Analiza bio impedanse (BIA) sa AD5933: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

Bio sam zainteresiran za izradu Bio Impedance Analyzera za mjerenje tjelesne kompozicije i mojim nasumičnim pretraživanjima stalno sam pronalazio dizajn iz razreda Biomedicinske instrumentacije iz 2015. na Sveučilištu Vanderbilt. Razradio sam dizajn i malo ga poboljšao. Želeo bih da sa vama podelim svoja otkrića. 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 za sada se nadam da možete upotrijebiti sve što vidite. (Ako mislite da ovo možete napisati i poboljšati, dobrodošli ste)

Teddy

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

Ako planirate koristiti Arduino kao izvor napajanja, pobrinite se da operativna i instrumentacijska pojačala (op-pojačala i pojačala) podržavaju takozvane "single supply" napone i da imaju specifikacije od šine do šine.

(U nastavku ću koristiti napajanje (iz Arduina) od 5V 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 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 planirate koristiti 1kHz u svojoj aplikaciji, trebali biste se obratiti ograničenjima i otpornicima 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: Otpornik za osjetljivost struje

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

Ispod frekvencija od 1 kHz, maksimalno 10 mikroAmp (RMS) je dozvoljeno kroz tijelo. Na frekvencijama iznad 1 kHz sljedeća jednadžba daje najveću dozvoljenu 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 14 mikroAmp maksimalne amplitude)

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. koristeći postavku 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-impedanse za sisteme koji se troše na tijelu"

Korak 3: Pojačalo s transprovodnošću

Nakon trenutnog senzora, postoji op-amp u konfiguraciji s negativnom povratnom spregom. Ovo je takozvano Load-in-the-Loop podešavanje. 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. Ovo će proizvesti potencijal za razbijanje koji gura i povlači struju kroz tijelo.

Struja izvučena s negativnog terminala op-pojačala je praktički nula. Stoga sva struja kroz otpornik osjetljivog na struju mora teći kroz tijelo. Ovo je mehanizam koji ovu postavku čini pojačalom transprovodljivosti (koji se naziva i izvor struje kontroliran naponom, VCCS).

Op-pojačalo može održavati struju samo ako impedancija tijela nije previsoka. Inače bi izlaz op-amp-a samo izlazio na napon napajanja (0 ili 5 V). Maksimalni raspon napona koji se može održati je VDD/2 + Upeak (2.5 + 1.5V = 4V @ 5V napajanje). Marže napona op-pojačala treba oduzeti od ove vrijednosti, ali ako op-pojačalo ima specifikacije šina-šina, to bi bila samo mala količina. Maksimalna 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 impedanse tijela)

Zaštitni otpornik ima vrlo veliku vrijednost (1-1,5 MOhms) u odnosu na tijelo (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 op-pojačala ne bi stvorilo neugodne napone u jastučićima.

Korak 4: Instrumentacijsko pojačalo

Sljedeća faza je instrumentacijsko 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 DC pomak od VDD/2.

Referencu VDD/2 generira razdjelnik napona. Bilo koji otpornik vrijednosti može se koristiti sve dok je isti. Razdjelnik napona je odvojen od impedancije ostatka strujnog kola 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 data je sa

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.

(Ja koristim jedinicu pojačanja u pojačalu i otporniku 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 neko eksperimentiranje s moje strane to potvrđuju.)

Unutar DFT modula postoji još jedno skaliranje od 256 (1024/4, vidi [1]) prije nego što se rezultat sačuva u stvarnom i imaginarnom registru.

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 efekte koji nisu dio ovog matematičkog modela, pa vas molimo da izmjerite pravu vrijednost pojačanja mjerenjem komponenti poznate impedanse, poput otpornika. (g = Z / mag, vidi dolje)

Impedansa se sada može izračunati pomoću

Z = g * mag

mag = sqrt (pravi^2 + zamišljeni^2)

PA = arctan2 (pravi, imaginarni) - deltaPA

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

Otpor i reaktancija se sada mogu izračunati pomoću

R = Z * cos (PA)

X = Z * sin (PA)

Reference: [1] Leonid Matsiev, "Poboljšanje performansi i svestranosti sistema zasnovanih na jednofrekventnim DFT detektorima 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 konverziju između vremenske i frekvencijske domene moramo uzeti Fourierovu transformaciju signala vremenske domene. AD5933 ima ugrađeni modul za diskretnu Furijeovu transformaciju (DFT). Na niskim frekvencijama (ispod približno 10 kHz) na ugradnju DFT -a utječu aliasing i spektralna curenja. U [1] je prošao matematiku o tome kako ispraviti spektralno curenje. Suština 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 naizmjenične struje 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. DC 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 omotača 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 sistema zasnovano 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 opsega frekvencijskog opsega na temelju integriranog kola AD5933", Metrol. Meas. Syst., Vol. XXII (2015), br. 1, str. 13–24.

Korak 7: Napredne stvari: Spektralno curenje (AC)

Kao i curenje istosmjerne struje, curenje naizmjenične struje može se ispraviti matematički. U [1] otpor i reaktancija nazivaju se A*cos (phi) i A*sin (phi), pri čemu A odgovara veličini impedanse, 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

Reference: [1] Leonid Matsiev, "Poboljšanje performansi i svestranosti sistema zasnovanih na jednofrekventnim DFT detektorima 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 opsega frekvencijskog opsega na temelju integriranog kola AD5933", Metrol. Meas. 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, naponski signal može se opisati sinusnom funkcijom sa zadanom fiksnom frekvencijom, istosmjernim pomakom i oscilacijom izmjenične struje s vršnom amplitudom. Učestalost se ne mijenja tokom 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 osjetljivog na struju napon je i dalje isti kao u prethodnoj fazi …

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

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

5) Op-pojačalo u ulaznoj fazi ima pojačanje od A = -RFB/Rin i amplituda izmjenične struje 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 sa 12 -bitnom tačnošću.

Veličina A je povezana s impedansom 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 pojačanja umjesto g = 1 / k i Z = g * A.

Korak 9: Napredne stvari: PA Shift

U [2] oni pronalaze sustavnu promjenu 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 interno u AD5933.

Reference: [1] Leonid Matsiev, "Poboljšanje performansi i svestranosti sistema zasnovanih na jednofrekventnim DFT detektorima 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 opsega frekvencijskog opsega na temelju integriranog kola AD5933", Metrol. Meas. Syst., Vol. XXII (2015), br. 1, str. 13–24.