et vool vastab IEC6060-1 ohutusstandarditele*:

Alla 1 kHz sageduste on läbi keha lubatud maksimaalselt 10 mikroAmprit (RMS). Sagedustel üle 1 kHz annab järgmine võrrand maksimaalse lubatud voolu:

Maksimaalne vahelduvvool <(minimaalne sagedus kHz) * 10 mikroAmp (RMS)

Vahelduvvoolusignaali tippamplituudi ja selle RMS väärtuse vaheline suhe on järgmine: tipp = sqrt (2) * RMS. (10 mikroAmps RMS vastab 14 mikroAmps tippamplituudile)

Kasutades takisti Ohmi seadust, saame arvutada ohutusstandardile vastava takisti väärtuse. Kasutame AD5933 ergutuspinget ja maksimaalset vooluväärtust:

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

Nt. kasutades vahemiku 1 sätet Upeak = 3V / 2 = 1.5V (või 1V @3.3V)

Kasutades ülalt 14 mikroAmp tippväärtust, saan takisti väärtuseks vähemalt 107 kOhm

Viited:

* Analoogseadmed: "Bioimpedantsahela disain keha kulunud süsteemidele"

Samm 3: Trans-juhtivuse võimendi

Pärast praegust anduritakistit on negatiivse tagasiside konfiguratsiooniga op-amp. See on nn Load-in-the-Loop seadistus. Op-amp positiivne sisendklemm on ühendatud VDD/2 pingega. Nüüd proovib op-amp oma väljundit reguleerida ergastussignaalile vastupidises suunas, nii et pinge negatiivses klemmis on võrdne VDD/2. See tekitab nägemisvõimaluse, mis surub ja tõmbab voolu läbi keha.

Op-võimendi negatiivsest klemmist tõmmatud vool on praktiliselt null. Kogu vool, mis läbib voolutundlikku takistit, peab seetõttu voolama läbi keha. See on mehhanism, mis muudab selle seadistuse trans-juhtivusvõimendiks (mida nimetatakse ka pingega juhitavaks vooluallikaks, VCCS).

Op-amp suudab voolu säilitada ainult siis, kui keha takistus ei ole liiga kõrge. Vastasel juhul oleks op-amp väljund toitepinge (0 või 5 V) korral maksimaalselt väljas. Maksimaalne pingevahemik, mida saab säilitada, on VDD/2 + Upeak (2,5 + 1,5 V = 4 V @ 5 V toide). Sellest väärtusest tuleks lahutada op-amp-i pingepiirid, kuid kui op-amp-il on rööbastee-rööpa spetsifikatsioonid, mis oleksid vaid väikesed. Maksimaalne takistus, mida op-amp saab juhtida, on järgmine:

Z <(VDD / 2 + Kõne) / Imax

(Minu seadistuses Z <4V / 14 microAmps = 285 kOhms, soovist piisab keha impedantsivahemiku katmiseks)

Kaitsetakistil on kehaga võrreldes väga suur väärtus (1-1,5 MOhms) (umbes 100 kOhm) ja kõigi tavapäraste toimingute puhul ei võta see märgatavat voolu ning paralleelühenduse takistuses domineerib keha takistus. Kui keha impedants peaks tõusma (nt padjad lahti tulema), võib vool läbida takisti ja op-amp võimendus ei tekita padjadesse ebameeldivaid pingeid.

4. samm: mõõteriistade võimendi

Järgmine etapp on instrumendivõimendi (võimendi), mis mõõdab kogu keha pinget. Kogu keha pinge võngub 0V ümber, kuid AD5933 vajab sisendpinget positiivses vahemikus. Seetõttu lisab võimendi sisendvõimsus mõõdetud pingesignaalile alalisvoolu nihke VDD/2.

VDD/2 viite genereerib pingejagur. Mis tahes väärtustakistit saab kasutada seni, kuni need on samad. Pingejagur on ülejäänud vooluahela impedantsist eraldatud pingejälgijaga. Pingejälgija väljundit saab seejärel edastada nii võimendisse kui ka juhtivusvõimendisse.

5. samm: sisendietapp ja kalibreerimine

AD5933 sisendetapp sisaldab negatiivse tagasiside konfiguratsiooniga op-amp. Takistusi on kaks: üks järjestikku (Rin) ja teine paralleelselt (RFB). Op-amp võimenduse annab

A = - RFB / Rin

Sisendvõimendi ja sisendvõimendi (ja PGA) võimendused peavad tagama, et AD5933 ADC-sse sisenev signaal oleks alati 0V ja VDD piires.

(Ma kasutan ühtsuse võimenduse võimendi ja takisti väärtusi, mis annavad umbes A = 0,5)

AD5933 sees teisendab ADC pingesignaali a digitaalsignaaliks. Pingevahemik 0V kuni VDD muundatakse digitaalseks vahemikuks 0-128 (2^7). (Dokumentatsioon ei ole selles osas selge, kuid [1] kruntide põhjalik uurimine ja minu poolt tehtud katsed kinnitavad seda.)

DFT -mooduli sees on veel üks skaleerimine 256 (1024/4, vt [1]), enne kui tulemus salvestatakse tegelikku ja kujuteldavasse registrisse.

Järgides pingesignaali AFE kaudu ADC-sse ja kasutades eelnevalt mainitud skaalategureid, on võimalik hinnata võimendustegurit järgmiselt:

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

Mõni kalibreerimine võib siiski osutuda vajalikuks, nii et arvestage mõningaid efekte, mis ei kuulu selle matemaatilise mudeli hulka, nii et palun mõõtke tegelikku võimendusväärtust, mõõtes teadaoleva takistusega komponente, nagu takistid. (g = Z / mag, vt allpool)

Impedantsi saab nüüd arvutada

Z = g * mag

mag = sqrt (reaalne^2 + kujuteldav^2)

PA = arctan2 (reaalne, kujuteldav) - deltaPA

Tõenäoliselt tuleb PA-d kalibreerida ning AD5933-s on sageduse funktsioonina süstemaatiline faasinihke. deltaPA on tõenäoliselt mingi sageduse lineaarne funktsioon.

Takistust ja reaktsioonivõimet saab nüüd arvutada

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Viited: [1] Leonid Matsiev, "Ühe sagedusega DFT-detektoritel nagu AD5933 põhinevate süsteemide jõudluse ja mitmekülgsuse parandamine", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektroonika4010001

6. samm: täiustatud asjad: spektraalleke (DC)

AD5933 sisestatud signaal on pinge/vool ajafunktsioonina, kuid meie peamine huvi on takistus kui sagedusfunktsioon. Aja domeeni ja sagedusdomeeni vahel teisendamiseks peame võtma ajadomeeni signaali Fourier 'teisenduse. AD5933-l on sisseehitatud diskreetne Fourier-teisenduse (DFT) moodul. Madalatel sagedustel (alla umbes 10 kHz) mõjutavad DFT ehitamist varjunimi ja spektraalsed lekked. Aastal [1] läbib ta matemaatika, kuidas spektraalset leket parandada. Selle olemus on arvutada viis (pluss kaks) konstandit iga sagedusetapi kohta. Seda saab hõlpsalt teha nt. Arduino poolt tarkvaras.

Leke on kahel kujul: alalisvoolu leke, mis on oma olemuselt lisaaine, ja vahelduvvoolu leke, mis on oma olemuselt mitmekordne.

Alalisvoolu leke tuleneb asjaolust, et pingesignaal ADC juures ei võngu ümber 0V, vaid ümber VDD/2. Alalisvoolu tase VDD/2 peaks vastama digitaalse alalisvoolu näitule ligikaudu 64 (tähistatud kolmnurgaga [1]).

Alalisvoolu spektraalse lekke parandamise sammud:

1) Arvutage ümbriku tegur E praeguse sageduse jaoks.

2) Arvutage kaks võimendustegurit GI (reaalne) ja GQ (kujuteldav)

3) Lahutage reaalregistri väärtusest delta * GI ja kujuteldava registri väärtusest delta * GQ

Viited:

[1] Leonid Matsiev, "Süsteemide jõudluse ja mitmekülgsuse parandamine, mis põhineb

Ühesageduslikud DFT-detektorid, näiteks AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Range Impedance Meter based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Mõõdud. Syst., Kd. XXII (2015), nr 1, lk 13–24.

7. samm: täiustatud asjad: spektraalleke (vahelduvvool)

Sarnaselt alalisvoolu lekkega saab ka AC -leket matemaatiliselt parandada. Aastal [1] nimetatakse takistust ja reaktsioonivõimet vastavalt A*cos (phi) ja A*sin (phi), kus A vastab takistuse suurusele ja phi vastab faasinurgale (PA).

Vahelduvvoolu spektraalse lekke parandamise sammud:

1) Arvutage praeguse sageduse jaoks ümbrikutegur E (mitte sama, mis alalisvoolu korral).

2) Arvutage kolm tegurit a, b ja d. (ligikaudsed väärtused kõrgematel sagedustel: a = d = 256 ja b = 0)

3) Vastupanu (Acos (phi)) ja reaktsioonivõimet (Asin (phi)) saab nüüd arvutada digitaalse ühikuna

Viited: [1] Leonid Matsiev, "Ühe sagedusega DFT-detektoritel nagu AD5933 põhinevate süsteemide jõudluse ja mitmekülgsuse parandamine", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektroonika4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Range Impedance Meter based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Mõõdud. Syst., Kd. XXII (2015), nr 1, lk 13–24.

8. samm: täiustatud asjad: teoreetiline võimendustegur

Arvestades DFT matemaatilist modelleerimist, peaks olema võimalik modelleerida ka kogu AFE matemaatiliselt. Matemaatiliselt saab pingesignaali kirjeldada siinusfunktsiooniga, millel on etteantud fikseeritud sagedus, alalisvoolu nihe ja vahelduvvoolu võnkumine tippamplituudiga. Sagedus ei muutu sagedussammu ajal. Kuna võimendustegur muudab ainult impedantsi suurust, mitte PA, ei tegele me siin signaaliga indutseeritud faasinihkega.

Siin on lühike kokkuvõte pingesignaalist AFE kaudu levides:

1) Pärast eelpingestamise etappi on vahelduvvoolu amplituud endiselt Upeak = 1,5V (1V @ VDD = 3,3 V) ja alalisvoolu nihkeks on muudetud VDD/2.

2) Voolutundlikus takistis on pinge sama, mis eelmises etapis…

3)… kuid op-amp-i kiikpinge tõttu on vahelduvvoolu võnkumiste suurus Z*Upeak/Rcurrent. (Alalisvoolu nihke tühistab op -ampri võrdluspinge VDD/2 - kiikede pöördepunkt - ja see muutub vooluahela selles osas vooluallikaks)

4) Ühtsusvõimendi lisab VDD/2 alalisvoolu nihke tagasi ja edastab signaali AD5933 sisendastmele

5) Sisendastme op-võimendi võimendus on A = -RFB/Rin ja seetõttu muutub vahelduvvoolu amplituud (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

6) Vahetult enne ADC -d on programmeeritav võimendusvõimendi (PGA), millel on kaks seadistust, võimendus 1 või 5. Seetõttu muutub ADC pingesignaaliks: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

ADC muudab v (t) signaali 12 -bitise täpsusega digitaalseks signaaliks x (t) = u (t) / VDD * 2^7.

Suurus A on impedantsiga Z ühendatud võimendusteguriga k, nagu A = k * Z ja selle ligikaudne väärtus on k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

Kui soovite töötada võimendusteguriga, siis g = 1 / k ja Z = g * A.

9. samm: täiustatud asjad: PA vahetus

Aastal [2] leiavad nad PA -s süstemaatilise nihke sageduse funktsioonina. Selle põhjuseks on ajaline viivitus ergastussignaali genereeriva DAC ja DFT vahel, kus sissetulev signaal tuleb väljuva signaaliga kokku keerata.

Nihet iseloomustab kellatsüklite arv, mille signaal viibib AD5933 sisemise DAC ja DFT vahel.

Viited: [1] Leonid Matsiev, "Ühe sagedusega DFT-detektoritel nagu AD5933 põhinevate süsteemide jõudluse ja mitmekülgsuse parandamine", Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/elektroonika4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Simple Wide Frequency Range Impedance Meter based on AD5933 Integrated Circuit", Metrol. Mõõdud. Syst., Kd. XXII (2015), nr 1, lk 13–24.