Optimizacin de un sistema de impedancia elctrico basado en el demodulador AD8333

Optimizacin de un sistema de impedancia elctrico basado en el demodulador AD8333

Ing. Rodolfo Rodarte RodrguezINTRODUCCINLa Espectroscopia de Impedancia Elctrica (EIS) es una tcnica que consiste en medir la impedancia elctrica de un material biolgico a varias frecuencias. Se utiliza para conocer el comportamiento de dicho material bajo ciertas condiciones,Dependiendo de la aplicacin, un sistema de medida de EIS ajusta sus condiciones de trabajo de acuerdo a las caractersticas de los materiales biolgicos. La medicin de V-I el ms utilizado en EIS.

Con ste mtodo se logra la caracterizacin de los materiales biolgicosSe han diseado sistemas de medida EIS, sin embargo se tiene la desventaja que su rango frecuencial de trabajo no abarca un estudio completo de la dispersin de los materiales biolgicos bajo estudio. Por lo tanto, el objetivo general del proyecto es disear un sistema de medida de Espectroscopia de Impedancia Elctrica en un rango de frecuencia de 100 kHz a 20 MHz.

De acuerdo con el equipo de espectroscopia de impedancia elctrica diseado anteriormente en un rango de medicin de 1kHZ a 10MHz, presentaba varios errores en diseo e implementacin que limitaron el correcto funcionamiento.Por esta razn, es necesario disear un equipo de espectroscopia de impedancia elctrica con las caractersticas requeridas para la medicin de EIS principalmente en procesos de fermentacin, el cual tenga un bajo costo y permita el estudio de sistemas biolgicos.

El objetivo del diseo es contar con un sistema de medida capaz de detectar variaciones de impedancia (mdulo y fase) con la mayor exactitud posible en un rango frecuencial de 100 kHz a 20 MHz que cubra la mayor parte de aplicaciones de medida de bioimpedancia, con nfasis en aplicaciones de biotecnologa en cuantificacin de biomasa. METODOLOGAEspecificaciones de diseo

El ancho de banda deseado del sistema es de 10 kHz a 20 MHz. La frecuencia a la cual se determina la relajacin depende de la muestra a medir. Para obtener ms informacin se tiende a medir alrededor de la frecuencia donde la relajacin sea mxima. En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques del sistema de medida propuesto. La zona central cuadrada representa el ncleo del sistema. El Front-End y el Procesador se pueden adaptar a las necesidades de la medida a realizar. La funcin a realizar por el sistema de medida es la determinacin de la impedancia Zx que puede corresponder a una suspensin celular, tejido u organismo.

Figura 1. Diagrama a bloques del sistema de impedancia elctrico.El diseo incluye 6 etapas las cuales son:

Etapa de demodulacin Se ha seleccionado el demodulador AD8333 como demodulador I/Q de doble canal, este necesita una referencia de reloj de frecuencia 4fo en formato diferencial y seal cuadrada. Se ha seleccionado el AD9515 para realizar esta funcin.

Etapa de amplificacinSe usa como complemento al demodulador el integrado AD8332 para acondicionar las seales de entrada.

Etapa de generacin de seal y acondicionamientoLa generacin de seal se lleva a cabo por medio del sintetizador digital directo (DDS) AD9958.

Etapa de filtradoLas caractersticas que se han tenido en cuenta a la hora de seleccionar los amplificadores operacionales han sido bajo offset y un ancho de banda elevado.

Etapa de alimentacinPara la seleccin de los diferentes reguladores se ha tenido en cuenta la tensin de salida requerida y la corriente demandada por cada etapa.Convertidores A/D y D/AEl convertidor A/D utilizado es el AD7734, la comunicacin es serie SPI y el convertidor D/A es el AD5320 de 12 bits.Pruebas preliminares de diseoSe han realizaron pruebas con la placa de evaluacin del demodulador AD8333 y con la del DDS AD9958.

AD8333-EVALBsicamente las medidas han consistido en producir desfases entre la seal de entrada (RF INPUT) y la seal del oscilador local (4LO INPUT) y comprobar cmo afecta a las salidas. Las medidas se han realizado a diferentes frecuencias: 1) FRF IN= 1 kHz F4LO= 4 kHz 2) FRF IN= 100 kHz F4LO= 400 kHz3) FRF IN= 1MHz F4LO= 4 MHz4) FRF IN= 10 MHz F4LO= 40 MHz

La sincronizacin de los dos canales de entrada a la placa del demodulador observando la estabilidad de las salidas (I1 y Q1).

Figura 2. Conexionado de la placa de evaluacin AD8333-EVALAD9958- EVALPara comprobar la calidad espectral de la seal generada con el AD9958 se realizaron medidas desde la frecuencia de 20kHz y se increment hasta tener la frecuencia superior de diseo que es de 20MHz. Se han comprobado los lmites frecuenciales inferior y superior de funcionamiento.

Figura 3. Conexionado de la placa de evaluacin AD9958-EVALInterconexin de los diferentes mdulosLos diferentes mdulos se han interconectado para simular el circuito final antes de proceder a la implementacin en una placa de circuito impreso para validar que cumple con las caractersticas de diseo, como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Interconexin de los mdulosPruebas con PhantomsUna vez implementado el diseo de la tarjeta empleando las tarjetas de evaluacin, se procedi a realizar medidas de phantoms que simulen una suspensin celular, figura 5.

Figura 5. Modelo elctrico de una suspensin celular, formada por el fluido extracelular (R2), la membrana citoplasmtica (C) y el lquido intracelular (R1).RESULTADOSEn la figura 6 se muestra la evolucin temporal de las componentes en fase I1 (seal 3) y cuadratura Q1 (seal 4) para diferentes desfasamientos de la seal de entrada. El valor medio de la tensin es de 100mV en cada caso. Cuando el desfase es 0 el valor medio de I1 ser mximo (positivo o negativo), y nulo para Q1. En cambio, si el desfase es 90 el valor medio de I1 es nulo y el valor medio de Q1 es mximo (negativo o positivo).

Figura 6. Evolucin temporal de la seales para desfase 0 a 1 kHz: RF INPUT (Amarilla), 4LO (Azul), I1 (Rosa) y Q1 (Verde) En la figura 7 se muestra el valor de cada componente a diversos desfasamientos en un rango de 0 a 45 grados que cubre el rango de inters.Figura 7. Valor DC de las componentes I1 y Q1 a 100kHz y 20 MHz.Se ha podido verificar el funcionamiento de la placa a alta frecuencia hasta los 20 MHz (RF IN) y a baja frecuencia hasta 1 kHz (RF IN) utilizando seal cuadrada en el generador mster.Por otro lado, tambin se ha podido comprobar la actuacin del amplificador de transimpedancia (I/V) paso bajo cuya frecuencia de corte es 90 kHz. La componente alterna de las salidas I1, Q1 disminuye a medida que se aumenta la frecuencia.

CONCLUSIONESEl sistema de medida implementado est basado en el demodulador AD8333 de Analog Devices que incluye los dos canales de demodulacin en fase y cuadratura y el circuito de generacin de las seales de referencia a partir de una nica seal de reloj de frecuencia cudruple sincronizada con la seal de inyeccin de forma inherente debido a que ambas proceden de un sintetizador digital directo de seal, ms concretamente del AD9958 de Analog Devices.

El sistema presentado permite realizar medidas de caracterizacin de biomasa y de tejidos por medio de la medida a frecuencias impedancia elctrica.