Ավտոմատ ԷՍԳ. Ամրապնդում և ֆիլտրի մոդելավորում LTspice- ի միջոցով. 5 քայլ

2025 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2025-01-23 14:48

Սա վերջնական սարքի նկարն է, որը դուք կառուցելու եք և յուրաքանչյուր մասի վերաբերյալ շատ խորը քննարկում: Նաև նկարագրում է յուրաքանչյուր փուլի հաշվարկները:

Պատկերը ցույց է տալիս այս սարքի բլոկ -դիագրամը

Մեթոդներ և նյութեր.

Այս նախագծի նպատակն էր զարգացնել ազդանշան ձեռք բերող սարք `հատուկ կենսաբանական ազդանշանը բնութագրելու/ազդանշանի վերաբերյալ համապատասխան տվյալներ հավաքելու համար: Ավելի կոնկրետ ՝ ավտոմատացված ԷՍԳ: Նկար 3 -ում ներկայացված բլոկ -դիագրամը ընդգծում է սարքի համար առաջարկվող սխեման: Սարքը էլեկտրոդի միջոցով կստանա կենսաբանական ազդանշանը, այնուհետև այն կուժեղացնի ՝ օգտագործելով ուժեղացուցիչ ՝ 1000 շահույթով: Հետո, աղմուկը կկրճատվի ՝ օգտագործելով գոտու զտիչ ՝ ազդանշանի համար ցանկալի հաճախականությունների տիրույթը ստանալու համար ՝ 0,5-150 Հց, այնուհետև կհանգեցնի խազ ՝ 50-60 Հց-ի սահմաններում հայտնաբերված էլեկտրահաղորդման գծերից առաջացած նորմալ աղմուկը հեռացնելու համար: [11]: Վերջապես, ազդանշանը այնուհետև պետք է փոխակերպվի թվայինի, որպեսզի այն մեկնաբանվի համակարգչի միջոցով, և դա արվում է անալոգային թվային փոխարկիչով: Այս ուսումնասիրության մեջ, սակայն, շեշտը հիմնականում դրվելու է ուժեղացուցիչի, կապուղու ֆիլտրի և խազ ֆիլտրի վրա:

Ամրացուցիչը, կապուղու ֆիլտրը և խազ ֆիլտրը բոլորը նախագծվել և մոդելավորվել են LTSpice- ի միջոցով: Յուրաքանչյուր բաժին նախ մշակվել է առանձին և փորձարկվել `համոզվելու համար, որ դրանք ճիշտ են կատարում, այնուհետև միացվել են մեկ վերջին սխեմատիկ պատկերի: Ամրացուցիչը, որը երևում է նկար 4 -ում, նախագծված է և հիմնված է գործիքային ուժեղացուցիչի վրա: Գործիքային ուժեղացուցիչը սովորաբար օգտագործվում է ԷՍԳ-ներում, ջերմաստիճանի մոնիտորներում և նույնիսկ երկրաշարժի դետեկտորներում, քանի որ այն կարող է ուժեղացնել շատ ցածր մակարդակի ազդանշան ՝ միաժամանակ մերժելով ավելորդ աղմուկը: Նաև շատ հեշտ է փոփոխել, որպեսզի հարմարվի ցանկացած շահույթի համար [6]: Շղթայի ցանկալի շահույթը 1000 է, և այն ընտրվել է, քանի որ էլեկտրոդից մուտքը կլինի 5 մՎ -ից պակաս AC ազդանշան և պետք է ուժեղացնել, որպեսզի տվյալները ավելի հեշտ մեկնաբանվեն: 1000 -ի շահույթ ստանալու համար օգտագործվել է (1) GAIN = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3) բանաձևը, որը, հետևաբար, շահույթ է ստացել (1+ (5000Ω+5000Ω) /101.01Ω) (1000Ω/100Ω) = 1000. Ամրապնդման ճիշտ քանակությունը հաստատելու համար անցողիկ փորձարկում է իրականացվել LTspice- ի միջոցով:

Երկրորդ փուլը ժապավենն էր: Այս զտիչը երևում է Նկար 5 -ում և բաղկացած է ցածր անցումից, այնուհետև բարձր անցումից զտիչից, որի միջև կա գործառնական ուժեղացուցիչ ՝ ֆիլտրերի միմյանց չեղարկումը կանխելու համար: Այս փուլի նպատակն է արտադրել մի շարք հաճախականություններ, որոնք ընդունելի կլինեն սարքով անցնելու համար: Այս սարքի համար ցանկալի միջակայքը 0.5-150 Հց է, քանի որ սա ԷՍԳ -ի ստանդարտ տիրույթն է [6]: Այս նպատակային տիրույթին հասնելու համար հավասարման (2) անջատման հաճախականությունը = 1/(2πRC) օգտագործվեց, որպեսզի որոշվի միջանցքի ներսում ինչպես բարձր, այնպես էլ ցածր անցման ֆիլտրերի անջատման հաճախականությունը: Քանի որ միջակայքի ստորին ծայրը պետք է լինի 0.5 Հց, բարձր անցման ֆիլտրի դիմադրության և կոնդենսատորի արժեքները հաշվարկվեցին 0.5 Հց = 1/(2π*1000Ω*318.83µF), իսկ վերին ծայրը `150 Հց, ցածր անցնող ֆիլտրի դիմադրության և կոնդենսատորի արժեքները հաշվարկվել են 150 Հց = 1/(2π*1000Ω*1.061µF): Որպեսզի հաստատվի, որ ճիշտ հաճախականությունների տիրույթը ձեռք է բերվել, AC մաքրում է իրականացվել LTspice- ի միջոցով:

Երրորդ և վերջին մոդելավորված փուլը խազ ֆիլտրն է և կարելի է տեսնել Նկար 6 -ում: Խազ ֆիլտրը ծառայում է որպես միջոց `վերացնելու անցանկալի աղմուկը, որն առաջանում է ցանկալի հաճախականությունների միջակայքում, որը ստեղծվում է անցուղու միջոցով: Այս դեպքում թիրախային հաճախականությունը 60 Հց է, քանի որ դա ԱՄՆ -ում էլեկտրահաղորդման գծի ստանդարտ հաճախականությունն է և միջամտության պատճառ է դառնում, եթե չլուծվի [7]: Այս միջամտությունը կարգավորելու համար ընտրված խազի զտիչը երկտողանի զտիչ էր `երկու օպտիկական ուժեղացուցիչով և լարման բաժանարարով: Սա թույլ կտա ազդանշանին ոչ միայն ուղղակիորեն զտել ազդանշանը թիրախային հաճախականությամբ, այլ նաև փոփոխական հետադարձ կապ մտցնել համակարգում, կարգավորվող որակի գործոն Q և փոփոխական ելք `լարման բաժանարարի շնորհիվ, և, հետևաբար, այն դարձրեց ակտիվ զտիչ պասիվ [8]: Այս լրացուցիչ գործոնները, սակայն, հիմնականում անփոփոխ են թողնվել նախնական թեստերում, բայց կանդրադառնան հետագա աշխատանքներին և ինչպես հետագայում կատարելագործել նախագիծը: Մերժման հաճախության կենտրոնը որոշելու համար հավասարումը (3) կենտրոնի մերժման հաճախականությունը = 1/(2π)*√ (1/(C2*C3*R5*(R3+R4)))) = 1/(2π)* Was (1/[(0.1*10^-6µF)*(0.1*10^-6µF) (15000Ω)*(26525Ω +26525Ω)]) = 56.420 Հց էր օգտագործվում: Որպեսզի հաստատվի, որ մերժման ճիշտ հաճախականությունը ձեռք է բերվել, AC մաքրում է իրականացվել LTspice- ի միջոցով:

Ի վերջո, յուրաքանչյուր փուլը առանձին փորձարկվելուց հետո երեք փուլերը միավորվեցին, ինչպես երևում է Նկար 7 -ում: Հարկ է նաև նշել, որ բոլոր օդի ուժեղացուցիչներն ապահովված էին +15V և -15V DC սնուցման աղբյուրով, որպեսզի թույլ տան զգալի ուժեղացում: անհրաժեշտության դեպքում առաջանալ: Այնուհետեւ ավարտված սխեմայի վրա կատարվեցին ինչպես անցողիկ փորձություն, այնպես էլ AC մաքրում:

Արդյունքներ:

Յուրաքանչյուր փուլի գծապատկերները կարելի է գտնել անմիջապես համապատասխան փուլի տակ ՝ հավելվածի «Գծապատկեր» բաժնում: Առաջին փուլի ՝ գործիքային ուժեղացուցիչի, անցողիկ փորձարկում անցկացվեց շղթայի վրա `փորձարկելու համար` համոզվելու, որ ուժեղացուցիչի շահույթը 1000 է: Թեստը տևեց 1-1,25 վայրկյանից `առավելագույնը 0,05 ժամանակային քայլով: Մատակարարվող լարումը AC սինուս ալիք էր `0,005 V ամպլիտուդով և 50 Հց հաճախականությամբ: Նախատեսված շահույթը 1000 էր և ինչպես երևում է Նկար 4 -ում, քանի որ Vout- ը (կանաչ կորը) ուներ 5V ամպլիտուդ: Նմանակված շահույթը հաշվարկվել է որպես, շահույթ = Vout/Vin = 5V/0.005V = 1000: Հետևաբար, այս փուլի տոկոսային սխալը 0%է: Այս հատվածի համար մուտքագրվել է 0.005V, քանի որ այն սերտորեն առնչվելու է էլեկտրոդից ստացված մուտքին, ինչպես նշված է մեթոդների բաժնում:

Երկրորդ փուլը `ժապավենը, որն ուներ թիրախային միջակայք` 0.5-150 Հց: Ֆիլտրը փորձարկելու և համոզվելու համար, որ տիրույթը համապատասխանում է մեկ տասնամյակ, AC մաքրում իրականացվեց 100 միավորով մեկ տասնամյակում `0.01 - 1000 Հց -ից: Նկար 5 -ը ցույց է տալիս AC մաքրման արդյունքները և հաստատում է, որ ձեռք է բերվել 0.5 -ից մինչև 150 Հց հաճախականությունների տիրույթ, քանի որ առավելագույն մինուս 3 դԲ -ն տալիս է անջատման հաճախականությունը: Այս մեթոդը պատկերված է գրաֆիկի վրա:

Երրորդ փուլը ՝ խազ ֆիլտրը, նախատեսված էր 60 Հց -ի շուրջ հայտնաբերված աղմուկը վերացնելու համար: Մերժման հաճախականության հաշվարկված կենտրոնը ~ 56 Հց էր: Սա հաստատելու համար մեկ տասնամյակ AC հոսքը կատարվեց 100 միավորով մեկ տասնամյակում `0.01 - 1000 Հց -ից: Նկար 6-ը ցույց է տալիս AC մաքրման արդյունքները և պատկերում է մերժման հաճախականության կենտրոն ~ 56-59 Հց: Այս հատվածի տոկոսային սխալը կկազմի 4.16 %:

Յուրաքանչյուր առանձին փուլի աշխատանքի հաստատումից հետո երեք փուլերը հավաքվեցին, ինչպես երևում է Նկար 7 -ում: Այնուհետև անցողիկ թեստ անցկացվեց `միացման ուժեղացումը ստուգելու համար, և թեստը տևեց 1-1,25 վայրկյանից` առավելագույն ժամանակային քայլը `0,05 AC սինուսային ալիքի մատակարարվող լարումը 0.005 V ամպլիտուդով և 50 Հց հաճախականությամբ: Ստացված գրաֆիկը Նկար 7 -ի առաջին գրաֆիկն է, որը ցույց է տալիս Vout3 (կարմիր), ամբողջ շրջանի ելքը ՝ 3.865 V և, հետևաբար, շահույթ = 3.865V/0.005V = 773: եւ տալիս է 22.7%սխալ: Անցողիկ փորձարկումից հետո, մեկ տասնամյակ, AC մաքրում իրականացվեց 100 միավորով մեկ տասնամյակում 0.01 - 1000 Հց -ով և ստացավ երկրորդ գրաֆիկը Նկար 7 -ում: Այս գրաֆիկը ընդգծում է նախատեսված արդյունքները և ցույց է տալիս, որ ֆիլտրերը զուգահեռ աշխատում են ընդունում է 0.5-150 Հց հաճախականություններ ՝ մերժման կենտրոնից ՝ 57.5-58.8 Հց:

Հավասարումներ.

(1) - գործիքավորման ուժեղացուցիչի [6], դիմադրողականներ ՝ համեմատած Նկար 4 -ում:

(2) - ցածր/բարձր անցումային ֆիլտրի անջատման հաճախականություն

(3) - երկվորյակ զտիչի զտիչի համար [8], դիմադրիչներ ՝ համեմատած Նկար 6 -ում:

Քայլ 1: Գործիքային ուժեղացուցիչ

1 -ին փուլ. Գործիքային ուժեղացուցիչ

հավասարում - ՇԱՀՈԹՅՈՆ = (1+ (R2+R4)/R1) (R6/R3)

Քայլ 2: Bandpass

2 -րդ փուլ. ժապավեն

հավասարում. անջատման հաճախականություն = 1/2πRC

Քայլ 3: Փուլ 3. Notch Filter

փուլ 3: Twin T Notch զտիչ

հավասարում - կենտրոնի մերժման հաճախականությունը = 1/2π √ (1/(C_2 C_3 R_5 (R_3+R_4)))

Քայլ 4: Բոլոր փուլերի համատեղ սխեմա

Վերջնական սխեմատիկ փոփոխական հոսքով և անցողիկ կորերով

Քայլ 5: Սարքի քննարկում

Քննարկում:

Վերևում կատարված թեստերի արդյունքը եղավ այնպիսին, ինչպիսին սպասվում էր շրջանի համար: Չնայած ուժեղացումն անթերի չէր, և ազդանշանը մի փոքր վատթարանում էր, քանի որ այն անցնում էր միացումով (ինչը երևում է Նկար 7 -ում, գրաֆիկ 1 -ում, որտեղ ազդանշանն առաջին փուլից 0.005V- ից հասել էր 5V- ի, իսկ երկրորդից հետո նվազել էր մինչև 4V): և այնուհետև 3.865V վերջնական փուլից հետո), անցուղու և խազի զտիչը չնայած աշխատում էր ըստ նախատեսվածի և արտադրում էր 0.5-150 Հց հաճախականությունների միջակայք ՝ մոտ 57.5-58.8 Հց հաճախականության հեռացմամբ:

Իմ սխեմայի պարամետրերը հաստատելուց հետո ես այն համեմատեցի երկու այլ ԷՍԳ -ի հետ: Պարզ թվերի հետ ավելի ուղղակի համեմատություն կարելի է գտնել Աղյուսակ 1 -ում: Իմ տվյալները գրականության այլ աղբյուրների հետ համեմատելիս երեք հիմնական նախազգուշացում կար: Առաջինն այն էր, որ իմ միացումում ուժեղացումը զգալիորեն ցածր էր մյուս երկուսից, որոնք ես նույնպես համեմատում էի: Գրականության աղբյուրների երկու սխեմաներն էլ հասել են 1000 -ի ուժեղացման, իսկ Գավալիի ԷՍԳ -ում [9], ֆիլտրի փուլում ազդանշանը նույնիսկ ավելի է ուժեղացվել 147 գործակցով: Հետևաբար, չնայած իմ շրջանի ազդանշանը ուժեղացվել է 773 -ով (ստանդարտ ուժեղացման հետ համեմատած ՝ 22,7% սխալ) և համարվել է բավականաչափ բավարար, որպեսզի կարողանա մեկնաբանել էլեկտրոդից մուտքային ազդանշանը [6], այն, այնուամենայնիվ, թզուկ է ստանդարտ ուժեղացման համեմատ: 1000. Եթե իմ սխեմայում ստանդարտ ուժեղացում պետք է կատարվեր, գործիքային ուժեղացուցիչի ուժեղացումը պետք է ավելացվի մինչև 1000 -ից ավելի գործոն, որպեսզի երբ իմ միացման ֆիլտրի յուրաքանչյուր փուլից անցնելուց հետո շահույթը նվազի, այն դեռ ունի առնվազն 1000 շահույթ կամ ֆիլտրերը պետք է ճշգրտվեն, որպեսզի թույլ չտան լարման անկման ավելի բարձր մակարդակների առաջացում:

Երկրորդ խոշոր ձեռնարկը այն էր, որ բոլոր երեք սխեմաներն ունեին շատ նման հաճախականությունների տիրույթներ: Գավալիի [9] ճշգրիտ նույն միջակայքն էր ՝ 0.5-150 Հց, իսկ Գոան [10] ՝ մի փոքր ավելի լայն ՝ 0.05-159 Հց: Կառավարության միացումն այս աննշան անհամապատասխանությունն ուներ, քանի որ այդ միջակայքն ավելի հարմար էր տվյալների հավաքագրման քարտին, որն օգտագործվում էր դրանց տեղադրման ժամանակ:

Վերջին խոշոր ձեռնարկը մերժման հաճախությունների կենտրոնի տարբերություններն էին, որոնք ձեռք էին բերվում յուրաքանչյուր շղթայի խազ ֆիլտրերի միջոցով: Գաոյի և իմ միացումը երկուսն էլ ունեին 60 Հց թիրախ ՝ գծի հաճախականության աղմուկը էլեկտրահաղորդման գծեր առաջացնելու համար, մինչդեռ Գավալին սահմանեց 50 Հց: Այնուամենայնիվ, այս անհամապատասխանությունը լավ է, քանի որ կախված աշխարհի գտնվելու վայրից, էլեկտրահաղորդման գծի հաճախականությունը կարող է լինել 50 կամ 60 Հց: Հետևաբար, ուղղակի համեմատություն արվեց Գոայի շրջանի հետ, քանի որ ԱՄՆ -ում էլեկտրահաղորդման գծերի միջամտությունը 60 Հց է [11]: Տոկոսային սխալը կազմում է 3.08%: