Av. Instituto Tecnológico No. 100, C.P. 49100, A.P. 150 Cd. Guzmán, Jal. Tels. (341) 575 20 50, Fax: 575 20 74, www.itcg.edu.mx SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN SUPERIOR DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICA INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CD. GUZMÁN “2011, Año del Turismo en México”. DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN LABORATORIO DE ELECTRÓNICA Maestría en Ingeniería Electrónica MATERIA: Amplificadores Operacionales Horas Teóricas: 2 Horas Prácticas: 2 Practica Practica Practica Practica 7 “ “Electrocardi Electrocardi Electrocardi Electrocardi Electrocardi Electrocardi Electrocardi Electrocardi ó ógrafo grafo grafo grafo grafo grafo grafo grafo & & Convertidor Convertidor Convertidor Convertidor Convertidor Convertidor Convertidor Convertidor ADC+ ADC+ ADC+ ADC+ ADC+ ADC+ ADC+ ADC+ adquisici adquisici adquisici adquisici adquisici adquisici adquisici adquisici ó ó n n por por por por por por por por el el el el el el el el puerto puerto puerto puerto puerto puerto puerto puerto paralelo paralelo paralelo paralelo paralelo paralelo paralelo paralelo ” ” PROFESOR: PROFESOR: PROFESOR: PROFESOR: M.I.E. M.I.E. M.I.E. M.I.E. Jorge Jorge Jorge Jorge Horacio Horacio Horacio Horacio Mej Mej Mej Mejía Garc Garc Garc García ALUMNOS: ALUMNOS: ALUMNOS: ALUMNOS: Edgar Edgar Edgar Edgar No No No Noé Colmenares Colmenares Colmenares Colmenares Corona Corona Corona Corona N.C.M11290911 N.C.M11290911 N.C.M11290911 N.C.M11290911 Luis Luis Luis Luis Fernando Fernando Fernando Fernando Jim Jim Jim Jiménez nez nez nez López pez pez pez N.C.M11290913 N.C.M11290913 N.C.M11290913 N.C.M11290913 Jos Jos Jos José Alberto Alberto Alberto Alberto Corona Corona Corona Corona Benavides Benavides Benavides Benavides N.C.M11290912 N.C.M11290912 N.C.M11290912 N.C.M11290912
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Practica 2 - Electrocardiografo y Convertidor ADC con Puerto Paralelo
Practica 2 - Electrocardiografo y Convertidor ADC con Puerto Paralelo - Amplificadores y Labview
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Av. Instituto Tecnológico No. 100, C.P. 49100, A.P. 150 Cd. Guzmán, Jal.
Las partes de las que consta un electrocardiógrafo se enumeran a continuación, dondelas primeras cinco etapas corresponden a un amplificador de biopotenciales:
1. Circuito de protección.
2. Señal de calibración. Es importante una señal de calibración de 1 mV
3. Preamplificador.
4. Circuito de aislamiento.
5. Amplificador manejados.
6. Circuito manejados de pierna derecha. Este circuito es capaz de crear una tierrao referencia virtual para la pierna derecha del paciente, con el propósito de reducir losvoltajes en modo común. La disminución de los voltajes comunes provocados por unacorriente filtrada al paciente Id se obtiene al reducir la impedancia del electrodo detierra ZT.
7. Selector de derivaciones. El selector de derivaciones es un módulo que puedeacoplarse fácilmente a un sistema de amplificación de biopotenciales. Este móduloconsiste en un arreglo de resistencias que obtiene el contenido de las señales de cadaelectrodo, ponderando la contribución de cada uno por medio de resistencias yobteniendo de esta manera la derivación de interés.
8. Sistema de memoria. Los sistemas modernos de electrocardiografía guardan laseñal en una memoria para después imprimirse junto con la información introducidavía un teclado digital. Para esto es necesario un convertidor analógico digital queconvierta la señal del dominio analógico al dominio discreto.
9. Microcontrolador. El microcontrolador maneja todos los procedimientos llevadosa cabo por el electrocardiógrafo. El operador puede seleccionar diversos modos deoperación con procedimientos previamente programados. Por ejemplo, elmicrocontrolador puede realizar un registro de 12 derivaciones con tres latidos en cadauna o por segmentos de tiempo determinados. También puede efectuar un análisisentre el tiempo de las ondas R R para determinar la frecuencia cardiaca, además deque puede reconocer arritmias y patrones característicos de cardiopatías.
10. Registrador. Este módulo proporciona un registro impreso de la señal detectada,generalmente empleando plumillas y papel térmico, aunque también se sigueutilizando la inyección de tinta.[3]
El amplificador de instrumentación (Amp-In) es un bloque de lazo cerrado quecuenta con una entrada diferencial y una salida referida a tierra. La impedancia de ambasterminales está balanceada y es muy elevada, típicamente de 109Ω. La corriente depolarización de entrada es baja, típicamente de 1nA a 50nA. Al igual que en unamplificador operacional (Amp-Op), su impedancia de salida es de unos pocos mili ohm abaja frecuencia.En un Amp-In la ganancia está internamente ajustada, y también es posible ajustarlaexternamente mediante un resistor.
En la entrada del amplificador están presentes un voltaje diferencial y un voltaje de modocomún.
FiguraFiguraFiguraFigura 5:5:5:5: Amp.Op de instrumentación para medición.
El Amp-In rechaza la señal de modo común y solo amplifica la de modo diferencial.Si se utilizara un Amp-Op, este amplificaría de igual forma la señal diferencial y la demodo común, corriéndose el riesgo de que la señal diferencial quede sepultada entre eloffset de CD y el ruido.
El CMR es la habilidad de de un amplificador para cancelar una señal de modo común(CD o CA), mientras que amplifica una señal de modo diferencial. Esta es la función másimportante que proporciona un Amp-In.Un Amp-In de calidad tendrá un CMR de CD de 80dB a 120dB. Un CMR de CAinadecuado puede provocar un error significativo, el cual puede incrementarse a medidaque se incrementa la frecuencia.Factor de Rechazo de Modo Común (CMRR)Se define como
CM
D
OUT
CMD A
AVVACMRR =⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
En donde AD es la ganancia de modo diferencial, VCM es el voltaje de modo comúnpresente en la entrada y ACM es la ganancia de modo común.
En un amplificador inversor o no inversor típico con Amp-Op, tanto la señal como elvoltaje de modo común están presentes en la salida.
FiguraFiguraFiguraFigura 7:7:7:7: Salida de un Amp. Op común amplificando entrada como Vcm
Al igual que en el caso de los amplificadores con Amp-Op, los buffers de un Amp-Inamplifican la señal diferencial, mientras que la señal de modo común es amplificada conganancia unitaria. La etapa diferencial del Amp-In se encarga de rechazar la señal demodo común.
FiguraFiguraFiguraFigura 8:8:8:8: Amp.In como buffer rechazando el Vcm.
En general, los Amp-In construidos con Amp-Op´s ofrecen flexibilidad a bajo costo y enalgunos casos pueden tener un desempeño que no se logra con diseños monolíticos, talcomo un ancho de banda muy grande. En contraste, los diseños monolíticos proporcionanplena funcionalidad y son totalmente ajustados durante el proceso de fabricación,obteniéndose frecuentemente una mayor precisión que los diseños discretos.Los Amp-In monolíticos son más pequeños, más económicos y es más fácil aplicarlos.
Características de un Amp-In de Calidad- Alto CMR (CD y CA)- Bajo voltaje de offset y baja deriva en el voltaje de offset- Impedancia de entrada alta y apareada- Bajo error por la corriente de polarización de entrada- Bajo ruido- No linealidad reducida- Ajuste simple de ganancia- Ancho de banda adecuado- Conversión diferencial a terminal única- Alta razón de cambio y bajo ruido
Muchos amplificadores de instrumentación utilizan un amplificador diferencial en su etapade salida, lo cual puede limitar significativamente el rango de modo común en la entrada.Así, las señales de modo común inducidas por el equipo adyacente y por los elevadospotenciales de CD de distintas señales, pueden incrementar la tensión a la entrada delamplificador de instrumentación (INA), ocasionando que su etapa de entrada se sature.Principios de INALas señales de entrada al INA se dividen en una tensión de modo común, VCM, y unatensión diferencial, VD.
2−+ += ININ
CMVVV
−+ −= ININD VVVAsí tendremos que
2D
CMINVVV +=+ 2
DCMIN
VVV −=−
Tensiones en un INA clásico
FiguraFiguraFiguraFigura 10:10:10:10: Amp.In diagrama interno.
El amplificador A3 resta V1 de V2 y amplifica la diferencia con ganancia G2
( ) 212 GVVVO −= en donde 1
22 R
RG =
Incrementando el rango en el voltaje de modo común en la entrada.El máximo voltaje de salida antes de la saturación es
Considerando que V1,2 y VD/2 se mantienen constantes, la única forma de incrementar elvoltaje de modo común desde VCM hasta VCM’, consiste en reducir la ganancia de G1 aG1’, esto es
O bien
Reduciendo G1 se reduce el rango de la componente diferencial amplificada, G1’(VD/2),de esta forma se obtiene una expansión en el rango de VCM.La ganancia total del INA está dada por
Si se reduce G1 es necesario incrementar G2 de tal forma que GTOT se mantenga en elmismo valor. Entonces el nuevo rango para la señal de modo común será
( )1''2
' 21 −+= GGVVV DCMCM
Dejando la ganancia de la primera etapa en 1, se hará necesario modificar la ganancia delamplificador diferencial.
FiguraFiguraFiguraFigura 11:11:11:11: Configuraciones para modificar la ganancia del Amp.In.
En electrocardiografía se presenta el reto adicional de diseño para detectar pequeñasseñales de CA dentro de potenciales elevados de CD.Sobre distintas partes del cuerpo se registran potenciales eléctricos de CA de 0.5 a 1.5mV, con un ancho de banda de 0.05 a 100 Hz, y en ocasiones hasta 1 KHz. Esta señalestá sobrepuesta a un offset de CD de hasta ±500 mV y a un voltaje de modo común dehasta 1.5 V. El voltaje de modo común está conformado por una interferencia de 50 o 60Hz y un potencial de offset de los electrodos.Amplificador diferencial con filtro pasa-bajas y etapa de ganancia.
Existen dos métodos básicos para transmisión de datos en las computadorasmodernas. En un esquema de transmisión de datos en serieserieserieserie un dispositivo envía datos aotro a razón de un bit a la vez a través de un cable. Por otro lado, en un esquema detransmisión de datos en paraleloparaleloparaleloparalelo un dispositivo envía datos a otro a una tasade n número de bits a través de n número de cables a un tiempo. Sería fácil pensar queun sistema en paralelo es n veces más rápido que un sistema en serie, sin embargo estono se cumple, básicamente el impedimento principal es el tipo de cable que se utiliza parainterconectar los equipos. Si bien un sistema de comunicación en paralelo puede utilizar
cualquier número de cables para transmitir datos, la mayoría de los sistemas paralelosutilizan ocho líneas de datos para transmitir un byte a la vez, como en todo, existenexcepciones, por ejemplo el estándar SCSI permite transferencia de datos en esquemasque van desde los ocho bits y hasta los treinta y dos bits en paralelo. En éste artículo nosconcentraremos en transferencias de ocho bits ya que ésta es la configuración del puertoparalelo de una PC. Un típico sistema de comunicación en paralelo puede ser de unadirección (unidireccional) o de dos direcciones (bidireccional). El más simple mecanismoutilizado en un puerto paralelo de una PC es de tipo unidireccional y es el queanalizaremos en primer lugar. Distinguimos dos elementos: la parte transmisora y la partereceptora. La parte transmisora coloca la información en las líneas de datos e informa a laparte receptora que la información (los datos) están disponibles; entonces la partereceptora lee la información en las líneas de datos e informa a la parte transmisora que hatomado la información (los datos). Observe que ambas partes sincronizan su respectivoacceso a las líneas de datos, la parte receptora no leerá las líneas de datos hasta que laparte transmisora se lo indique en tanto que la parte transmisora no colocará nuevainformación en las líneas de datos hasta que la parte receptora remueva la información yle indique a la parte transmisora que ya ha tomado los datos, a ésta coordinación deoperaciones se le llama acuerdo ó entendimiento. Bien, en éstos ámbitos tecnológicos esrecomendable utilizar ciertas palabras en inglés que nos permiten irónicamente un mejorentendimiento de los conceptos tratados. Repito: a la coordinación de operaciones entrela parte transmisora y la parte receptora se le llama handshakinghandshakinghandshakinghandshaking, que en español es elacto con el cual dos partes manifiestan estar de acuerdo, es decir, se dan un apretón demanos.
Para implementar el handshaking se requieren dos líneas adicionales. La línea deestroboscopioestroboscopioestroboscopioestroboscopio (en inglés strobe) es la que utiliza la parte transmisora para indicarle a laparte receptora la disponibilidad de información. La línea de admisiadmisiadmisiadmisióóóónnnn (acknowledge) esla que utiliza la parte receptora para indicarle a la parte transmisora que ha tomado lainformación (los datos) y que está lista para recibir más datos. El puerto paralelo proveede una tercera línea de handshaking llamada en inglés busybusybusybusy (ocupado), ésta la puede
utilizar la parte receptora para indicarle a la parte transmisora que está ocupada y por lotanto la parte transmisora no debe intentar colocar nueva información en las líneas dedatos. Una típica sesión de transmisión de datos se parece a lo siguiente:
· La parte transmisora checa la línea busy para ver si la parte receptora está ocupada.Si la línea busy está activa, la parte transmisora espera en un bucle hasta que lalínea busy esté inactiva.· La parte transmisora coloca la información en las líneas de datos.· La parte transmisora activa la línea de strobe.· La parte transmisora espera en un bucle hasta que la línea acknowledge está activa.· La parte transmisora inactiva la línea de strobe.· La parte transmisora espera en un bucle hasta que la línea acknowledge esté inactiva.· La parte transmisora repite los pasos anteriores por cada byte a ser transmitido.
· La parte receptora inactiva la línea busy (asumiendo que está lista para recibirinformación).· La parte receptora espera en un bucle hasta que la línea strobe esté activa.· La parte receptora lee la información de las líneas de datos (y si es necesario, procesalos datos).· La parte receptora activa la línea acknowledge.· La parte receptora espera en un bucle hasta que esté inactiva la línea de strobe.· La parte receptora inactiva la línea acknowledge.
· La parte receptora repite los pasos anteriores por cada byte que debe recibir.
Se debe ser muy cuidadoso al seguir éstos pasos, tanto la parte transmisora como lareceptora coordinan sus acciones de tal manera que la parte transmisora no intentará
colocar varios bytes en las líneas de datos, en tanto que la parte receptora no debe leermás datos que los que le envíe la parte transmisora, un byte a la vez.
El puerto paralelo de una típica PC utiliza un conector hembra de tipo D de 25 patitas(DB-25 S), éste es el caso más común, sin embargo es conveniente mencionar los trestipos de conectores definidos por el estándar IEEEIEEEIEEEIEEE 1284128412841284, el primero, llamado 1284128412841284 tipotipotipotipoAAAA es un conector hembra de 25 patitas de tipo D, es decir, el que mencionamos alprincipio. El orden de las patitas del conector es éste:
FiguraFiguraFiguraFigura 13:13:13:13: Esquemático del Puerto Paralelo
Los convertidores A/D son dispositivos electrónicos que establecen una relación biunívocaentre el valor de la señal en su entrada y la palabra digital obtenida en su salida. Larelación se establece en la mayoría de los casos, con la ayuda de una tensión dereferencia.
Los circuitos de captura y mantenimiento se emplean para el muestreo de la señalanalógica (durante un intervalo de tiempo) y el posterior mantenimiento de dicho valor,generalmente en un condensador, durante el tiempo que dura la transformación A/D,propiamente dicha.
El esquema básico de un circuito de captura y mantenimiento, así como su representaciónsimplificada, se ofrece en la figura:
El funcionamiento del circuito de la figura es el siguiente: El convertidor A/D manda unimpulso de anchura tw por la línea C/M, que activa el interruptor electrónico, cargándoseel condensador C, dutrante el tiempo tw. En el caso ideal, la tensión en el condensadorsigue la tensión de entrada. Posteriormente el condensador mantiene la tensión adquiridacuando se abre el interruptor.
En la siguiente figura se muestran las formas de las señales de entrada, salida y gobiernodel interruptor.
El gráfico tiene un carácter ideal, puesto que tanto la carga como la descarga delcondensador están relacionadas estrechamente con su valor y con el de las resistencias ycapacidades parásitas asociadas al circuito.
Se recalca el hecho de que el control de la señal C/M procede del convertidor A/D, que esel único que conoce elmomento en que finaliza la conversión de la señal.
Es el único caso en que los procesos de cuantificación y codificación están claramenteseparados. El primer paso se lleva a cabo mediante comparadores que discriminan entreun número finito de niveles de tensión . Estos comparadores reciben en sus entradas laseñal analógica de entrada junto con una tensión de referencia, distinta para cada uno de
ellos. Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal deentrada está por encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual permitirá conocer elestado que le corresponde como resultado de la cuantificación. A continuación seránecesario un codificador que nos entregue la salida digital.
Este convertidor es de alta velocidad, ya que el proceso de conversión es directo en lugarde secuencial, reduciéndose el tiempo de conversión necesario a la suma de los depropagación en el comparador y el codificador. Sin embargo, su utilidad queda reducida alos casos de baja resolución, dado que para obtener una salida de N bits son necesarios2N-1 comparadores, lo que lleva a una complejidad y encarecimiento excesivos en cuantose desee obtener una resolución alta.
Llamado también convertidor con rampa en escalera. Usa el circuito más sencillo de losconversores A/D y consta básicamente de los elementos reflejados en la figura siguiente:
Una vez que el circuito de captura y mantenimiento (S/H), ha muestreado la señalanalógica, el contador comienza a funcionar contando los impulsos procedentes del reloj.El resultado de este contaje se transforma en una señal analógica mediante unconvertidor D/A, proporcional al número de impulsos de reloj recibidos hasta ese instante.
La señal analógica obtenida se introduce al comparador en el que se efectúa unacomparación entre la señal de entrada y la señal digital convertida en analógica. En el
momento en que esta última alcanza el mismo valor ( en realidad algo mayor) que la señalde entrada, el comparador bascula su salida y se produce el paro del contador.
El valor del contador pasa a los buffers y se convierte en la salida digital correspondientea la señal de entrada.
Este convertidor tiene dos inconvenientes:
Escasa velocidad.Tiempo de conversión variable.
El segundo inconveniente puede comprenderse fácilmente con la ayuda de la siguientefigura, en la que se aprecia que el número de impulsos de reloj (tiempo), precisos paraalcanzar el valor Vien el conversor D/A depende del valor de Vi.
FiguraFiguraFiguraFigura 14:14:14:14: Esquemático del Circuito implementado para generar el offset del ECG
Después de posicionar la señal en el punto deseado la señal resultante de envíadirectamente al convertidor analógico-digital el cual a su vez está conectado al puertoparalelo de la computadora.
+5V
1.5K
10KLM3360.1uF
0.1uF
10uFtantalio
+5V
Iniciarconversión
Entradaanalógica
0-5V
10K
LSB MSB
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
19 18 17 16 15 14 13 12 1120
2 3 4 5 6 7 8 9 25
DGNDAGND
ADC0805
Conector macho DB25
150pF
FiguraFiguraFiguraFigura 15:15:15:15: Esquemático del ADC y configuración del puerto paralelo.
U1AU1AU1AU1A
TL084ACDTL084ACDTL084ACDTL084ACD
3
2 11
4
1
R1R1R1R1
100kΩ100kΩ100kΩ100kΩR2R2R2R2
100kΩ100kΩ100kΩ100kΩ
R3R3R3R3
100kΩ100kΩ100kΩ100kΩ
R4R4R4R4100kΩ100kΩ100kΩ100kΩ
R5R5R5R5
1kΩ1kΩ1kΩ1kΩ
R6R6R6R6
3.9kΩ3.9kΩ3.9kΩ3.9kΩV1V1V1V1-12 V -12 V -12 V -12 V
FiguraFiguraFiguraFigura 15:15:15:15: Electrodos usados para medición del electrocardiógrafo.
Los electrodos que utilizamos son del tipo pediátricos que contienen sustrato deplata que los hace tener una buena conductividad además de ser muy económicos. En lassiguientes dos figuras se muestra el diagrama de bloques del VI implementado ademásde la salida mostrada en el osciloscopio.
Al finalizar la etapa del filtrado en el VI se muestra la salida anterior que es de grancalidad casi contrastada con un electrocardiograma de laboratorio profesional.
ConclusionesConclusionesConclusionesConclusiones
José Alberto Corona Benavides:En la presente practica aplicamos los conocimientos previos de la materia que
me está dotando de aprendizajes significativos que ya he focalizado para aplicarlos a
proyectos a mediano plazo, en lo que compete a esta práctica el realizar un
electrocardiógrafo y toparnos como siempre con algunas complicaciones en este caso lo
que nos genero conflicto fue un arreglo de resistencias desfasadas un lugar y el valor de
una capacitancia pero lo detectamos en el momento justo, me llena de alegría solventar
esta situación ya que eso me confirma como debemos de trabajar que es de forma
modular etapa tras etapa del proyecto para al final integrarlos y obtener los resultados
deseados que es este caso se lograron, el equipo se integro muy bien, aportamos todos
nuestro punto de vista y llegamos al fin con los medio necesarios para generar el
electrocardiógrafo y dar salidas de señal de gran calidad mostrando los resultado en un VI
que el profesor nos ayudo a realizar.
Luis Fernando Jiménez LópezPara esta práctica, aplicamos algunos concomimientos provenientes del área de
medicina, sin embargo no podemos prescindir el hecho de ver al cuerpo humano