Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 1
Eletrónica II
Engenharia Elétr...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 2
Índice
1. Objetivos do trabalh...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 3
1. Objetivos do trabalho
O obj...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 4
3. Introdução
O ECG (eletrocar...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 5
VII- A repolarização (relaxaçã...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 6
4. Amplificador de instrumenta...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 7
2) Dimensionar um amplificador...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 8
Figura 4- Dimensionamento do a...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 9
4) Simulação do circuito no Mu...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 10
Figura 7- Simulação para entr...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 11
5) Realização da montagem e t...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 12
Figura 11- Resultados laborat...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 13
Como V2 é zero (GROUND), Vi =...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 14
transição para fora da banda ...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 15
2) Dimensionar um filtro pass...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 16
O valor calculado para esta r...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 17
Figura 14- Dimensionamento do...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 18
3) Qual o motivo da seleção d...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 19
Figura 17- Simulação para Vi=...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 20
Figura 19- Simulação para Vi=...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 21
Vi = 2Vpp
f = 30Hz
A frequênc...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 22
Figura 22- Diagrama de Bode d...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 23
Figura 25- Resultados laborat...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 24
Figura 27- Resultados laborat...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 25
Figura 29- Resultados laborat...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 26
Nas imagens obtidas do oscilo...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 27
Figura 31- Dimensionamento do...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 28
2) Simulação do circuito no M...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 29
Figura 34- Simulação para Vi=...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 30
Figura 36- Circuito de teste ...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 31
3) Realização da montagem e t...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 32
Figura 41- Resultados laborat...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 33
Figura 43- Resultados laborat...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 34
7. Amplificador não inversor
...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 35
2) Dimensionar um amplificado...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 36
3) Simulação do circuito no M...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 37
Figura 48- Simulação para Vi=...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 38
Figura 50- Resultados laborat...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 39
1) Qual o ganho total do circ...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 40
Figura 54- Simulação para ent...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 41
Para uma entrada diferencial ...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 42
9. Aquisição de sinal de ECG
...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 43
Figura 59- Circuito montado n...
Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012
Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 44
11. Conclusões
Concluído o pr...
Próximos SlideShares
Carregando em…5
×

Sistema de aquisição de um sinal de ECG

4.066 visualizações

Publicada em

Trabalho para a UC de Eletrónica II
Paulo Lima, Carlos Ponte
IPCA, 2012

Publicada em: Engenharia
1 comentário
17 gostaram
Estatísticas
Notas
Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
4.066
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
16
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
0
Comentários
1
Gostaram
17
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Sistema de aquisição de um sinal de ECG

  1. 1. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 1 Eletrónica II Engenharia Elétrica Pós-Laboral Sistema de Aquisição de um Sinal de ECG Carlos Ponte Nº 6487 Paulo Lima Nº 6522
  2. 2. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 2 Índice 1. Objetivos do trabalho Pág.3 2. Material utilizado Pág.3 3. Introdução Pág.4 4. Amplificador de instrumentação 4.1. Demonstração da função de transferência Pág.6 4.2. Dimensionamento do amplificador Pág.7 4.3. Resposta a questão teórica Pág.8 4.4. Simulação do circuito no Multisim Pág.9 4.5. Realização da montagem e testes ao circuito Pág.11 5. Filtro passa-banda 5.1. Demonstração da função de transferência Pág.14 5.2. Dimensionamento do filtro Pág.15 5.3. Resposta a questão teórica Pág.18 5.4. Simulação do circuito no Multisim Pág.18 5.5. Realização da montagem e testes ao circuito Pág.22 6. Filtro rejeita-banda 6.1. Dimensionamento do filtro Pág.26 6.2. Simulação do circuito no Multisim Pág.28 6.3. Realização da montagem e testes ao circuito Pág.31 7. Amplificador não-inversor 7.1. Demonstração da função de transferência Pág.34 7.2. Dimensionamento do amplificador Pág.35 7.3. Simulação do circuito no Multisim Pág.36 7.4. Realização da montagem e testes ao circuito Pág.37 8. Circuito completo 8.1. Ganho total do circuito Pág.39 8.2. Simulação do circuito no Multisim Pág.39 8.3. Realização da montagem e testes ao circuito Pág.41 9. Aquisição de sinal de ECG Pág.42 10. Realização da placa de circuito impressa Pág.42 11. Conclusões Pág.44 12. Bibliografia Pág.44
  3. 3. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 3 1. Objetivos do trabalho O objetivo deste trabalho é a deteção do complexo QRS e o cálculo do ritmo cardíaco. A sua realização divide-se em duas etapas fundamentais: acondicionamento e aquisição digital do sinal de ECG e processamento digital do sinal. O sistema de aquisição recebe o bio potencial do paciente a partir da utilização de três eletrodos. O sinal proveniente do sistema de aquisição é posteriormente convertido num sinal digital de modo a permitir o seu processamento computacional. A aquisição e processamento digital irão ser realizados utilizando a placa de aquisição de dados da National Instruments NI 6008. Ao se realizar este trabalho, vai-se englobar todas as matérias aprendidas ao longo da disciplina: amplificadores, osciladores e filtros, bem como iniciar-se noutros campos nomeadamente no processamento digital de sinal e na projeção e realização de placas de circuito impresso. Assim para além do objetivo do trabalho em si, um dos objetivos do trabalho será por em prática várias das funcionalidades dos AmpOps para criar um circuito complexo. 2. Material utilizado Quantidade Descrição 2 Placa de montagem 1 Digital Lab IDL 800 1 Osciloscópio analógico 2 Pontas de prova 1 Multímetro digital 6 AmpOp μA741 5 Resistência de 2,2KΩ 2 Resistência de 3KΩ 1 Resistência de 15KΩ 2 Resistência de 56KΩ 3 Resistência de 100KΩ 1 Resistência de 470KΩ 1 Resistência de 1MΩ 1 Resistência de 2,4MΩ 1 Condensador de 680pF 2 Condensador de 56nF 1 Condensador de 3,3µF Tabela 1- Lista de material utilizado.
  4. 4. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 4 3. Introdução O ECG (eletrocardiograma), é um exame de saúde na área de cardiologia no qual é feito o registo da variação dos potenciais elétricos gerados pela atividade elétrica do coração. O coração apresenta atividade elétrica por variação na quantidade relativa de iões de sódio presentes dentro e fora das células do miocárdio. Esta variação cíclica gera diferença de concentração dos referidos iões na periferia do corpo. Eletrodos sensíveis colocados em pontos específicos do corpo registam esta diferença elétrica. O aparelho que registra o eletrocardiograma é o eletrocardiógrafo. O aparelho registra as alterações de potencial elétrico entre dois pontos do corpo. Estes potenciais são gerados a partir da despolarização e repolarização das células cardíacas. Normalmente, a atividade elétrica cardíaca inicia-se no nodo sinusal que induz a despolarização dos átrios e dos ventrículos. Esse registo mostra a variação do potencial elétrico no tempo, que gera uma imagem linear, em ondas. Estas ondas seguem um padrão rítmico, tendo denominação particular. O ciclo cardíaco pode ser resumido do seguinte modo: I- O nodo SA do coração sofre uma despolarização; II- A atividade elétrica propaga-se para os músculos auriculares a velocidades relativamente lentas, provocando a despolarização lenta das aurículas (contração das aurículas). No ECG observa-se uma onda, designada por onda P, relativamente lenta, de amplitude reduzida (0,1-0,2mV) e duração entre 60 – 80ms; III- A estimulação elétrica propaga-se com um determinado atraso para o nodo AV, resultando num segmento isoelétrico de aproximadamente 60 - 80ms após a onda P, conhecido como o segmento PQ. O atraso que ocorre nesta fase permite que os ventrículos completem o seu enchimento, com sangue proveniente das aurículas. IV- De seguida o feixe de HIS e as diversas ramificações das fibras de Purkinge permitem a rápida condução do estímulo elétrico nos ventrículos. V- A corrente elétrica propaga-se a taxas elevadas a partir do ápice do coração provocando a contração dos ventrículos. Como resultado surge a onda QRS do ECG, com aproximadamente 1mV e 80ms de duração. VI- As células musculares dos ventrículos possuem um longo potencial de ação: 300 a 350ms. A zona de plateau do potencial de ação causa geralmente um segmento isoelétrico de aproximadamente 100 a 120ms após o complexo QRS, conhecido como o segmento ST.
  5. 5. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 5 VII- A repolarização (relaxação dos ventrículos) causa a onda T do ECG de amplitude 0,1 a 0,3mV e duração de 120 a 160ms. Figura 1- Representação de uma onda de um ciclo de ECG. Para se construir um sistema de aquisição de sinal de ECG, é necessário recorrer a certas montagens como exemplifica o seguinte diagrama de blocos: Figura 2- Diagrama de blocos de um sistema de aquisição de sinal de ECG.
  6. 6. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 6 4. Amplificador de instrumentação Os amplificadores de instrumentação são circuitos que amplificam a diferença entre duas tensões, mantendo uma elevada impedância de entrada, uma elevada rejeição a sinais de modo comum e um ganho diferencial ajustável (preferencialmente), funcionando de forma similaraopróprioamplificadoroperacional,porémcomganhosmenores. O amplificador de instrumentação é constituído por 3 AmpOps e 7 resistências: Figura 3- Esquema do amplificador de instrumentação. 1) Demonstração da função de transferência do circuito.
  7. 7. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 7 2) Dimensionar um amplificador de instrumentação com um ganho aproximadamente igual a 4. Ligar à entrada V1 o eletrodo do braço direito e à entrada V2 o eletrodo do braço esquerdo. 1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.1 Tabela 2- Resistências disponíveis a nível comercial.
  8. 8. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 8 Figura 4- Dimensionamento do amplificador de instrumentação. 3) O elétrodo da perna deverá ser ligado à massa do circuito. Porquê? O elétrodo da perna deve ser ligado à massa (GROUND), para servir de referência à entrada diferencial do circuito (V1 e V2). Tal como quando se efetua uma medição num osciloscópio, para um valor de tensão, o que se está a medir é o valor da queda de tensão, e esse valor é entre um ponto e a massa (GROUND). Assim neste caso, a perna funciona como a massa do circuito.
  9. 9. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 9 4) Simulação do circuito no Multisim. Figura 5- Circuito de teste para o Multisim. Figura 6- Simulação para entrada de 1Vp diferencial. Como a entrada do circuito (Vi) é diferencial, para aplicarmos 1Vp na entrada temos de aplicar 2Vp em V1 e 1Vp em V2, para o circuito fazer a diferença. Assim podemos constatar que com 2Vpp na entrada, a saída apresenta 8,181Vpp, logo, o ganho do amplificador de instrumentação é aproximadamente 4 como se tinha comprovado nos cálculos teóricos para esta combinação de valores de resistências.
  10. 10. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 10 Figura 7- Simulação para entrada de 9Vp diferencial. Figura 8- Simulação para entrada de V1=V2. Como observação para este circuito achamos conveniente registar que quando aumentamos a tensão diferencial de entrada para valores elevados a saída do circuito tende para saturação (e aproxima-se de uma onda quadrada), sendo que por mais que se aumente Vi o valor da saída mantém-se nos 20Vpp (figura 7). Para uma entrada diferencial nula (V1=V2) a saída do circuito apresenta um sinal quase residual (figura 8), que é resultado do ruído presente no circuito.
  11. 11. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 11 5) Realização da montagem e testes ao circuito. Figura 9- Circuito do amplificador de instrumentação montado na Breadboard. Figura 10- Resultados laboratoriais para 1Vp entrada.
  12. 12. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 12 Figura 11- Resultados laboratoriais para 5Vp entrada. Para realizar os testes laboratoriais, colocamos a entrada V2 à GROUND do circuito e aplicamos na entrada V1 aproximadamente 1Vp. Assim a tensão diferencial de entrada será V1 – V2. Como V2 é igual a zero a tensão de entrada (Vi) será aproximadamente 1Vp. Deste modo estaremos a aplicar aproximadamente a mesma tensão na onda de entrada que usamos nas simulações do MULTISIM. Nas imagens obtidas do osciloscópio no laboratório, a onda azul representa a entrada do circuito e a onda amarela a sua saída. Na figura10, quando introduzimos 1Vp de tensão de entrada diferencial em onda sinusoidal (na prática são 1,96Vpp como se pode observar), vamos obter um ganho de aproximadamente 4 na onda de saída, uma vez que a tensão de saída é 8,8Vpp. Na figura11, podemos observar como já tínhamos constatado nas simulações do MULTISIM, que quando aplicamos uma tensão diferencial de entrada demasiado elevada, a saída vai tender para uma onda quadrada entre ± 10Vp, que representa as tensões de saturação de saída do AMPOP. Relembramos que as tensões de saturação do AMPOP são dadas pelo valor de ±VCC subtraindo 2V. Como estamos a alimentar os AMPOPS com ±12V, as tensões de saturação serão de aproximadamente ±10V. A onda de saída sai em oposição de fase em relação à entrada, uma vez que colocando V2 à GROUND, na realidade o circuito faz a seguinte diferença:
  13. 13. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 13 Como V2 é zero (GROUND), Vi = -V1, logo a entrada estará com a fase invertida. Podemos comprovar com uma simulação no MULTISIM que se colocarmos V1 à GROUND, a saída do circuito fica em fase com a sua entrada. Figura 12- Resultados comprovativos. 5. Filtro passa-banda O filtro passa-banda é um circuito que permite a passagem das frequências de uma certa banda e rejeita (atenua) as frequências fora dessa banda. Um exemplo de um filtro passa-banda analógico é um circuito RC (circuito com resistências e condensadores). Estes filtros também podem ser obtidos através da combinação entre um filtro passa-baixo e um filtro passa-alto. Um filtro ideal possuiria uma banda passante totalmente plana (sem atenuação), e iria atenuar completamente todas as frequências fora desta banda. Adicionalmente, a
  14. 14. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 14 transição para fora da banda seria instantânea em frequência. Na prática, nenhum filtro passa-banda é ideal. O filtro não atenua todas as frequências fora da banda desejada. Existe uma região em particular fora da banda desejada em que as frequências são atenuadas, mas não rejeitadas. Este é conhecido como o roll-off do filtro, e é geralmente expresso em dB de atenuação por oitava de frequência. Entre a frequência de corte inferior f1 e a frequência de corte superior f2 de um filtro passa-banda, está a frequência de ressonância, na qual o ganho do filtro é o máximo. A largura de banda de um filtro é a diferença entre f2 e f1. Figura 13- Esquema do filtro passa-banda. 1) Demonstração da função de transferência do circuito.
  15. 15. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 15 2) Dimensionar um filtro passa-banda com base nos seguintes dados: Frequência inferior de corte = 0,1Hz Frequência superior de corte =100Hz Ganho aproximadamente igual 5. 1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.1 Tabela 3- Condensadores disponíveis a nível comercial.
  16. 16. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 16 O valor calculado para esta resistência encontra-se compreendido entre dois valores para resistências comerciais: 470KΩ e 510KΩ. Vamos optar por utilizar uma resistência comercial de 470KΩ, pois apresenta menor diferença para o valor calculado, ainda que menor do que o valor obtido. Para este valor calculado existe uma resistência comercial: 2,4MΩ. Para este condensador, o valor mais próximo a nível comercial é de 680pF.
  17. 17. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 17 Figura 14- Dimensionamento do filtro passa-banda. Usando valores de resistências comerciais em vez dos valores obtidos através dos cálculos, vamos ter diferenças nas frequências de corte e no ganho do circuito. Assim, os valores que futuramente devem ser comparados são: Figura 15- Limites de atuação do filtro passa-banda.
  18. 18. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 18 3) Qual o motivo da seleção destes limites? A frequência fundamental do complexo QRS na superfície do corpo é aproximadamente 10Hz e a maior parte das informações úteis para diagnóstico encontram-se abaixo dos 100Hz. A frequência fundamental da onda T é aproximadamente de 1 a 2Hz. A passagem do sinal de ECG por um filtro passa-banda entre 1 e 30Hz, produz um ECG estável e livre de interferências. No entanto essa largura de banda não é aceitável para diagnóstico, pois produz distorção nas componentes de baixa e alta frequência do sinal. Assim o sinal de ECG deve passar por filtros para eliminar ruídos de baixa frequência, como a variação da referência e sinais gerados pela respiração, e ruídos de alta frequência, resultantes da atividade dos músculos ou de interferências da rede elétrica. As normas ANSI/AAMI recomendam para o sistema ECG uma frequência máxima de corte de 0,67Hz para a filtragem de componentes de baixa frequência, e uma frequência de corte mínima de 150Hz para a filtragem das componentes de alta frequência. Assim os limites do nosso filtro são de 0,1Hz para frequência inferior de corte, e 100Hz para a frequência superior de corte uma vez que apesar de não estar dentro da norma recomendada é suficiente para efetuar os testes pretendidos em adultos. 4) Simulação do circuito no Multisim. Figura 16- Circuito de teste para o MULTISIM. As ondas representadas a vermelho representam a saída e a azul a entrada.
  19. 19. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 19 Figura 17- Simulação para Vi=1Vp e f=30Hz. Para esta simulação o filtro está a funcionar dentro da banda passante, em que o ganho deve ser aproximadamente igual a 5. No entanto o ganho não se mantem constante entre o limite inferior e o limite superior do filtro passa-banda. A saída encontra-se em oposição de fase relativamente à entrada, devido aos componentes se encontrarem ligados na entrada inversora. Figura 18- Simulação para Vi=1Vp e f=90Hz. Nesta simulação o filtro continua a funcionar dentro da banda passante, no entanto o ganho é menor relativamente à frequência anterior de 30Hz.
  20. 20. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 20 Figura 19- Simulação para Vi=1Vp e f=120Hz. Nesta simulação o filtro começa a atenuar as frequências acima da frequência de corte superior, podendo-se observar a atenuação da onda de saída, que se começa a distanciar do ganho 5. Quanto mais se aumentar a frequência a partir deste ponto, maior atenuação terá a onda de saída. Figura 20- Simulação para Vi=1Vp e f=0,09Hz. Para esta simulação é difícil observar o resultado devido a ser uma frequência muito baixa, o que leva um tempo muito elevado a gerar uma forma de onda. No entanto o filtro atenua a onda de saída.
  21. 21. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 21 Vi = 2Vpp f = 30Hz A frequência está entre o limite inferior e superior, o filtro está a funcionar na banda passante, com ganho igual a 4,88. Vi = 2Vpp f = 90Hz A frequência está entre o limite inferior e superior, o filtro está a funcionar na banda passante, com ganho igual a 3,751. Vi = 2Vpp f = 120Hz A frequência encontra-se acima da frequência superior de corte, o filtro encontra-se a atenuar as altas frequências. O ganho é de 3,212. Vi = 2Vpp f = 0,09Hz A frequência encontra-se abaixo da frequência inferior de corte, o filtro encontra-se a atenuar as baixas frequências. O ganho é de 1,789. Tabela 4- Resumo dos resultados obtidos. Vamos retirar os diagramas de Bode para o filtro passa-banda através do MULTISIM: Figura 21- Circuito de teste para os diagramas de Bode.
  22. 22. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 22 Figura 22- Diagrama de Bode de amplitude para o filtro passa-banda. Figura 23- Diagrama de Bode de amplitude e fase para o filtro passa-banda. 5) Realização da montagem e testes ao circuito. Figura 24- Circuito do filtro passa-banda montado na Breadboard.
  23. 23. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 23 Figura 25- Resultados laboratoriais para Vi=1Vp e f=86Hz. Figura 26- Resultados laboratoriais para Vi=1Vp e f=31Hz.
  24. 24. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 24 Figura 27- Resultados laboratoriais para Vi=1Vp e f=10Hz. Figura 28- Resultados laboratoriais para Vi=1Vp e f=100Hz.
  25. 25. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 25 Figura 29- Resultados laboratoriais para Vi=1Vp e f=1KHz. Vi = 2V f = 10,1Hz A frequência está entre o limite inferior e superior, o filtro está a funcionar na banda passante, com ganho igual a 4,075. Vi = 2V f = 31,6Hz A frequência está entre o limite inferior e superior, o filtro está a funcionar na banda passante, com ganho igual a 4,195. Vi = 1,96V f = 86Hz A frequência está entre o limite inferior e superior, o filtro está a funcionar na banda passante, com ganho igual a 3,62. Vi = 1,84V f = 1KHz A frequência encontra-se acima da frequência superior de corte, o filtro encontra-se a atenuar as altas frequências. O ganho é de 0,51. Tabela 5- Resumo dos resultados obtidos.
  26. 26. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 26 Nas imagens obtidas do osciloscópio no laboratório, a onda azul representa a entrada do circuito e a onda amarela a sua saída. Como podemos verificar, o filtro vai amplificar a onda de entrada com ganhos próximos de 5 (os ganhos na prática variam com a frequência), entre a frequência inferior de corte e a frequência superior de corte, sendo que para valores abaixo da frequência inferior de corte e para valores acima da frequência superior de corte, a onda de saída vai sofrer uma atenuação (vai ser filtrada). 6. Filtro rejeita-banda Um filtro rejeita-banda é um circuito que atenua, a passagem de sinais de tensão e corrente com frequências situadas numa faixa intermediária, permitindo a passagem de sinais com frequências acima ou abaixo dessa faixa. Essa faixa intermediária é delimitada por uma frequência de corte inferior e uma frequência de corte superior. Figura 30- Esquema do filtro rejeita-banda. 1) Dimensionar um filtro que permita rejeitar a frequência de 50 Hz (frequência da rede). Precisamos calcular os valores para os condensadores, para R, para R2 e para 2R2 para que o filtro rejeite a frequência dos 50Hz.
  27. 27. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 27 Figura 31- Dimensionamento do filtro rejeita-banda. Teoricamente com estes valores de componentes utilizados, a frequência rejeitada seria:
  28. 28. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 28 2) Simulação do circuito no Multisim. Figura 32- Circuito de teste para o MULTISIM. Figura 33- Simulação para Vi=1Vp e f=30Hz.
  29. 29. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 29 Figura 34- Simulação para Vi=1Vp e f=90Hz. Figura 35- Simulação para Vi=1Vp e f=50Hz. Nas simulações as ondas representadas a vermelho são a saída do circuito enquanto as ondas representadas a azul são a entrada. Na figura33, a frequência aplicada está abaixo da frequência de rejeição logo a saída tem um ganho de 1/3 relativamente à entrada. Na figura34, a frequência aplicada encontra-se acima da frequência de rejeição, logo a saída continua a apresentar um ganho de aproximadamente 1/3. Na figura35, para a frequência que pretendemos rejeitar é possível observar a forte atenuação da onda de saída, relativamente à onda de entrada.
  30. 30. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 30 Figura 36- Circuito de teste para os diagramas de Bode. Figura 37- Diagrama de Bode de amplitude para o filtro rejeita-banda. Figura 38- Diagrama de Bode de amplitude e fase para o filtro rejeita-banda.
  31. 31. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 31 3) Realização da montagem e testes ao circuito. Figura 39- Circuito do filtro rejeita-banda montado na Breadboard. Figura 40- Resultados laboratoriais para Vi=3Vp e f=30,8Hz. Nas imagens retiradas do osciloscópio, as ondas assinaladas a amarelo representam a saída do circuito (Vo) e as ondas assinaladas a azul a entrada do circuito (Vi). Para esta simulação, a frequência aplicada é inferior à frequência de rejeição, logo, o filtro apresenta um ganho de aproximadamente 1/3 da saída relativamente à sua entrada.
  32. 32. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 32 Figura 41- Resultados laboratoriais para Vi=3Vp e f=50,7Hz. Figura 42- Resultados laboratoriais para Vi=3Vp e f=55,4Hz.
  33. 33. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 33 Figura 43- Resultados laboratoriais para Vi=3Vp e f=77,1Hz. Vi = 5,88V f = 30,8Hz A frequência está abaixo da frequência de rejeição, e o filtro apresenta um ganho de 0,163. Vi = 5,92V f = 50,7Hz A frequência está dentro da frequência de rejeição, e o filtro apresenta um ganho de 0,027. Ou seja, a saída encontra-se atenuada em relação à entrada. Vi = 5,88V f = 55,4Hz Esta frequência está perto da frequência de rejeição e o filtro a partir daqui começa lentamente a deixar de atenuar a saída. Vi = 5,92V f = 77,1Hz A frequência está acima da frequência de rejeição, e o filtro volta a apresentar um ganho de 0,163. Tabela 6- Resumo dos resultados obtidos.
  34. 34. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 34 7. Amplificador não inversor O amplificador não inversor é uma montagem que permite obter um ganho variável na saída bastando para isso alterar os valores das suas duas resistências. Figura 44- Esquema do amplificador não inversor. 1) Demonstração da função de transferência do circuito.
  35. 35. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 35 2) Dimensionar um amplificador não inversor com um ganho aproximadamente igual a 60. Como R1 representa a impedância de entrada do circuito, e esta impedância deve ser elevada, vamos utilizar valores de resistências elevadas para aproximarmo-nos de um ganho perto de 60. Vamos utilizar uma resistência comercial de 1MΩ. Figura 45- Dimensionamento do amplificador não inversor. Com os valores comerciais utilizados para as resistências, o ganho vai ser diferente de 60: Assim, o ganho para esta montagem será de aproximadamente 67,67.
  36. 36. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 36 3) Simulação do circuito no Multisim. Figura 46- Circuito de teste para o MULTISIM. Figura 47- Simulação para Vi=0,1Vp e f=30Hz. As ondas a vermelho representam a saída (Vo) e as ondas a azul a entrada (Vi). Para esta simulação podemos verificar o ganho obtido pelo amplificador:
  37. 37. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 37 Figura 48- Simulação para Vi=1Vp e f=30Hz. Como já vimos anteriormente para o amplificador de instrumentação, se colocarmos um ganho demasiado elevado na saída, o AMPOP vai saturar, e a forma de onda gerada será uma onda aproximadamente quadrada com valor entre +Vsat e –Vsat. 4) Realização da montagem e testes ao circuito. Figura 49- Circuito do amplificador não inversor montado na Breadboard.
  38. 38. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 38 Figura 50- Resultados laboratoriais para Vi=1Vp e f=30,3Hz. No laboratório fizemos o teste ao amplificador não inversor com 1Vp de entrada o que produz uma onda de saída demasiado elevado, o que leva o AMPOP à saturação, sendo que a forma de onda gerada é uma onda quadrada com ±Vsat. Neste caso a amplitude da saída são 25,6Vpp, valor algo diferente do valor teórico para a tensão de saturação, mas como sabemos os resultados laboratoriais apresentam sempre desvios. 8. Circuito completo O nosso circuito para aquisição de um sinal de ECG será então composto por quatro blocos fundamentais: Figura 51- Diagrama de blocos para o circuito final. Resumidamente, o amplificador vai receber o sinal emitido pelo sistema cardiovascular, o filtro passa-banda vai definir a gama de frequências onde esse sinal vai ser lido, o filtro rejeita-banda vai ‘’eliminar’’ as frequências indesejáveis tais como a frequência da rede, e o amplificador não inversor vai amplificar o sinal, de modo a este poder ser facilmente lido, uma vez que é de uma ordem muito pequena.
  39. 39. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 39 1) Qual o ganho total do circuito? Uma vez que temos vários circuitos em cascata, e a saída de um circuito é a entrada do seguinte, para obtermos o ganho total temos de multiplicar os ganhos dos 4 blocos que compõem o circuito. Figura 52- Diagrama de blocos com os ganhos parciais. 2) Simulação do circuito no Multisim. Figura 53- Circuito de teste para o MULTISIM.
  40. 40. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 40 Figura 54- Simulação para entrada diferencial de 0,01Vp. Para esta simulação podemos constatar que o ganho do circuito é: Ou seja, aproximadamente o ganho total que calculamos para o circuito. Figura 55- Simulação para entrada diferencial de 0,1Vp.
  41. 41. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 41 Para uma entrada diferencial de 0,1Vp o sinal de saída já é demasiado elevado e o AMPOP satura dando uma onda quadrada com ±Vsat (neste caso 20Vpp). 3) Realização da montagem e testes ao circuito. Figura 56- Circuito completo montado na Breadboard. . Figura 57- Resultados laboratoriais para Vi=360mV. Para este teste usamos uma tensão de entrada demasiado elevada, o que colocou a onda de saída em saturação, no entanto deu para comprovar que o circuito estava a trabalhar convenientemente, e com ganho total elevado.
  42. 42. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 42 9. Aquisição de sinal de ECG Após a conclusão da projeção, montagem e testes ao nosso circuito de aquisição de sinal de ECG, testamos a montagem com resultados satisfatórios num dos elementos do grupo. Figura 58- Sinal de ECG obtido através do aluno Paulo Lima. 10. Realização da placa de circuito impressa Os circuitos impressos foram criados para substituição das antigas pontes onde se fixavam os componentes eletrónicos, em montagens conhecida na gíria da eletrónica como montagens "aranha", devido à aparência final com que o circuito ficava, principalmente onde existiam válvulas eletrónicas e seus múltiplos pinos terminais da tomada de fixação. O circuito impresso consiste numa placa de fenolite, fibra de vidro, fibra de poliéster, filme de poliéster, ou filmes específicos à base de diversos polímeros, que possuem a superfície coberta numa ou nas duas faces por fina película de cobre, prata, ou ligas à base de ouro, níquel entre outras, nas quais são desenhadas pistas condutoras que representam o circuito onde serão fixados os componentes eletrónicos. Neste caso não vamos construir mesmo uma placa de circuito impresso, mas vamos através de um software, o EAGLE, desenhar uma que podia futuramente ser criada através dos diversos processos existentes.
  43. 43. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 43 Figura 59- Circuito montado no EAGLE. Figura 60- Placa de circuito impresso para o circuito de aquisição de ECG.
  44. 44. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave | 2011/2012 Engenharia Elétrica - Eletrónica 2 | 44 11. Conclusões Concluído o processo teórico e laboratorial deste trabalho prático, podemos fazer uma síntese de alguns aspetos fundamentais. Os objetivos propostos inicialmente foram atingidos com êxito, uma vez que conseguimos a aquisição de um sinal de ECG através de uma montagem dimensionada por nós. Não foi possível no entanto realizar a aquisição e processamento digital do sinal, utilizando a placa de aquisição de dados da National Instruments NI 6008, uma vez que não houve tempo disponível no decorrer das aulas práticas. Com este trabalho salientou-se a importância dos filtros nas aplicações de aquisição de sinais, uma vez que estes têm a propriedade de atenuar sinais com frequências indesejadas, e também a importância dos amplificadores, para a leitura posterior e também na aquisição desses mesmos sinais. Para complementar os métodos de análise, recorremos ao software Multisim, corroborando com resultados e imagens os resultados que fomos obtendo no laboratório. Usamos também o Multisim para gerar os diagramas de bode relacionados com os circuitos dos filtros. Para terminar convém salientar mais uma vez algumas pequenas diferenças de valores que por vezes surgem entre os resultados obtidos na componente teórica, Multisim e Laboratorial. Estes erros nem sempre sendo possível prever com exatidão a sua proveniência, devemos considerar os erros de 5% das resistências, as resistências internas das fontes, alguma dificuldade em fazer uma exata regulação dos valores de tensão ou frequência nas fontes e não menos importante, erros visuais ao retirar valores em laboratório. 12. Bibliografia - Acetatos do docente da disciplina, Marcos Martins - Internet: www.wikipedia.org www.docstoc.com

×