ELECTROCARDIÓGRAFODiseño e Implementación

ISEI-UACMINGENIERIA EN SISTEMAS ELECTRÓNICOS INDUSTRIALES

JOSE ALFREDO MARTINEZ PEREZSISTEMAS ELECTRÓNICOS ANALOGICOS

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE LA CIUDAD DE MEXICO

INTRODUCCION

Atravez del conocimiento adquirido en el curso de Sistemas Electrónicos Analógicos se trabajaron diferentes tipos de amplificadores operacionales con el fin de satisfacer cualquier necesidad futura. Una de ellas es la elaboración de un Electrocardiógrafo atravez de configuraciones necesarias para simular un amplificador operacional de instrumentación así como los filtros necesarios para adquirir la señal deseada y poder observar dicho fenómeno en un osciloscopio.

MARCO TEÓRICO

Electrocardiógrafo: Es un dispositivo electrónico que detecta señales eléctricas asociadas con la actividad cardiaca, la cual es generada por un pequeño grupo de células conocidas como nodo sinusal. En otras palabras es un registro grafico del voltaje contra tiempo de la actividad eléctrica del corazón. Este tipo de aparatos son utilizados frecuentemente para diagnosticar algunas enfermedades cardiacas y arritmias.

Amplificador Operacional: Deriva del concepto de un amplificador dc (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas características de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados.

Electrodo: Es un conductor eléctrico utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito, por ejemplo un semiconductor, un electrolito, el vacío (en una válvula termoiónica), un gas (en una lámpara de neón), etc.

Un filtro: Es un circuito que contiene amplificadores operacionales, y dependiendo del orden del filtro contienen un circuito RLC.

DESARROLLO

Diseñará un amplificador de instrumentación básico a partir de la unión de varios amplificadores de uso común.

Si sabemos que la ganancia en modo diferencial es: Vd=( 2 RfRg

+1)Vi =KVi donde K es la

ganancia, así que K=2 RfRg

+1. Si requerimos mover una sola resistencia para simplificarnos el

circuito podemos despejar a Rg= 2RfK−1 , si le damos a K un valor de 1000 de ganancia y fijamos la

resistencia Rf =10KΩ, obtenemos que la resistencia a considerar Rg =20Ω por lo que el diseño de mi primer parte quedaría de la forma (Figura 1). Y la etapa encargada de dar el CMRR se realizará de acuerdo a las características conocidas y a conocimientos como son que es recomendable que tenga ganancia unitaria, que los valores de las resistencias sean iguales, por lo que su ecuación es

de la forma Vo=R2R1 ( 2RfRg +1)Vd, donde R2R1tienen que ser el mismo valor para que seas

ganancia unitaria mientras que Rf y Rg se determinaron en las ecuaciones anteriores por lo que proponemos que R2= R1 y que R4=R3 y todas sean de 10KΩ por lo tanto

Vo=10kΩ10kΩ (210 kΩ20Ω

+1)Vd=1001Vd. Por lo que el diagrama queda de la forma:

Podemos observar con el apoyo de Simulink que el sistema opera en modo diferencial de 1mVpp a una ganancia de 1000.

ETAPA DE FILTRADO

Así también se realizará una etapa de filtrado que corresponda al rango de frecuencias de trabajo de la señal del corazón, considerar el ruido debido a los campos electromagnéticos y eléctricos variables presentes en el ambiente y en la señal eléctrica que nos llega a la frecuencia de 60 Hz por lo que las frecuencias que nos interesan están dentro del rango de .1Hz a 59Hz y de 61Hz a 100Hz, tratando de suprimir la frecuencia de 60Hz por lo que necesitamos filtro que nos permitan este comportamiento.

Una buena opción es una filtro de primer orden con su atenuación de -20dB/dec sin embargo necesitamos una atenuación más grande por lo que nos inclinaremos por una configuración de segundo orden con -40dB/dec con una realización Sallen-Key, pues esta configuración se caracteriza por tener un número mínimo de amplificadores, es muy barato, tiene sensibilidad media ante cambios de sus elementos tanto resistivos como capacitivos por lo que la tolerancia de ±5% que por lo común tienen los resistores no afectaran drásticamente los resultados de los filtros, así como su fácil implementación.

Para el cálculo nos apoyaremos de la herramienta Excel para variar todas las cantidades a la vez por lo que también sabemos que la atenuación no es ideal por lo que la curva debe alcanzar a bajar lo suficiente como para atenuar las frecuencias que no se desean a lo que tenemos que poner las frecuencias de corte de nuestros filtros pasa altas en Fo=10Hz y Fo=75Hz para que se atenúe lo suficiente nuestro filtro y lograr el propósito así que:

Los filtros tienen ganancia unitaria por lo que Rb=∞ y Ra=0, asi que Fc=0.303*1V=.0303V, y para los filtros pasa bajas con ganancia unitaria Fc=0.707*1V=0.707V idealmente.

De esta forma tenemos los valores de las resistencias y los capacitores que conformarán nuestros filtros pasa altas quedando como lo muestra la siguiente figura:

FILTRO PASA-ALTAS Fo=10Hz FILTRO PASA BAJAS Fo=45Hz

FILTRO PASA-ALTAS Fo=75Hz FILTRO PASA BAJAS Fo=85Hz

También necesitamos un sumador inversor para unir nuevamente las señales por lo que el diseño de un sumador sí Rf=R1=R2=R3=1Ω, implica

Vo=−Rf (V 1R1+V 2R2 )=−1Ω( 1V1Ω+ 1V1Ω )=2V con un diseño de la forma.

Por lo que podemos comprar los componentes para implementar nuestro proyecto.

PIEZAS DESCRIPCION COSTO IMPORTE

21 RESISTENCIAS DIVERSOS VALORES $ 1.50 $ 31.50 8 CAPACITORES DIFERENTES VALORES $ 10.00 $ 80.00 8 OPAMS TL081 $ 14.00 $ 112.00 3 CABLE X MTS $ 5.00 $ 15.00 6 ELECTRODOS DESECHABLES C/3 $ 10.00 $ 60.00

TOTAL $ 298.50

IMPLEMENTACION

De acuerdo a los diagramas apoyándonos en Multisim los circuitos quedan de la siguiente forma:

El filtro pasa altas con frecuencia de corte de 75Hz tenía 900mVpp cuando la entrada fué de 1Vpp a 60Hz tenía una salida de 400mVpp no la suprimió como se esperaba y finalmente el

Primera etapa, el amplificador de instrumentación elaborado con amplificadores TL081 con una ganancia de 1000.

Las pruebas físicas dicen que:

Gd=2.3V y Gc=15mV por lo que:

CMRR=20 log(GdGc )=20 log( 3.3V15mV )=46.71Que mínimo esperábamos un CMRR de 60

sin embargo seguimos con el diseño.

Etapa de filtrado:

A la salida del primer filtro se obtuvo 3.1V no la ganancia unitaria que se tenía esperada si atenuó la señal a 1.8Vpp a una frecuencia de 10Hz y a una frecuencia de 1Hz se obtuvo la atenuación de 330mV que se esperaba. El filtro pasa bajas que tenía que atenuar a 45Hz tuvo una atenuación de 900mV y a 60Hz una atenuación de 367mV.

filtro con frecuencia de corte de 85Hz tenía una salida de 2.4Vpp y a 200Hz tenía una atenuación de 800mVpp por lo que recomendaría realizar otro diseño de orden superior.

Una vez unidas todas las partes del electrocardiógrafo de forma física y poniéndole los electrodos se realiza el análisis del resultado.

Los electrodos se colocan en la muñeca derecha, en la parte del pecho cerca del corazón y en el tobillo como se muestra en las siguientes imágenes.

El orden es muy importante porque de el depende obtener los picos no tanto como interpretación medica sino como resultado del estudio de la adquisición de cada una de las ondas que se deben extraer del electrocardiógrafo.

Finalmente el sumador si realiza la suma de voltajes y las invierte aunque la salida es de 1.56Vpp mientras que se esperaba una salida de 2Vpp.

El orden es:

Entrada A, al amplificador se coloca en el pecho.

Entrada B, al amplificador se coloca en el tobillo

Tierra de dispositivo se coloca en la muñeca derecha

RESULTADOS

En forma gráfica visto desde el osciloscopio se tiene esta onda que se analiza para el óptimo resultado del trabajo realizado.

CONCLUSIONES

A través del estudio de los elementos que se vieron en el curso se tiene un resultado satisfactorio del manejo de los amplificadores operacionales usados como filtros o como etapas de amplificación, aunque trabajar con señales tan pequeñas crean un esfuerzo muy difícil de lograr, pues el ruido que experimentan tanto del contexto que se maneja como el interno de cada elemento que se está utilizando al sumarse crean una gran señal no deseada por el sistema que para evadirla es muy difícil, además las frecuencias de corte de cada filtro ya implementado difieren mucho a lo simulado esto porque cada amplificador tiene un comportamiento propio sin embargo se logran los objetivos de ananlisis y arduo trabajo.

Bibliografias

http://ingenieria.udea.edu.co/~jfvargas/bk_old/Ctos2/documen/Capitulo5.pdf

http://www.ifent.org/temas/amplificadores_operacionales.asp

http://revistas.udistrital.edu.co/ojs/index.php/reving/article/view/2748/3989