5. Wieloczujnikowy system akwizycji sygnałów PPG
5.4. Tor analogowy systemu pomiarowego
Stopień wejściowy systemu pomiarowego w postaci układu kondycjonowania (p. rys. 5.5) odgrywa ważną rolę w przetwarzaniu prądowych sygnałów wyjściowych z czujnika, przekształcając je na sygnały napięciowe dopasowane poziomami do dalszego procesu przetwarzania. Parametry stopnia wejściowego decydują o jakości całego systemu pomiarowego, który powinien charakteryzować się:
jak najmniejszą impedancją wejściową ze względu na zastosowany tryb pracy fotodetektora,
dużym tłumieniem zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych,
dopasowaniem wzmocnienia i impedancji wyjściowej każdego bloku systemu do następnego stopnia,
możliwością wstępnego kształtowania widma sygnału poprzez bloki filtrów,
zabezpieczaniem przed skutkami przesterowania toru pomiarowego.
Poszczególne bloki w jak najmniejszym stopniu powinny wpływać na kształt sygnału fotopletyzmograficznego, będącego zbiorem informacji diagnostycznych. Na potrzeby prowadzonych prac badawczych zbudowano układ, którego schemat blokowy pokazano na rysunku 5.36.
Rys. 5.36. Schemat blokowy rekonfigurowalnego wykonanego układu kondycjonowania i zasilania LED
Blok kondycjonowania sygnału PPG i
zasilania fotoemiterów Karta pomiarowa
System ma rekonfigurowalną strukturę modułową. Każdy z modułów ma określony wymiar oraz zestaw złączy wejściowych i wyjściowych, za pomocą których osadzany jest na płycie głównej. W części analogowej systemu wykonano dwumodułowy blok zasilania LED z rozdzieloną częścią źródeł prądowych i częścią sterującą. Widok wykonanego systemu z blokiem kondycjonowania sygnałów i zasilania diod LED przedstawiono na rysunku 5.2.
Wzmacniacz transimpedancyjny (przetwornik prąd - napięcie)
Fotodioda może pracować w trybie fotowoltaicznym lub fotoprzewodzącym. W trybie fotowoltaicznym fotodioda nie jest obciążona a sygnałem wyjściowym jest napięcie, którego wartość nieliniowo zależy od mocy padającego na nią promieniowania. Z uwagi na tę właściwość ten rodzaj pracy wykorzystywany jest w ogniwach fotowoltaicznych. Praca w obszarze fotoprzewodzącym fotodiody zapewnia proporcjonalną zależność pomiędzy mocą padającego promieniowania na fotodiodę a jej prądem wyjściowym, zgodnie z zależnością (5.4), gwarantując liniowość pracy czujnika. W układzie fotoprzewodzącym fotodioda wymaga zerowej wartości rezystancji obciążenia, którą zapewnia wzmacniacz transimpedancyjny będący przetwornikiem prąd-napięcie. Zmiany mocy optycznej w liniowym obszarze pracy fotodiody rozciągają się w granicach od 10-12 do 10-3 W.
Ograniczeniem górnym jest tu napięcie polaryzacji zaporowej oraz rezystancja obciążenia, natomiast dolnym jest wielkość NEP (Noise-Equivalent Power) [14]. Prądem wyjściowym czujnika optoelektronicznego jest prąd fotodiody Ifd wyrażony zależnością:
(5.4)
gdzie: η – efektywność kwantowa, λ – długość fali światła, h – stała Plancka, c –prędkość światła, E – moc padającego promieniowania.
Podstawowa konfiguracja wzmacniacza transimpedancyjnego stosowana w układach detekcji promieniowania za pomocą fotodiody przedstawiona jest na rysunku 5.37 [40, 103, 140, 155].
Rys. 5.37. Schemat wzmacniacza transimpedancyjnego
W stanie ustalonym równanie przetwarzania układu jest wyrażone zależnością:
(5.5)
Uwy
Fotodioda
Rf
Cf
gdzie Rf jest rezystancją sprzężenia zwrotnego ustalającą współczynnik przetwarzania i akceptowalny zakres prądów wejściowych. Równolegle z rezystancją sprzężenia zwrotnego włączony jest kondensator, którego wartość należy dobrać w zależności od sposobu zasilania czujnika. Przy zasilaniu stałoprądowym diod LED dwójnik RC sprzężenia zwrotnego stanowi filtr dolnoprzepustowy o liniowej charakterystyce fazowej, ograniczający szum wysokoczęstotliwościowy. Częstotliwość graniczna filtru dolnoprzepustowego jest równa 30 Hz, co wystarcza do przeniesienia wszystkich istotnych składowych sygnału PPG przy zasilaniu stałoprądowym. Pojemność Cf wyznaczana jest na podstawie wzoru:
(5.6)
Dysponując powyższymi informacjami określono wartości elementów sprzężenia zwrotnego i zestawiono je w tabeli 5.6.
Tabela 5.6. Wartości elementów elektronicznych wzmacniacza transimpedancyjnego (układ 1 – z pojedynczym wzmacniaczem, układ 2 – ze wzmacniaczem różnicowym ) dla przyjętego wzmocnienia prądowego i pasma przenoszenia
Zakres
Zasilanie stałoprądowe Zasilanie impulsowe Zakres prądów
Przy zasilaniu impulsowym układ powinien mieć znacznie szersze pasmo przenoszenia, a zatem pojemność Cf w tym przypadku powinna mieć inną wartość przy tych samych zakresach prądu wejściowego. Dobór czasu trwania impulsu zasilającego uzależniony jest od czasu próbkowania przetwornika analogowo-cyfrowego i dla pojedynczego kanału nie powinien on być krótszy niż 10 µs. Dla skonstruowanego systemu przyjęto czas świecenia diody LED równy 25 µs, co przy 50%-owym wypełnieniu odpowiada częstotliwości 25 kHz.
Przetwornik prąd-napięcie z fotodiodą o określonej pojemności należy rozpatrywać wtedy jako układ inercyjny drugiego rzędu, czego konsekwencją jest jego nie zawsze stabilne zachowanie. Szybkie zmiany prostokątnego sygnału optycznego wywołują składową przejściową w postaci oscylacji o dużej amplitudzie i długim czasie zaniku. Powodem tego są pojemności fotodiody oraz pojemność wejściowa wzmacniacza transimpedancyjnego ograniczające pasmo przenoszenia całego układu. Włączenie pojemności sprzężenia zwrotnego koryguje charakterystykę częstotliwościową, a tym samym odpowiedź czasową układu, likwidując pojawiające się oscylacje [14, 40, 155]. Na rysunku 5.34 pokazano obrazy sygnału rejestrowanego na wyjściu przetwornika prąd-napięcie w przypadku zastosowania różnych wariantów pojemności sprzężenia zwrotnego Cf.
a) b) c)
Rys. 5.38. Oscylogramy odpowiedzi przetwornika prąd-napięcie na prostokątny impuls świetlny w przypadku: a) braku kondensatora sprzężenia zwrotnego, b) odpowiednio dobranej pojemności, c) zbyt dużej wartości pojemności (przebieg fioletowy - napięcie zasilające diodę LED, przebieg pomarańczowy - napięcie na wyjściu przetwornika I/U)
Częstotliwość graniczną pracy przetwornika przy zasilaniu impulsowym diody LED określa zależność uwzględniająca szereg dodatkowych pojemności układu:
(5.7)
gdzie:
Ku0 – wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, Cf – pojemność sprzężenia zwrotnego,
CT – sumaryczna pojemność wejściowa, na którą składa się pojemność fotodiody Cj oraz pojemność wejściowa wzmacniacza operacyjnego Ci [14].
Wyznaczenie pojemności Cf wymaga założenia warunków stabilności układu inercyjnego drugiego rzędu, a w wyniku przekształceń otrzymuje się wzór na pojemność kompensacyjną sprzężenia zwrotnego:
√ (5.8)
Wykorzystując zależność (5.8), dla kolejnych zakresów pomiarowych układu wejściowego wyznaczono wartości pojemności kondensatora sprzężenia zwrotnego Cf zawarte w tabeli 5.6.
Doboru odpowiedniej wartości Cf dokonano na podstawie obserwacji przebiegów czasowych z układu. Zestawienie przebiegów czasowych sygnałów sterujących diodą LED oraz sygnału wyjściowego przetwornika prąd–napięcie przedstawia rysunek 5.39.
Rys. 5.39. Przebiegi czasowe sygnałów sterujących diodą LED oraz sygnałów wyjściowych przetwornika prąd–napięcie
Innym rozwiązaniem przetwornika prąd–napięcie jest zastosowanie konstrukcji wzmacniacza różnicowego przedstawionego na rysunku 5.40 [40]. Główną zaletą tego rozwiązania jest tłumienie zakłóceń pojawiających się na przewodach sygnałowych czujnika oraz mniejsze wartości rezystancji sprzężenia zwrotnego.
Rys. 5.40. Schemat różnicowego układu wzmacniacza transimpedancyjnego
W celach porównawczych wykonano konstrukcję zespołu tego typu wzmacniaczy stanowiących alternatywę dla układu z pojedynczym wzmacniaczem. Równanie przetwarzania układu wyraża zależność:
(5.9)
Napięcie sterujące diodą LED
Prąd sterujące diodą LED
Impuls sterujący przetwornika A/D Napicie wyjściowe przetwornika I/U
fotodioda
Uwy
Tak jak w przypadku pojedynczego wzmacniacza, wyznaczono wartości rezystancji Rf sprzężenia zwrotnego dla zadanego zakresu wartości prądu wejściowego. Procedura wyznaczania pojemności występującej w sprzężeniu zwrotnym jest identyczna z zastosowaną w przypadku przetwornika z pojedynczym wzmacniaczem. Pojemności Cf i rezystancje Rf
sprzężenia zwrotnego wzmacniacza różnicowego mają identyczne wartości jak te dla układu z pojedynczym wzmacniaczem, ale jednak odpowiadają o połowę mniejszym zakresom prądu wejściowego. Przedstawione rozwiązanie systemu pomiarowego wymaga użycia większej liczby elementów elektronicznych lecz zapewnia mniejszy poziom zakłóceń oraz wystarczająco „dobre” parametry sygnału wyjściowego.
W przypadku obiektów biologicznych optycznie grubych i słabo ukrwionych do prawidłowej detekcji krzywej PPG trzeba użyć znacznych mocy promieniowania optycznego emitowanego przez diodę LED lub zestaw diod LED. Dla obiektów biologicznych składowa stała może osiągać duże wartości i doprowadzić do przesterowania wzmacniacza bądź zespołu wzmacniaczy wejściowych, ograniczając zakres pomiarowy układu.
Zabezpieczeniem przed tego typu sytuacją jest specjalny układ (rys. 5.41), w skład którego wchodzą dodatkowe sterowane źródła prądowe, których prądy doprowadzane są do wejścia przetwornika prąd-napięcie i sumowane z prądem generowanym przez fotodiodę.
Rys. 5.41. Schemat układu ograniczenia składowej stałej
W układzie istnieją dwa sposoby regulacji poziomu składowej stałej:
manualna, regulacja składowej stałej prądem Im dokonywana przez użytkownika na podstawie aktualnie obserwowanego przebiegu,
automatyczna, prądem Iag na podstawie odfiltrowanej analogowo bądź cyfrowo wartości składowej stałej.
W pierwszym przypadku dodatkowe źródło prądowe, sterowane manualnie napięciem, generuje prąd Im, który sumuje się z prądem fotodiody Ifd w tzw. „punkcie wirtualnej masy”.
W drugim przypadku sygnał wyjściowy Uwy przetwornika prąd–napięcie filtrowany jest dolnoprzepustowo, pozyskując składową stałą napięcia, która jest przez przetwornik napięcie-prąd przetwarzana na napięcie-prąd Iag kompensujący składową stałą prądu fotodiody Ifd. Częstotliwości graniczne filtru dolnoprzepustowego mogą być zmieniane i wynoszą odpowiednio 0,01 Hz oraz 0,001 Hz. Regulacje manualna oraz automatyczna mogą być
I/U
I/U
Fotodioda
Filtr dolnoprzpustowy
fg=0,01 Hz
Źródło prądowe
Im
Iag Ifd
Uag
Uwy
do wyznaczenia jego rzeczywistych wartości (bez przesunięcia) niezbędna jest rejestracja dodatkowych sygnałów napięciowych Uag. Ich wartości są wykorzystywane w procedurach numerycznych do jego obliczenia i w procesie kalibracji.
Na potrzeby opracowanego systemu pomiarowego wykonano dwa moduły przetwornika I/U, z których pierwszy jest oparty na konstrukcji z pojedynczym wzmacniaczem operacyjnym, natomiast drugi ze wzmacniaczem różnicowym. Na płytce kondycjonera znajduje się szereg złączy, za pomocą których można automatycznie lub ręcznie wybrać odpowiednie zakresy pomiarowe przetworników oraz tryb pracy ogranicznika prądu stałego.
W ramach testu układów kondycjonowania z pojedynczym wzmacniaczem oraz ze wzmacniaczem różnicowym do układów przyłączono czujnik z zasłoniętym fotodetektorem, rejestrując szumy własne i prąd ciemny.
a) b)
c) d)
Rys. 5.42. Przebiegi czasowe sygnału napięcia z przetwornika prąd–napięcie: a) z pojedynczym wzmacniaczem, b) ze wzmacniaczem różnicowym oraz ich częstotliwościowe charakterystyki amplitudowe: c) dla pojedynczego wzmacniacza, d) dla wzmacniacza różnicowego
Ifd[uA] Ifd[uA]
0 4 8 12 16 20 24 0 4 8 12 16 20 24
t[s] t[s]
Ifd(f) [dB] Ifd(f) [dB]
Rysunki 5.42a i b przedstawiają rzeczywiste wyjściowe przebiegi czasowe. Struktura obserwowanych przebiegów czasowych wyraźnie wskazuje na dużo mniejsze wartości chwilowe szumów dla układu ze wzmacniaczem różnicowym. Zdają się to potwierdzać również wykresy amplitudowe (rys. 5.42c, d), gdzie wyraźnie widoczne są poziomy głównych zakłóceń związanych z częstotliwością sieciową i jej harmonicznymi. Wzmacniacz różnicowy w naturalny sposób tłumi o 10 dB zakłócenia sieciowe o częstotliwościach 50 Hz, 100 Hz, 150 Hz. Kolejnym testem układów kondycjonowania była rejestracja sygnału PPG w konfiguracji z pojedynczym wzmacniaczem oraz wzmacniaczem różnicowym. Analizując postać czasową sygnałów można zauważyć zdecydowanie lepiej zarysowany kształt przebiegu PPG w przypadku zastosowania przetwornika ze wzmacniaczem różnicowym (rys. 5.43a, b).
a) b)
c) d)
Rys. 5.43. Przebiegi czasowe PPG otrzymane na wyjściu przetwornika prąd–napięcie: a) z pojedynczym wzmacniaczem, b) ze wzmacniaczem różnicowym oraz charakterystyki amplitudowe: c) układu z jednym wzmacniaczem, d) ze wzmacniaczem różnicowym
Porównując charakterystyki amplitudowe (rys. 5.43c, d) można odnaleźć również główne składowe zakłócające przenikające z sieci elektroenergetycznej. Na charakterystyce
Ifd[uA] Ifd[uA]
0 0,8 1,6 2,4 3,2 4 0 0,8 1,6 2,4 3.2 4
t[s] t[s]
Ifd(f) [dB] Ifd(f) [dB]
amplitudowej w układzie z pojedynczym wzmacniaczem widać wyraźnie większość głównych harmonicznych zakłócających (50 Hz, 150 Hz, 250 Hz) (rys. 5.43c). Natomiast charakterystyka amplitudowa układu ze wzmacniaczem różnicowym pokazuje dominującą podstawową harmoniczną 50 Hz. W ramach pracy przeanalizowano istniejące rozwiązania układów przetworników współpracujących z fotodiodami. Zbudowano i eksperymentalnie przetestowano dwa elektroniczne układy przetworników prąd–
napięcie, dostosowując ich parametry (zakresy pomiarowe, częstotliwości graniczne filtrów) do realizowanych sposobów pozyskiwania sygnału fotopletyzmograficznego.
Filtry przeciwzakłóceniowe
Poważnym problemem natury technicznej jest konstrukcja stopnia wejściowego, który w jak największym stopniu będzie tłumił składowe zakłócające przy znikomej ingerencji w pasmo sygnału użytkowego. Pochodzenie zakłóceń może mieć typowo elektryczny charakter (sprzężenia elektromagnetyczne) lub mogą one być powodowane przez różne czynniki zewnętrze zaistniałe w określonej sytuacji pomiarowej. Sygnał PPG należy do klasy sygnałów biomedycznych, dla których warunki pomiaru są wyjątkowo trudne, gdyż:
wartości indukowanych napięć zakłócających przekraczają amplitudę sygnału użytecznego,
część składowych zakłóceń reprezentuje inne procesy zachodzące w organizmie,
występują optyczne sygnały zakłócające (np. pochodzące z zewnętrznych źródeł promieniowania optycznego) [9, 143].
Pierwszym zastosowanym sposobem eliminacji zakłóceń było ekranowanie zarówno samych czujników, jak i wykorzystanie ekranowanych przewodów połączeniowych. Kolejnym sposobem było zastosowanie odpowiednich układów przetworników prąd-napięcie zawierających specyficzne konfiguracje układów ze wzmacniaczami operacyjnymi o unikatowych właściwościach prezentowanych wcześniej. W systemie zastosowano bloki filtrów analogowych w celu redukcji informacji zawartych w sygnale PPG, co w wielu przypadkach jest nieuniknione. Poszczególne filtry w torze pomiarowym mogą być wyłączane bądź włączane przez użytkownika, co uzasadniają szczególnie trudne warunki rejestracji krzywej PPG.
Filtr górnoprzepustowy
Pierwszym elementem bloku filtracji sygnału jest prosty filtr górnoprzepustowy typu RC, którego zadanie sprowadza się do eliminacji składowej stałej. Małe nachylenie charakterystyki amplitudowej minimalizuje zniekształcenia charakterystyki fazowej, gwarantując dobre odwzorowanie kształtu sygnału. Układ zawiera filtry pierwszego rzędu, którego częstotliwości graniczne wynoszą odpowiednio 0,1 Hz; 0,01 Hz; 0,001 Hz o nachyleniu 20 dB/okt. Częstotliwości graniczne wybrano z uwagi na pasmo użytecznego sygnału i zakres prowadzonych badań. Sama składowa stała nie niesie wielu istotnych informacji diagnostycznych lecz jest wskaźnikiem kontaktu czujnika z miejscem na ciele osoby badanej. Na tym etapie oczywiście dokonuje się wtórnej filtracji składowej stałej, co jest uzupełnieniem układu eliminacji składowej stałej z wykorzystaniem opisanego wcześniej układu przetwornika prąd-napięcie.
Filtr pasmowozaporowy
System zawiera kartę pomiarową, więc głównym i dominującym zakłóceniem jest sieciowa składowa 50 Hz i jej harmoniczne. W celu skutecznego tłumienia tego rodzaju zakłóceń skonstruowano filtry pasmowozaporowe o częstotliwościach środkowych 50 Hz i 100 Hz, mające za zadanie stłumienie dwóch głównych składowych: podstawowej harmonicznej sieci zasilającej oraz drugiej harmonicznej pochodzącej z zewnętrznych źródeł światła z niej zasilanych. Uwzględniając zakres zmienności częstotliwości sieci zasilającej oraz tolerancje elementów RC, właściwą konstrukcją jest filtr „podwójne T” [9, 140] włączony bezpośrednio w gałąź sprzężenia zwrotnego układu wzmacniaczy operacyjnych przedstawionego na rysunku 5.44.
Wartości elementów RC dla fg=50 Hz: C=6,8 nF, R=470 k a dla fg=100 Hz: C=10 nF, R=160 k Rys. 5.44. Schemat filtru pasmowozaporowego
Charakterystyki tłumienia filtru pasmowozaporowego odpowiadają strukturze zakłóceń sieciowych o ściśle ustalonej częstotliwości i często dużej amplitudzie dominującej nad amplitudą sygnału użytecznego. Charakterystyka fazowa filtru nie jest liniowa i powoduje zniekształcenia przebiegu czasowego sygnału w paśmie zaporowym oddalonym wystarczająco od pasma diagnostycznie użytecznego sygnału PPG.
Filtr dolnoprzepustowy
Ostatnim ogniwem bloku kondycjonowania jest filtr antyaliasingowy. Jego głównym zadaniem jest tłumienie składowych o częstotliwościach przekraczających połowę częstotliwości próbkowania fs. Należy przy tym pamiętać, że tłumienie sygnału dla częstotliwości równej połowie częstotliwości próbkowania fs powinno np. wynosić: dla 8-bitowego przetwornika powinno wynosić: –48 dB, a dla 16-8-bitowego –96 dB [9, 140, 161].
Postawione wymaganie gwarantuje, iż pojawienie się w sygnale składowych o częstotliwościach wyższych niż ½ fs i znacznych amplitudach nie spowoduje aliasingu sygnałów o częstotliwości fs i sygnału spróbkowanego fp. Karta pomiarowa umożliwia wybór częstotliwości próbkowania w zakresie do 200 kHz. W przeprowadzonych badaniach wystarczająca wartość częstotliwości próbkowania to 1 kHz. Przyjęte powyżej założenie wymusza zastosowanie filtrów antyaliasingowych o minimalnej częstotliwości granicznej 500 Hz. Wstępna filtracja dolnoprzepustowa przeprowadzana jest już przez wzmacniacz transimpedancyjny dla częstotliwości 30 Hz, stanowiąc uzupełnienie drugiego stopnia.
Uwe
R
2R 2R
C C
2C
R Uwy +
–
+ –
Sterownik diod LED
Do czujnika pomiarowego należy dostarczyć prąd zasilający diody LED. System dopuszcza dwie opcje zasilania: prądem stałym oraz krótkimi impulsami prądowymi. Impulsowe sterowanie diodami LED pozwala na zasilanie ich dużo większymi wartościami prądu niż wartość prądu znamionowego, tym samym zwiększając moc emitowanego promieniowania [83, 84]. Układ sterownika diod LED składa się z dwóch części: źródeł prądowych sterowanych napięciem i kontrolera ustalającego wartości prądów zasilających oraz tryb pracy (rys. 5.45). W skład układu sterującego pracą źródeł prądowych wchodzi mikrokontroler ATmega8. Mikrokontroler odbiera sygnały pochodzące z karty pomiarowej, synchronizując pracę przetwornika analogowo-cyfrowego z cyklami załączania źródeł prądowych.
a) b)
Rys. 5.45. Schemat blokowy: a) sterownika LED, b) pojedynczego źródła prądowego sterowanego sygnałami z mikrokontrolera
W trybie zasilania prądem stałym: można nastawiać wartość prądu zasilającego diody LED w zakresie (0–500) mA manualnie za pomocą potencjometru lub automatycznie z aplikacji pomiarowej, co 5 mA, wykorzystując cyfrowe sygnały karty pomiarowej.
W trybie zasilania impulsami prądowymi: załączanie diody LED dokonywane jest tylko w określonych chwilach wyznaczanych przez proces akwizycji przetwornika karty pomiarowej.
Mikrokontroler monitoruje położenie impulsów pochodzących z układu S/H karty pomiarowej przetwornika analogowo-cyfrowego, ustalając momenty załączenia zasilania poszczególnych diod. W przypadku zmiany częstotliwości próbkowania mikrokontroler samoczynnie koryguje okres sygnału sterującego zasilaniem diod. Ze względu na ustalone cykle pracy przetwornika analogowo-cyfrowego karty pomiarowej przyjęto, że czas trwania impulsu zasilającego równy 25 µs jest czasem wystarczającym, w którym następuje próbkowanie sygnału optycznego i ustalenie się odpowiedzi przetwornika prąd-napięcie (rys. 5.46).
Rys. 5.46. Przebiegi czasowe dotyczące układu sterowania LED
Na podstawie przeprowadzanych doświadczeń impuls zasilający diody LED generowany jest o 5 µs wcześniej niż przychodzący sygnał z przetwornika analogowo-cyfrowego karty pomiarowej, co zapewnia poprawną synchronizację ze sterownikiem. Opisany układ zasilania diod LED wykonano w postaci dwóch połączonych układów elektronicznych, zawierających sterownik i źródła prądowe z możliwością ich wygodnego połączenia. Do budowy źródeł prądowych wykorzystano w pierwszej wersji tranzystory mocy, natomiast w drugiej zastosowano wzmacniacze operacyjne z wyjściami o dużej wydajności prądowej. Wykonane rozwiązania sterownika LED spełniają warunki stawiane przez opracowany i wykonany wieloczujnikowy system pomiarowy.