Do hán chê veă maịt thời gian neđn đeă tài này chư dừng lái ở vieơc nghieđn cứu chuyeơn đáo chuaơn goăm chuyeơn đáo I, chuyeơn đáo II và chuyeơn đáo III. Do đĩ ta sẽ chĩn đieơn cực lối cĩ 3 keđnh đeơ thu tín hieơu cụa 3 đáo trình chuaơn cụa máy táo sĩng đieơn tim (tim giạ).
Hình 3.1. Đieơn cực thu lối 3 keđnh
3.2.2. Boơ khuêch đái – lĩc nhieêu 3.2.2.1.Khuêch đái
Tín hieơu đieơn tađm đoă mà ta thu được là moơt tín hieơu đieơn được phát ra bởi sự co bĩp cụa tim. Do đĩ, tín hieơu đieơn tim rât nhỏ cĩ dại taăn sơ trong khoạng 0.05 – 100Hz và bieđn
Đieơn cực
Boơ khuêch đái-lĩc nhieêu
Boơ chuyeơn đoơi ADC
Vi xử lý giao tiêp máy tính
đoơ vào khoạng 0.5 – 3mV. Moơt tín hieơu đieơn tim cơ bạn được bieơu dieên baỉng phức đoă như Hình 3.1.
Hình 3.2. Phức boơ đieơn tađm đoă cơ bạn
Vì tín hieơu rât nhỏ neđn deê bị nhieêu bởi các thiêt bị đieơn gaăn đĩ như máy X-quang, máy sieđu ađm… gađy ra. Tín hieơu cũng deê bị sai leơch bởi nhieêu do đieơn nguoăn, nhieêu do các đieơn cực tiêp xúc và nhieêu do sự chuyeơn đoơng hay nhieêu cơ từ cơ theơ cụa beơnh nhađn. Ở phám vi đeă tài này, đơi tượng được nghieđn cứu là tim giạ neđn moơt sơ nhieêu như nhieêu cơ từ cơ theơ beơnh nhađn, nhieêu do sự chuyeơn đoơng cĩ theơ khođng gađy ạnh hưởng nhieău đên kêt quạ nghieđn cứu. Hình 3.3 a) bieêu dieên tín hieơu đieơn tim cĩ sự xuât hieơn cụa nhieêu đieơn nguoăn taăn sơ 50Hz. Hình 3.3 b) bieêu dieên sự nhieêu cơ trong tín hieơu đieơn tim.
Hình 3.3. a) Nhieêu đieơn nguoăn 60Hz, b) Nhieêu cơ từ cơ theơ beơnh nhađn.
Đeơ lối trừ bớt các lối nhieêu tređn, ta cĩ theơ sử dúng moơt boơ khuêch đái vi sai ba op- amp hay cịn gĩi là khuêch đái thuaơt tốn như Hình 3.4. Đieơn áp ngõ ra cụa mách khuêch đái này là :
Vout – Vref = – (V1 – V2).(1 + 2.R2 / R1).(R4 / R3)
Nêu như đieơn áp ngõ vào giơng nhau ( common mode) V1 = V2 thì ngõ ra Vout = 0, maịt khác nêu V1 ≠ V2 thì áp vi sai (V1 – V2) sẽ cho ta moơt đoơ lợi vi sai. Vì haău hêt các lối nhieêu đeău cĩ áp giơng nhau (common mode) neđn khi qua boơ khuêch đái vi sai chúng sẽ tự trieơt tieđu lăn nhau, do đĩ ta cĩ theơ lối trừ bớt nhieêu khi cho tín hieơu đi qua boơ khuêch đái vi sai.
Boơ khuêch đái ba op-amp này thường được gĩi là khuêch đái thuaơt tốn. Nĩ cĩ trở kháng vào cao, CMRR cao và cĩ đoơ lợi khuêch đái cĩ theơ đieău chưnh được bởi đieơn trở R1. Mách khuêch đái này thường được ứng dúng roơng rãi trong vieơc đo lường đieơn thê sinh hĩc bởi vì nĩ lối bỏ được nhieêu cĩ đieơn áp giơng nhau toăn tái trong cơ theơ người beơnh.
Hình 3.4. Khuêch đái vi sai ba op-amp 3.2.2.2. Lĩc nhieêu
Trong nhieău thiêt bị đieơn tađm đoă hieơn đái người ta thường sử dúng heơ thơng driven– right–leg. Đĩ là beơnh nhađn khođng caăn nơi đât tồn boơ, thay vào đĩ là moơt đieơn cực được gaĩn ở chađn phại cụa beơnh nhađn và được kêt nơi với ngõ ra cụa moơt op-amp boơ phú. Đieơn
áp cĩ mode chung tređn cơ theơ beơnh nhađn sẽ bị phát hieơn bởi hai đieơn trở thường, bị đạo, khuêch đái và hoăi tiêp veă chađn phại. Phaăn hoăi tiêp ađm cụa mách đưa đieơn áp cĩ mode chung veă mức thâp. Mách này cũng đạm bạo cho beơnh nhađn moơt sơ an tồn veă đieơn vì op-amp boơ phú sẽ bão hịa khi moơt đieơn áp cao xuât hieơn giữa beơnh nhađn và đât. [3].
Hình 3.5. Mách “driven-right-leg” giạm nhieêu mode chung đên mức thâp nhât.
Tín hieơu đieơn tim sau khi qua boơ khuêch đái thuaơt tốn văn cịn bị ạnh hưởng bởi nhieêu. Do đĩ ta caăn phại thiêt kê moơt mách lĩc thođng thâp (low-pass filter) đeơ lối trừ các thành phaăn nhieêu ở taăn sơ cao, moơt mách lĩc thođng cao (high-pass filter) đeơ lối bỏ các thành phaăn nhieêu DC (dịng trực tiêp). Cuơi cùng là moơt mách lĩc Notch (notch filter) được sử dúng đeơ lối bỏ các thành phaăn ạnh hưởng cụa đieơn nguoăn.
Hình 3.6. tređn bieêu dieên baíng thođng cụa boơ lĩc Notch, tái taăn sơ 60Hz baíng thođng sẽ bị caĩt veă 0, tât cạ những tín hieơu nhieêu cĩ taăn sơ 50/60Hz sẽ bị lối bỏ.
Hình 3.7. Boơ lĩc thođng thâp (low-pass)
Boơ lĩc low-pass này được thiêt kê chư cho những tín hieơu cĩ taăn sơ nhỏ hơn 100Hz đi qua, mà tín hieơu đieơn tim cĩ taăn sơ trong dại từ 0.05Hz đên 100Hz, neđn tât cạ những tín hieơu cĩ taăn sơ lớn hơn 100Hz (trong đĩ cĩ nhieêu ở taăn sơ cao) sẽ bị lối bỏ như minh hĩa ở hình tređn.
Hình 3.8. Boơ lĩc thođng cao (high-pass).
Cịn boơ lĩc high-pass này được thiêt kê chư cho những tín hieơu cĩ taăn sơ lớn hơn 0.05Hz như tín hieơu đieơn tim đi qua, những taăn sơ nhỏ hơn 0.05Hz (thường là nhieêu) sẽ bị lối bỏ.
3.2.2.3.Ý nghĩa cụa boơ lĩc:
Hình 3.9. Ý nghĩa boơ lĩc
Tín hieơu mà ta thu được tređn thực tê lúc nào cũng bị nhieêu nhieău so với tính tốn lý thuyêt. Do đĩ, đeơ tín hieơu được thu nhaơn và theơ hieơn được đúng bạn chât cụa nĩ thì ta neđn dùng các lối boơ lĩc keơ tređn đeơ lối bỏ bớt nhieêu đi. Sau khi lối bỏ nhieêu, tín hieơu cho ra sẽ trung thực hơn.
Hình 3.10. Tín hieơu sinh hĩc sau khi qua boơ lĩc nhieêu.
3.2.2.4. Thiêt kê
a. Sơ đoă khơi cụa boơ khuêch đái lĩc nhieêu
b. Thiêt kê mách khuêch đái
Như đã nĩi ở phaăn tređn, tín hieơu đieơn tim cĩ bieđn đoơ và taăn sơ rât nhỏ so với đieơn áp chung cụa nhieêu cao (high common noise voltage), theđm vào đĩ là các đieơn cực ngày nay cĩ trở kháng ngõ ra rât cao. Chính vì những đaịc tính này mà boơ khuêch đái cũng phại được thiêt kê với trở kháng vào rât cao, dịng bias thâp, đieơn áp offset thâp và tỷ sơ trieơt
Mách khuêch đái instrument AD = 100 Mách lĩc thođng cao AH = 1 Mách lĩc thođng thâp AL = 1 Mách khuêch đái Ag = 10 Ngõ vào vi sai Mách lĩc notch AN = 1 Ngõ ra cụa mách khuêch đái_lĩc nhieêu
cách chung CMRR cao (> 60dB). Moơt thiêt bị analog thuaơt tốn AD620 đã đáp ứng được tât cạ các đaịc tính thiêt kê tređn. Đađy chính là moơt cođng cú lý tưởng đeơ thiêt kê ra moơt boơ khuêch đái tương đơi chính xác.
Hình 3.11 trình bày sơ đoă mách khuêch đái sinh thê (biopotential amplifier) sử dúng AD620.
Hình 3.11. Sơ đoă mách khuêch đái sinh thê sử dúng AD620
Trong sơ đoă tređn, RG dùng đeơ thay đoơi đoơ lợi khuêch đái theo cođng thức : G = 1+(49.4k / RG). Đĩ cũng là đaịc tính cụa AD620. Với đoơ chính xác cao, đoơ lợi cụa mách khuêch đái thuaơt tốn sử dúng AD620 chư caăn moơt con đieơn trở ngồi đeơ chưnh đoơ lợi từ 1 đên 10 000 laăn.
Tuy nhieđn, đieău quan trĩng ở đađy là con AD620 lái khođng cĩ maịt tređn thị trường thành phơ Hoă Chí Minh, vân đeă được đaịt ra là linh kieơn nào cĩ theơ thay thê cho AD620. Moơt mách khuêch đái thuaơt tốn lĩc nhieêu khođng dùng AD620 mà thay vào đĩ là op-amp LM324. Ưu đieơm cụa con op-amp LM324 là đoơ lợi khuêch đái cao (100V/mV), đieơn áp offset nhỏ (khoạng 2 mV) neđn ta khođng caăn phại đieău chưnh đieơn áp offset. [3].
Hình 3.12. Sơ đoă chađn LM324
Moơt con quad op-amp bao goăm bơn con LM324 ở beđn trong (hình 3.12) neđn mách thiêt kê sẽ nhỏ và gĩn hơn. Dịng bias rât nhỏ khoạng 45 nA, CMRR = 70dB. Với những đaịc tính này thì LM324 cũng đáp ứng tơt cho mách khuêch đái thuaơt tốn và lĩc nhieêu. Tuy nhieđn LM324 khođng đát đoơ chính xác baỉng AD620.
Tín hieơu đieơn tim là tín hieơu đieơn cĩ bieđn đoơ rât nhỏ (0.5 – 3mV), neđn mách khuêch đái lĩc nhieêu được thiêt kê ở đađy phại cĩ đoơ lợi khuêch đái là 1000 đeơ đạm bạo tín hieơu đieơn tim phù hợp với mức đieơn áp vào cụa boơ chuyeơn đoơi ADC, đieău này sẽ được trình bày rõ ở phaăn kê tiêp.
Hình 3.13. Khuếch đại thuật tơn.
Tređn đađy là sơ đoă mách khuêch đái thuaơt tốn toơng quát đoơ lợi khuêch đái sẽ được quyêt định bởi các đieơn trở R1, R2, R3, R4.
+12V J2 IN1 1 - + U1A LM324 3 2 1 4 1 1 - + U1B LM324 5 6 7 4 1 1 +12V R2 10k R5 10k R6 100k 0 +12V C2 0.01uF C1 0.01uF -12V R7 100k R3 10k 0 R28 2k 0 R4 10k - + U1C LM324 10 9 8 4 1 1 J1 IN0 1 -12V -12V
Hình 3.14. Sơ đoă thiêt kê mách khuêch đái
Ta cĩ: Vout = -(V1 – V2)(1+2R6/R28)(R5/R2) = - 101 (V1 – V2). Đađy là kêt quạ thu được tređn oscilloscope như sau:
Tín hieơu vào oscilloscope là tín hieơu sin được táo ra từ máy táo sĩng AG_203D cĩ bieđn đoơ ngõ ra khoạng 3mV, taăn sơ là 40Hz. Và kêt quạ thu được hieơn thị tređn oscilloscope là:
Hình 3.15. Tín hieơu vào
Tín hieơu ra từ taăng khuêch đái thuaơt tốn sẽ được khuêch đái leđn 101 laăn.
Hình 3.16. Tín hieơu ra ở taăng khuêch đái
Tín hieơu sau khi qua boơ khuêch đái lĩc nhieêu sẽ được khuêch đái leđn 1000 laăn, hình dưới đađy là kêt quạ thu được, tín hieơu đã được lĩc nhieêu cĩ bieđn đoơ đã được khuêch đái 1000 laăn là khoạng 3V.
c. Các yêu tơ đieơn trường và từ trường ạnh hưởng tới vieơc khuêch đái tín hieơu đieơn tim
Aûnh hưởng cụa đieơn trường 50/60Hz
Các dađy dăn đieơn lưới và các vaơt dăn đieơn lưới đeău sinh ra đieơn trường quanh nĩ. Đieơn trường này gađy tác đoơng tới máy ghi đieơn tim, dađy đieơn cực và cơ theơ beơnh nhađn. Do đieơn áp lưới cĩ taăn sơ 50/60 Hz neđn đieơn trường mà nĩ sinh ra cũng biên thieđn theo taăn sơ tređn. Sự bieđn thieđn này sẽ sinh ra từ trường gađy nhieêu tín hieơu sĩng đieơn tim. Đĩ là lý do vì sao ta dùng boơ lĩc Notch đeơ khử nhieêu.
Ta cho máy phát sĩng AG_203D phát tín hieơu dáng Sin cĩ bieđn đoơ 3mV ở taăn sơ 60Hz đeơ kieơm tra ngõ ra cụa mách khuêch đái lĩc nhieêu cĩ dùng mách lĩc Notch.
Hình 3.18. Máy phát sĩng Sin AG_203D
Do cĩ sử dúng mách Notch filer neđn ở taăng sơ 60Hz ta sẽ thây bieđn đoơ tín hieơu giạm đên mức thâp nhât.
Hình 3.19. Notch filter
Kêt quạ thu được như sau:
Hình 3.20. Tín hieơu ra sau khi đã cho qua boơ lĩc Notch
-12V 0 - + LM324 10 9 8 4 1 1 0 R10 10K +12V C6 0.01uF +12V +12V J3 OUT 1 R15 10k R6 100k J2 IN1 1 R22 23.7k 1 3 2 R26 24.3 1 3 2 R24 12.1k 1 3 2 C9 0.1uF R18 10k +12V - + U1A LM324 3 2 1 4 1 1 0 - + U1B LM324 5 6 7 4 1 1 R3 10k +12V C4 10u C3 10u +12V R25 12.1k 1 3 2 0 - + U2D LM324 12 13 14 4 1 1 - + U2B LM324 5 6 7 4 1 1 C10 0.22uF 0 +12V C8 0.047uF 0 R21 226k 1 3 2 R4 10k R23 23.7k 1 3 2 C11 0.22uF 0 R28 2k - + U1D LM324 12 13 14 4 1 1 R5 10k 0 J1 IN0 1 R2 10k -12V J4 POWER SUPPLY 1 2 3 R19 10k -12V 0 0 -12V - + U2A LM324 3 2 1 4 1 1 C2 0.01uF C1 0.01uF 0 R7 100k +12V C7 0.01uF +12V -12V -12V -12V - + U1C LM324 10 9 8 4 1 1 R11 100k R20 453k 1 3 2 -12V -12V 0
Mách khuêch đái và lĩc nhieêu sau khi đã được thiêt kê và thi cođng:
Hình 3.22. Mách khuêch đái lĩc nhieêu được thiêt kê tređn thực tê
3.2.3. Boơ chuyeơn đoơi ADC
3.2.3.1.Khái nieơm chung
Ngày nay vieơc truyeăn đát tín hieơu cũng như quá trình đieău khieơn và hieơn thị phaăn lớn được thực hieơn theo phương pháp sơ. Trong khi đĩ, các tín hieơu tự nhieđn lái cĩ dáng tương tự như : nhieơt đoơ, áp suât, cường đoơ ánh sáng, ađm thanh... Đeơ kêt nơi giữa nguoăn tín hieơu tương tự với heơ thơng xử lý sơ người ta thường dùng mách chuyeơn đoơi ADC (ananlog to digital converter) nhaỉm biên đoơi tín hieơu tương tự (analog) sang tín hieơu sơ. Trong trường hợp ngược lái caăn biên đoơi tín hieơu sơ sang tương tự ta dùng các mách DAC (digital to analog converter).
3.2.3.2. Giới thieơu Chip ADC0809
Linh kieơn thu thaơp dữ lieơu ADC0809 là linh kieơn CMOS đơn tinh theơ, cĩ mách biên đoơi tương tự sang sơ A/D (analog to digital converter), mách đa hợp 8 keđnh (8 – channel multiplexer) và mách logic đieău khieơn tương thích với boơ vi xử lý. Mách biên đoơi A/D 8 bit sử dúng phép xâp xư lieđn tiêp làm kỹ thuaơt biên đoơi. Mách biên đoơi được đaịc trưng
baỉng mách so sánh, mách chia đieơn áp 256 đieơn trở cĩ cađy chuyeơn mách tương tự (analog swich tree) và thanh ghi xâp xư lieđn tiêp (successive approximation register). Mách đa hợp 8 keđnh cĩ theơ truy caơp trực tiêp bât kỳ tín hieơu nào trong 8 tín hieơu tương tự ở ngõ vào cụa ADC0809.
Linh kieơn này lối bỏ các nhu caău hieơu chưnh zero và tồn giai (full-scale) beđn ngồi. Tính giao dieơn deê dàng với các boơ vi xử lý được cung câp bởi các ngõ vào địa chư mách ghép keđnh được chơt và được giại mã, và các ngõ ra 3-tráng thái TTL được chơt.
Thiêt kê cụa ADC0809 được tơi ưu hĩa baỉng cách kêt hợp chaịt chẽ các khía cánh được ưa chuoơng nhât cụa kỹ thuaơt biên đoơi A/D. ADC0809 cho ta tơc đoơ cao, đoơ chính xác cao, phú thuoơc tơi thieơu vào nhieơt đoơ, đoơ chính xác và tính laịp lái trong thời gian dài rât tơt, cođng suât tieđu thú ít nhât. Với các tính chât này làm cho linh kieơn phù hợp lý tưởng trong các ứng dúng, từ xử lý và đieău khieơn máy mĩc đên các ứng dúng cụa người tieđu thú và các ứng dúng tự đoơng.
Sơ đoă chađn cụa ADC0809
Ý nghĩa các chađn
• IN0 đên IN7 : 8 keđnh ngõ vào tương tự.
• A, B, C : ba chađn giại mã chĩn moơt trong 8 ngõ vào IN0 đên IN7.
• 2-1 đên 2-8 : ngõ ra song song 8 bit.
• ALE : cho phép chơt địa chư.
• START : xung cho phép baĩt đaău quá trình chuyeơn đoêi.
• CLK : xung clock.
• REF (+) : đieơn thê tham chiêu dương.
• REF ( - ) : đieơn thê tham chiêu ađm.
• VCC : nguoăn cung câp DC cho chip ADC hốt đoơng.
Các đaịc đieơm cụa ADC0809
• Chip ADC0809 cĩ đoơ phađn giại 8 bit.
• Cĩ 8 ngõ thu nhaơn tín hieơu, cho phép ta thu nhaơn cùng lúc các tín hieơu đieơn tim thuaơn tieơn cho vieơc so sánh.
• Sai sơ toơng khođng hieơu chưnh là ± 1/2 LSB và ±1 LSB.
• Thời gian chuyeơn đoơi là 100µs ở taăn sơ 640 kHz.
• Nguoăn cung câp VCC = +5V.
• Đieơn áp ở 8 keđnh ngõ vào bị giới hán trong khạng 0 đên +5V.
• Taăn sơ xung clock 10 kHz đên 1280 kHz.
• Nhieơt đoơ hốt đoơng -40o đên 85o.
• Cođng suât thâp khoạng 15mW.
• Khođng caăn đieău chưnh zero hoaịc tồn giai.
• Hốt đoơng với chuaơn đieơn áp 5 VDC hoaịc chuaơn đieơn áp được hieơu chưnh theo khoạng đieơn áp tương tự ở ngõ vào.
• Các ngõ ra tương thích với các đaịc tính cụa mức đieơn áp TTL.
Câu táo cụa ADC
Hình 3.24. Sơ đoă khơi cụa ADC 0809
Các tín hieơu cụa ba đáo trình chuaơn cụa sĩng đieơn tim sẽ ở dáng tương tự (analog) được đưa vào 3 keđnh ngõ vào cụa ADC 0809. Tái moơt thời đieơm thì boơ chĩn keđnh chư cho moơt tín hieơu đi qua ở moơt keđnh. Sau khi qua taăng đeơm và taăng khuêch đái sẽ được lây mău đeơ đưa vào boơ chuyeơn đoơi A/D. Sau 100µs ở 8 keđnh ngõ ra ta thu được 8 bit nhị phađn là tín hieơu sơ (digital).