Analiza bio impedancije (BIA) s AD5933: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

Bio sam zainteresiran za izradu Bio Impedance Analyzera za mjerenje sastava tijela i mojim nasumičnim pretraživanjima stalno sam pronalazio dizajn iz razreda Biomedicinski instrumenti iz 2015. na Sveučilištu Vanderbilt. Razradio sam dizajn i malo ga poboljšao. Želio bih svoja otkrića podijeliti s vama. Uzmite sve što možete koristiti iz ovog "prolaska" ako vam nešto nije jasno, predložite poboljšanja. Možda ću jednog dana svoju misao napisati u kohezivnijem obliku, ali zasad se nadam da možete upotrijebiti sve što vidite. (Ako mislite da ovo možete napisati i poboljšati, dobrodošli ste)

medvjedić

Ovaj dizajn sastoji se od čipa AD5933 i prilagođenog analognog prednjeg kraja (AFE) za povezivanje AD5933 s kućištem. AD5933 tada vrši mjerenje, a rezultati se zatim mogu obraditi mikrokontrolerom (npr. Arduinom).

Ako namjeravate koristiti Arduino kao izvor napajanja, pobrinite se da operativna i instrumentalna pojačala (op-pojačala i in-pojačala) podržavaju takozvane "single supply" napone i da imaju specifikacije "rail-to-rail".

(U nastavku ću koristiti napajanje (iz Arduina) od 5 V i postavku Range 1 na AD5933.)

Korak 1: Faza ponovne pristranosti

Prvi dio AFE-a je faza ponovne pristranosti. Signal izlaznog napona nije centriran u sredini raspona napona napajanja (VDD/2). To se ispravlja korištenjem kondenzatora za blokiranje istosmjernog dijela signala i slanjem putem razdjelnika napona za dodavanje istosmjernog pomaka natrag u signal.

Dva otpornika za ponovno bias mogu imati bilo koju vrijednost sve dok su isti. Specifična vrijednost gornje granice također nije važna.

Faza ponovne pristranosti radi kao visokopropusni filter i stoga ima graničnu frekvenciju:

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

Uvjerite se da je granična frekvencija nekoliko desetljeća ispod minimalne frekvencije koju planirate koristiti. Ako namjeravate koristiti 1kHz u svojoj aplikaciji, trebali biste uzeti ograničenja i vrijednosti otpornika koji će vam dati graničnu frekvenciju od 1-10 Hz.

Posljednji dio ove faze je op-amp pojačalo postavljeno da prati napon. Time se osigurava da vrijednosti otpornika ne ometaju sljedeću fazu

Korak 2: Trenutni osjetnik osjetljivosti

Prvi dio sljedeće faze je otpornik osjetljiv na struju. Struja kroz ovaj otpornik bit će ista ona koju će pojačalo pokušati održavati kroz tijelo. Provjerite je li struja u skladu sa sigurnosnim standardima IEC6060-1*:

Ispod frekvencija od 1 kHz, maksimalno 10 mikroAmp (RMS) dopušteno je kroz tijelo. Na frekvencijama iznad 1 kHz sljedeća jednadžba daje najveću dopuštenu struju:

Maksimalna izmjenična struja <(minimalna frekvencija u kHz) * 10 mikroAmp (RMS)

Odnos između vršne amplitude AC signala i njegove RMS vrijednosti je: Peak = sqrt (2) * RMS. (10 mikroAmp RMS odgovara maksimalnoj amplitudi 14 mikroAmps)

Koristeći Ohmov zakon o otporniku možemo izračunati vrijednost otpornika koja će biti u skladu sa sigurnosnim standardom. Koristimo uzbudni napon iz AD5933 i vrijednost maksimalne struje:

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

Npr. pomoću postavke raspona 1 Upeak = 3V / 2 = 1.5V (ili 1V pri 3.3V)

Korištenjem vršne vrijednosti 14 mikroAmp odozgo dobivam vrijednost otpornika od najmanje 107 kOhms

Reference:

* Analogni uređaji: "Dizajn kola bio-impedancije za sustave koji se troše na tijelu"

Korak 3: Pojačalo s transprovodnošću

Nakon trenutnog osjetnika osjetnika postoji op-amp u konfiguraciji s negativnom povratnom spregom. Ovo je takozvano postavljanje Load-in-the-Loop. Pozitivni ulazni terminal op-pojačala spojen je na VDD/2 napon. Op-pojačalo će sada pokušati prilagoditi svoj izlaz u suprotnom smjeru od signala uzbude tako da napon na negativnoj stezaljci bude jednak VDD/2. To će proizvesti potencijal za viziranje koji gura i povlači struju kroz tijelo.

Struja izvučena s negativnog terminala op-pojačala je praktički nula. Stoga sva struja kroz otpornik osjetnika struje mora protjecati kroz tijelo. To je mehanizam koji ovu postavku čini pojačalom trans-vodljivosti (koji se naziva i izvor struje kontroliranim naponom, VCCS).

Op-pojačalo može održavati struju samo ako impedancija tijela nije previsoka. Inače bi izlaz op-amp-a samo izlazio naponom napajanja (0 ili 5 V). Maksimalni raspon napona koji se može održavati je VDD/2 + Upeak (2.5 + 1.5V = 4V na 5V napajanje). Granice napona op-pojačala trebale bi se oduzeti od ove vrijednosti, ali ako op-pojačalo ima specifikacije šina-tračnica, to bi bila samo mala količina. Najveća impedancija koju op-pojačalo može pokrenuti je:

Z <(VDD / 2 + Upeak) / Imax

(U mojim postavkama Z <4V / 14 mikroAmps = 285 kOhms, želja je dovoljna da pokrije raspon impedancije tijela)

Zaštitni otpornik ima vrlo veliku vrijednost (1-1,5 MOhms) u usporedbi s tijelom (približno 100kOhms) i za sve normalne operacije to neće povući nikakvu zamjetnu struju, a impedansom paralelne veze dominira impedancija tijela. Ako bi impedancija tijela trebala porasti (npr. Olabavljeni jastučići), struja tada može proći kroz otpornik, a maksimiziranje iz op-pojačala ne bi stvorilo neugodne napone u jastučićima.

Korak 4: Instrumentalno pojačalo

Sljedeća faza je instrumentalno pojačalo (in-amp) koje mjeri napon na cijelom tijelu. Napon na tijelu oscilira oko 0V, ali AD5933 treba da ulazni napon bude u pozitivnom rasponu. Pojačalo stoga dodaje izmjereni naponski signal istosmjerni pomak VDD/2.

Referencu VDD/2 generira razdjelnik napona. Bilo koji vrijednosni otpornik može se koristiti sve dok je isti. Razdjelnik napona je odvojen od impedancije ostatka strujnog kruga sljedbenikom napona. Izlaz sljedbenika napona tada se može proslijediti i na pojačalo i na pojačalo s transprovodnošću.

Korak 5: Ulazna faza i kalibracija

Ulazni stupanj AD5933 sadrži op-amp u konfiguraciji s negativnom povratnom spregom. Postoje dva otpornika: jedan u seriji (Rin) i jedan paralelno (RFB). Dobit op-pojačala daje se pomoću

A = - RFB / Rin

Dobici ulaznog op-pojačala i pojačala (i PGA) moraju osigurati da signal koji ide u ADC AD5933 bude uvijek unutar 0V i VDD.

(Koristim jedinice pojačanja unutar pojačala i otpornika koji će dati približno A = 0,5)

Unutar AD5933 ADC će pretvoriti naponski signal u a u digitalni signal. Raspon napona od 0V do VDD pretvara se u digitalni raspon 0-128 (2^7). (Dokumentacija o tome nije jasna, ali pomno ispitivanje parcela u [1] i nešto eksperimentiranje s moje strane to potvrđuje.)

Unutar DFT modula postoji još jedna skala od 256 (1024/4, vidi [1]) prije nego što se rezultat spremi u stvarni i imaginarni registar.

Prateći naponski signal kroz AFE, u ADC i koristeći gore navedene faktore razmjera, moguće je procijeniti faktor pojačanja:

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

neka kalibracija bi ipak mogla biti potrebna pa uzmite u obzir neke učinke koji nisu dio ovog matematičkog modela, pa vas molimo da izmjerite pravu vrijednost pojačanja mjerenjem komponenti poznate impedancije, poput otpornika. (g = Z / mag, vidi dolje)

Impedanciju sada možete izračunati pomoću

Z = g * mag

mag = sqrt (pravi^2 + zamišljeni^2)

PA = arctan2 (stvaran, zamišljen) - deltaPA

PA vjerojatno treba kalibrirati, kao i sustavni pomak faza kao funkcija frekvencije u AD5933. deltaPA će vjerojatno biti neka linearna funkcija frekvencije.

Otpor i reaktancija sada se mogu izračunati pomoću

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Literatura: [1] Leonid Matsiev, "Poboljšanje performansi i svestranosti sustava na temelju jednofrekventnih DFT detektora kao što je AD5933", Elektronika 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

Korak 6: Napredne stvari: Spektralno curenje (DC)

Signal koji unosimo u AD5933 je napon/struja kao funkcija vremena, ali naš glavni interes je impedancija kao funkcija frekvencije. Za pretvorbu između vremenske domene i frekvencijske domene moramo uzeti Fourierovu transformaciju signala vremenske domene. AD5933 ima ugrađeni modul diskretne Fourierove transformacije (DFT). Na niskim frekvencijama (ispod približno 10 kHz) na izgradnju DFT -a utječu zamjenjivanje i spektralna curenja. U [1] je prošao matematiku kako ispraviti spektralno curenje. Bit ovoga je izračunati pet (plus dvije) konstante za svaki frekvencijski korak u zamahu. To se lako može učiniti npr. od strane Arduina u softveru.

Curenje dolazi u dva oblika: curenje istosmjerne struje koje je aditivne prirode i curenje izmjeničnog napona koje je po svojoj prirodi multiplikativno.

Istosmjerno curenje proizlazi iz činjenice da naponski signal na ADC -u ne oscilira oko 0V već oko VDD/2. Istosmjerna razina VDD/2 trebala bi odgovarati digitalnom očitanju istosmjernog napona od približno 64 (označena delta u [1]).

Koraci za ispravljanje DC spektralnog curenja:

1) Izračunajte faktor ovojnice E za trenutnu frekvenciju.

2) Izračunajte dva faktora pojačanja GI (stvarni) i GQ (zamišljeni)

3) Oduzmite delta * GI od vrijednosti stvarnog registra i delta * GQ od vrijednosti imaginarnog registra

Reference:

[1] Leonid Matsiev, "Poboljšanje performansi i svestranost sustava temeljenih na

Jednofrekventni DFT detektori poput AD5933 , Electronics 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Jednostavan mjerač impedancije širokog raspona frekvencija na temelju integriranog kruga AD5933", Metrol. Mjera. Syst., Vol. XXII (2015), br. 1, str. 13–24.

Korak 7: Napredne stvari: Spektralno curenje (AC)

Poput istosmjernog curenja, istjecanje izmjeničnog napona može se matematički ispraviti. U [1] otpor i reaktancija nazivaju se A*cos (phi) i A*sin (phi), pri čemu A odgovara veličini impedancije, a phi odgovara faznom kutu (PA).

Koraci za ispravljanje spektralnog curenja izmjeničnog napona:

1) Izračunajte faktor ovojnice E (nije isti kao za istosmjernu struju) za trenutnu frekvenciju.

2) Izračunajte tri faktora a, b i d. (približne vrijednosti na višim frekvencijama: a = d = 256 i b = 0)

3) Otpor (Acos (phi)) i reaktancija (Asin (phi)) sada se mogu izračunati u digitalnim jedinicama

Literatura: [1] Leonid Matsiev, "Poboljšanje performansi i svestranosti sustava na temelju jednofrekventnih DFT detektora kao što je AD5933", Elektronika 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Jednostavan mjerač impedancije širokog raspona frekvencija na temelju integriranog kruga AD5933", Metrol. Mjera. Syst., Vol. XXII (2015), br. 1, str. 13–24.

Korak 8: Napredne stvari: teorijski faktor dobitka

S obzirom na matematičko modeliranje DFT -a, također bi trebalo biti moguće matematički modelirati cijeli AFE. Matematički se naponski signal može opisati sinusnom funkcijom s zadanom fiksnom frekvencijom, istosmjernim pomakom i oscilacijom izmjenične struje s vršnom amplitudom. Učestalost se ne mijenja tijekom frekvencijskog koraka. Kako faktor pojačanja mijenja samo veličinu impedancije, a ne i PA, ovdje se nećemo baviti bilo kakvim faznim pomakom induciranim na signalu.

Evo kratkog sažetka naponskog signala koji se širi kroz AFE:

1) Nakon faze ponovne pristranosti, amplituda izmjeničnog napona je i dalje Upeak = 1,5 V (1 V @ VDD = 3,3 V), a izmjena istosmjernog napona promijenjena je u VDD/2.

2) U otporniku osjetnika struje napon je i dalje isti kao u prethodnoj fazi …

3) … ali zbog zakretnog napona op-pojačala izmjenične struje imaju veličinu Z*Upeak/Rcurrent. (DC pomak poništava se referentnim naponom op -pojačala VDD/2 - točka okretanja klackalice - i postaje virtuelno uzemljenje u ovom dijelu kruga)

4) Jedinstveno pojačalo dodaje istosmjerni pomak VDD/2 natrag unutra i prosljeđuje signal na ulazni stupanj AD5933

5) Op-pojačalo u ulaznom stupnju ima pojačanje A = -RFB/Rin i amplituda izmjeničnog napona stoga postaje (Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

6) Neposredno prije ADC -a nalazi se programabilno pojačalo pojačanja (PGA) s dvije postavke pojačanja 1 ili 5. Stoga naponski signal na ADC -u postaje: PGA*(Z*Upeak/Rcurrent)*(RFB/Rin)

ADC pretvara signal v (t) u digitalni signal x (t) = u (t) / VDD * 2^7 s točnošću od 12 bita.

Veličina A povezana je s impedancijom Z faktorom pojačanja, k, kao A = k * Z i ima približnu vrijednost k = PGA * Upeak * RFB * 2^7 / (VDD * Rcurrent * Rin).

Ako volite raditi s faktorom dobitka umjesto g = 1 / k i Z = g * A.

Korak 9: Napredne stvari: PA Shift

U [2] pronalaze sustavni pomak PA kao funkciju frekvencije. To je posljedica vremenskog kašnjenja između DAC -a u kojem se generira uzbudni signal i DFT -a gdje dolazni signal treba biti uvijen u odlazni signal.

Pomak je karakteriziran brojem ciklusa takta signala koji kasni između DAC-a i DFT-a unutar AD5933.

Literatura: [1] Leonid Matsiev, "Poboljšanje performansi i svestranosti sustava na temelju jednofrekventnih DFT detektora kao što je AD5933", Elektronika 2015, 4, 1-34; doi: 10.3390/electronics4010001

[2] Konrad Chabowski, Tomasz Piasecki, Andrzej Dzierka, Karol Nitsch, "Jednostavan mjerač impedancije širokog raspona frekvencija na temelju integriranog kruga AD5933", Metrol. Mjera. Syst., Vol. XXII (2015), br. 1, str. 13–24.