Bloco de Amplificação

Configuração de Amplificador Não inversor

Em todo o circuito, o bloco de instrumentação tem apenas um ganho de 10 e os filtros ganho de um. Desta forma o nosso sinal necessita de ser ampliado novamente. Assim foi utilizado um amplificador não inversor, com ganho de 100.

Para um ganho (Vo/Vs) de 100 e segundo a expressão Vo=(1+(R2/R1))Vs, e sabendo que R1=1KOhm, obtivemos um R2=100KOhm.

Conseguimos assim, o seguinte sinal, em que o CH1 corresponde à saida do amplificador de instrumentação:

Isolamento

O bloco de isolamento, designado como octoaclopador pode ser encontrado em aplicações que visam isolar sinais analógicos ou digitais. As componentes destes circuitos são de extrema importância, para garantir a transferência correcta dos sinais, tendo em conta a sensibilidade aos ruídos externos. Este circuito é essencialmente um amplificador operacional, com a capacidade adicional de providenciar isolamento galvânico entre os “andares” de entrada e de saída.

Este amplificador foi constituído por um circuito integrado IL-300 e por um circuito integrado AD8032. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Circuito de IL300 mais AD8032

 Cada integrado de IL300 tem diversas utilizações, e dai existem diversos tipos de integrados, nomeados por letras diferentes que vão desde o A ao J. Cada um vai ter um K3 respectivo. O integrado que vamos utilizar é do tipo H.

Para dimensionar o circuito sabemos que

R5=R3/K3    sendo R5=24KΩ  e K3=1,24

R3=29,76≈30kΩ

Quanto ao R4, é já dado pelo datasheet, sendo de 100 Ohm.

Usamos o circuito a cima demonstrado, com a excepção de R3 estar ligado a –Vcc. Este integrado tal como todos os do restando circuito, é alimentado por +5V e -5V.

O AmpOp AD8032 tem a particularidade de poder ser alimentado de duas formas diferentes: ou por Tensões inversas (como +5V e -5V) ou por 0V e 5V, como estamos a usar neste caso.

Para testar o nosso circuito, aplicamos apenas uma onda à entrada de 200mV, e à saída saiu precisamente a mesma onda.

Filtragem II

Filtro passa-alto

O principal objectivo que o filtro passa alto tem, é de deixar passar frequências acima de uma determinada frequência, procedeu-se ao cálculo das resistências (pelo mesmo método anunciado no filtro passa-baixo), dando uma frequência de corte de 0,5HZ, com os valores de condensadores de 220 nF. 

 

 

R1=1,02MOhm  e R2=2,05MOhm

Q=0,707               Kc=1

Ao testar, fomos variando as frequências da mesma forma que o procedemos para o passa-baixo e obtivemos as seguintes ondas, segundo o Canal 1 e Canal 2 a 200mV; 100msegundos:

Passa Alto testado por Gerador de Sinais

Passa-Alto testado pelo Simulador

Saida total dos dois Filtros

Filtragem I

Os filtros vão reduzir todos os ruídos provenientes seja do material, seja das frequências indesejadas. Como sabemos que o sinal captado por um electrocardiógrafo está entre a gama de frequências 0,5-50Hz. Teremos assim de montar um Filtro Passa-Banda constituído por um Passa-Baixo com uma frequência de corte de 50Hz e um Passa-Alto com uma frequência de corte de 0,5Hz.

Passa-Baixo

Utilizamos primeiro o Passa-Baixo pois este melhora a rejeição de interferências provenientes da alta frequência induzida pelos cabos do ECG. O filtro tem as seguintes características:

• Filtro é Activo
• É de segunda Ordem
• É do tipo Sallen-Key
• Utilizamos um AmpOp TL084

Filtro Passa-Baixo Sallen-Key

Terá uma frequência de corte de 50Hz ou seja todas as frequências a cima dessa valor serão eliminadas.

Quanto ao dimensionamento, por se tratar de um Filtro Passa-Baixo Sallen-Key dispomos de três formulas para calcular condensadores e resistências:

Factor de Qualidade

 

Frequência de Corte

 

Frequência de Pólo

 

Sendo que o Kc consultamos na seguinte tabela depois de termos calculado o factor de qualidade:

Com os cálculos feitos obtivemos assim:

C1=47nF

C2=100nF

R=21,8kOhm = 22kOhm

Depois de montado, testámos o circuito aplicando diversas frequências de 30Hz a 180Hz e verificamos o comportamento do filtro ao aproximar-se dos 50Hz e ao passar.

Com o simulador de ECG, conseguimos obter a seguinte imagem com Amplificador de Instrumentação + Passa-baixo. Aqui o CH1 está a visualizar o sinal de entrada (depois do Amplificador de Instrumentação) e o CH2 está a visualizar o sinal de saída (depois do Filtro).

Montagem de Passa-Baixo

Onda Obtida pelo Passa-Baixo

MUX

Sabemos que para realizar um ECG, necessitamos de dispor vários eléctrodos no corpo, de algumas formas diferentes como já foi exposto anteriormente. Segundo o Triângulo de Einthoven existem 3 derivações, mas no nosso projecto vamos apenas usar duas. Cada derivação vai ter uma forma de onda diferente.

Assim sendo, neste trabalho vamos ter dois amplificadores de instrumentação, ambos com o mesmo ganho de 10 e cada um para uma derivação diferente. Para escolher que derivação vamos filtrar e posteriormente visualizar teremos de aplicar um Multiplexer Analógico 2:1 (ADG509A). 

Para controlar a derivação que queremos visualizar utilizaremos um Botão On/Off (5v-0v), sendo que cada derivação aparecerá consoante o estado do botão. Este botão vai ter um bloco especifico na parte de Software, para o podermos controlar.

Esquema do Integrado

Tabela de Verdade

Nas figuras a cima conseguimos ver os esquema do Mux que é nos dado pelo datasheet e a respectiva tabela de verdade. Desta forma as ligações que vamos fazer são: aplicar a Vdd 5V, a Vss aplicar -5V. O Enable, segundo a tabela de verdade estará sempre a 1 logo aplicamos-lhe 5V, também. Ligamos a Terra a GND e será em S1A e S2A que vamos ligar as saídas vindas de cada amplificador. Para escolher a derivação, iremos ligar A1 a 0V (como está no datasheet) e apenas A0 é usado para comutação das derivações (este pin estará ligado ao software). À saída, estará em Da, onde é possível visualizar a derivação escolhida, segundo a tabela de verdade.

Para testar, aplicamos uma onda a S1A e 0V a S2A, vendo o que sai à saída ao comutar 0 ou 1.

Amplificador de Instrumentação

Como está disponível no nosso diagrama de blocos da publicação anterior, o primeiro bloco é a amplificação. Para isso são utilizados Amplificadores Operacionais (Ampops) - circuitos integrados capacitados com variadas operações (inversão, soma, subtracção, integração, diferenciação, entre outras) e com características especiais tais como: resistências de entrada elevadas, resistências de saída baixas e ganho elevado. Estes circuitos integrados são constituídos principalmente por transístores e resistências.

Nesta primeira amplificação é utilizado um Amplificador de Instrumentação. Este é projectado especialmente para sistemas de aquisição de dados, testes automáticos de equipamentos e instrumentação médica. É utilizado neste caso, pois pretendemos amplificar um sinal diferencial a partir de duas derivações (ligadas aos eléctrodos) e tem como vantagens de utilização a elevada impedância de entrada e facilidade de ajuste do ganho.

Tem então, como principal função amplificar o sinal de entrada, contendo um ganho de 10. Desta forma irá amplificar o sinal 10 vezes: se ao inicio tivermos uma amplitude de 1V, o sinal de entrada estará amplificado para 10V. Este amplificador é composto por 3 Ampops e 7 resistências, em que uma (Rg ou aR) é variável, permitindo anular erros de 'offset'.

No nosso caso iremos utilizar o Ampop AD622, com os 3 Ampops e resistências já integradas, onde apenas calculamos Rg segundo:

G=1+49,4k/Rg, onde G é o ganho do circuito

Para um ganho de 10 obtivemos um Rg=5,6kOhm

No nosso projecto, necessitamos de utilizar dois Amplificadores de Instrumentação, um para cada derivação.  


Ao testar com o simulador tivemos de aplicar um ganho maior (de 500) adicionando uma Resistência de 100Ohm, e obtivemos a seguinte onda:

Diagrama de blocos

                 O sistema de um ECG poderá ser subdividido em etapas. Num momento inicial o coração emite um impulso eléctrico que vai ser depois captado pelos eléctrodos. Depois este é amplificado, de modo a obter um sinal de maior intensidade. De seguida o sinal e filtrado para uma gama de frequências entre 0.5 e 50 Hz característica esta do ECG. Deste modo, o sinal é então isolado e atenuado sendo posteriormente amplificado.

Por último, o software consiste na aquisição, processamento e visualização de dados sendo este realizado no labview, programa adequado para este fim.