Гибкая интегральная микросхема ЭКГ обслуживает проекты обработки сигналов с низким энергопотреблением IoT Edge Node
По мере того, как разработчики систем ищут энергоэффективные компоненты для формирования сигнала, они могут обнаружить, что доступно очень мало IC под напряжением питания 100 μ A и даже меньше, включая небольшой вариант упаковки. Поскольку время работы от батареи и пространство на плате становятся критическими, спецификации для растущего числа беспроводных сенсорных сетей (WSN), отсутствие доступных опций могут расстраивать.
При поиске компонента IoT с малым энергопотреблением на периферийном узле аналоговая интерфейсная ИС, такая как монитор сердечного ритма для носимых продуктов, может даже не отображаться, или ее можно быстро отклонить как слишком специфичную для приложения. Контрольная панель ECI ECG имеет ток питания 50 μ A и крошечный пакет WLCSP размером 2 мм × 1, 7 мм. Его архитектура - это в основном измерительный усилитель (IA) и несколько операционных усилителей, которые могут быть сконфигурированы так, чтобы сделать некоторые схемы обработки сигналов с низким энергопотреблением более чем для приложений здравоохранения или фитнеса.
Упрощенный одножильный вывод электрокардиограммы (ЭКГ) показан на рисунке 1. Он состоит из режима IA с непрямым током с автономной передаточной функцией:
В случае этого переднего конца, обеспечивающего фиксированный коэффициент усиления 100. Ссылка IA управляется высокочастотным усилителем (HPA), который сконфигурирован как интегратор в обратной связи с его входом, привязанным к IAOUT и частоте кроссовера внешним конденсатором и резистором. HPA заставит HPDRIVE на любое напряжение, необходимое для хранения HPSENSE и, следовательно, IAOUT при напряжении ref. Эта схема создает фильтр верхних частот первого порядка с частотой отсечки:
Для диагностического качества ЭКГ частота среза обычно устанавливается равной 0, 05 Гц, а 7 Гц может быть пригодна для фитнес-приложений, определяющих частоту сердечных сокращений. Функция фильтра верхних частот решает проблему отказа от потенциала большой ячейки постоянного тока (из-за контакта с электродом / кожей), а низкочастотная базовая броня связана с измерениями ЭКГ, а также усиление сигнала ЭКГ с более высокой частотой (от 1 мВ до 2 мВ). Архитектура обеспечивает большой коэффициент усиления, поскольку на входе ИА происходит отказ от потенциала полуцели постоянного тока (до 300 мВ). Дополнительным преимуществом является отказ от смещения смещения и смещения IA. Мониторинг HPDRIVE в отношении ref отобразит инвертированную версию сдвига входного сигнала, которая будет автокорректирована.
Рисунок 1. Упрощенный передний конец ЭКГ с одним свинцом
В то время как дизайн первоначально предназначался для приложений ЭКГ, любое приложение, требующее усиления малых низкочастотных сигналов, могло бы извлечь выгоду из его малой мощности и небольших размеров - например, электромагнитного датчика потока воды. Если требуются измерения постоянного тока, то требуется простая модификация схемы. На рисунке 2 показан DC-связанный IA с фиксированным коэффициентом усиления 100. Это делается путем удаления R и C на рисунке 1 и замыкания HPSENSE на HPDRIVE, что делает HPA единичным буфером. Это все равно заставит ссылку IA к опорному напряжению. В этом случае следует учитывать напряжение сдвига IA.
Рисунок 2. DC IA с фиксированным усилением 100
Если коэффициент усиления 100 слишком высок или полоса пропускания 1 кГц слишком мала, схема может быть изменена, как показано на рисунке 3. Теперь HPA настроен как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления -R2 / R1 и входным сигналом назад от IAOUT. Новая передаточная функция может быть упрощена следующим образом:
Конфигурируя HPA в качестве аттенюатора (R2 <R1), можно получить выигрыш менее 100. Из-за предела дифференциального входа 300 мВ и стабильности схемы, не рекомендуется идти ниже коэффициента усиления 10. В таблице 1 показаны некоторые конфигурации усиления, которые следует учитывать.
Таблица 1. DC IA с разной конфигурацией усиления и полосы пропускания
Рисунок 3. DC IA с регулируемым коэффициентом усиления и шириной полосы
Если точность постоянного тока остается важной, то оставление IA в коэффициенте усиления 100 и модификация схемы на фиг. 4 обеспечивает средство компенсации смещений IA и любых подключенных датчиков. Скорректированная передаточная функция показана ниже:
VTUNE - это напряжение источника, используемое для коррекции смещенных напряжений и может быть обеспечено фильтрованным сигналом ШИМ от микроконтроллера или управляется непосредственно от низкоомного ЦАП. HPA остается сконфигурированным как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления -R2 / R1 и может использоваться для дополнительной регулировки диапазона и разрешения коррекции смещения. Разбивка VIN на компоненты и подключение к вышеуказанному уравнению дает целевую функцию передачи:
Полное смещение может быть скомпенсировано присоединением датчика без применения VSIGNAL. Просто измерьте IAOUT относительно ссылки и отрегулируйте (R2 / R1) VTUNE, пока напряжение не станет достаточно близко к нулю.
Рисунок 4. DC IA с компенсацией смещения
Перед использованием вышеупомянутых схемных схем для маломощных конструкций IoT следует понимать остальную часть переднего конца AD8233 ECG. Схема подробно описана на рисунке 5. Первый операционный усилитель A1 полностью отключен и обычно используется для дополнительного усиления и / или фильтрации после этапа IA. Это может быть выгодно и для других применений датчиков. Усилитель A2 обычно используется в качестве привода правой ноги в решениях ЭКГ. Буферная версия входного общего режима IA появляется на инвертирующем входе A2, где:
Обычно усилитель будет сконфигурирован как интегратор с конденсатором, помещенным между RLDFB и RLD, в то время как RLD управляет третьим электродом, улучшающим общий коэффициент подавления синфазного режима (CMRR). Если из этого усилителя не будет создана полезная схема, лучше отключить усилитель, привязав цифровой вход RLDSDN к земле, оставив плавающие RLD и RLDFB.
Рисунок 5. Завершите работу ECG и адаптера питания с низким уровнем мощности
Третий операционный усилитель A3 представляет собой интегрированный опорный буфер, который управляет опорным напряжением как на чипе, так и вне чипа при REFOUT. Обычно REFIN устанавливается на + Vs / 2, где один источник + Vs может варьироваться от 1, 7 В до 3, 5 В. Простое решение с низким энергопотреблением заключается в том, чтобы связать два резистора 10 МОм в качестве делителя напряжения от + Vs до GND, так как показанный на рисунке 6. Конденсатор добавляется между REFIN и GND, чтобы помочь с любым шумоподавлением. В качестве альтернативы, REFIN может быть выведен из справочной системы АЦП или использоваться для сдвига уровня IA выхода.
Рисунок 6. Низкое значение мощности
Цифровой вход FR включает функцию быстрого восстановления, что выгодно при использовании схемы с переменным током на рисунке 1. Потребуется некоторое время для зарядки внешнего конденсатора во время запуска или в случае ступени постоянного тока на входе. Когда это произойдет, ИА будет рейсировать до тех пор, пока интегратор не остановится. Автоматическое быстрое восстановление обнаруживает это событие и переключает меньший резистор параллельно с внешним резистором в течение фиксированного времени, значительно ускоряя время установления. Штырь SW используется для быстрого определения второго внешнего фильтра верхних частот, если это необходимо.
Цифровой вход AC / DC определяет метод обнаружения выводов, используемый в приложениях ЭКГ, но также может быть использован как обнаружение разрыва провода для других датчиков на входе. Если он настроен правильно, цифровой выход LOD будет указывать, когда один из входов IA будет отсоединен от датчика.
Помимо небольшого размера и низкой активной диссипации мощности, AD8233 включает в себя выключение (SDN), который снижает общий ток питания до менее 1 мкА. Это удобно при принятии редких измерений датчиков, что значительно увеличивает общий срок службы батареи. Обнаружение разрыва провода останется работоспособным даже в режиме выключения.
Теперь давайте взглянем на пару различных идей сенсорных приложений. В таблице 2 приведено руководство по началу работы для построения схем без ЭКГ.
Таблица 2. AD8233 Руководство по запуску для не-ЭКГ-приложений
Приложения IoT Edge Node для AD8233
Примером того, где фиксированный коэффициент усиления 100 и коррекция смещения на фиг. 4 может быть подходящим, является приложение датчика давления, основанное на мосту Уитстона. Мост естественно устанавливает общий режим ввода на + Vs / 2. В зависимости от диапазона измерения и требуемого тока мост может управляться REFOUT или незафиксированным операционным усилителем, так что ток питания моста отключается при выключении. На рисунке 7 показана примерная схема. ЦАП AD5601 является хорошим выбором для коррекции сдвига моста и IA из-за его низкой мощности (60 μ A при 3 В), выводов выключения и небольшого пакета SC70. Операционный усилитель (A1) остается в виде буфера замещения с возможностью установки дополнительного усиления или фильтрации шума и 60 Гц. Выходной усилитель управляет встроенным АЦП сверхмощного ARM® Cortex®-M3 (ADuCM3029), который также поставляется в компактном пакете WLCSP. GPIO от ADuCM3029 может управлять выводом выключения AD8233.
Рисунок 7. Схема датчика низкого давления
Еще одно приложение, которое может воспользоваться схемой на рисунке 4, - это измерение температуры с помощью термопары. Термопара типа К является довольно линейной в широком температурном диапазоне с коэффициентом Зеебека около 41 мкВ / ° С при комнатной температуре (25 ° С). Если предположить, что ссылка или холодный спай компенсирован, выход IA будет накопленной до версии перехода измерения ~ 4, 1 мВ / ° C (для более точных результатов используйте поисковую таблицу NIST). Выход термопары разница между переходом измерительного и опорного перехода, поэтому эквивалентный опорный узел дрейфа должен быть добавлен, чтобы отменить ее.
Для того, чтобы начать процесс, определяют ожидаемая температура спая диапазона использовать таблицу NIST для определения ожидаемого дрейфа. Например:
Путем размещения точного датчика температуры в эталонном соединении, результаты могут быть возвращены в VTUNE и отрегулированы на -R2 / R1, чтобы получить правильный дрейф. Обратите внимание, что дрейф датчика температуры должен быть отрицательным, или входы IA меняются местами, чтобы получить положительный дрейф на выходе IA. Чтобы отделить коррекцию смещения и дрейфа, схему можно разделить на узел суммирования, где смещение фиксировано на VTUNE2 через -R2 / R3. См. Обновленную функцию передачи:
Модифицированная схема показана на рисунке 8. Обратите внимание, что общий режим входа установлен на + Vs / 2 на 10 MΩ pull-up on + IN и 10 MΩ pull-down на -IN. Эта конфигурация позволила бы использовать обнаружение вывода AD8233 путем вытягивания + IN в + Vs в случае разрыва провода. Это можно было наблюдать на выводе LOD. AD8233 также имеет встроенный RFI-фильтр, который может помочь с любым высокочастотным датчиком от термопары. Размещение дополнительного сопротивления последовательно с входами может уменьшить частоту среза.
Рисунок 8. Термопара схемы с компенсацией холодного спая и обнаружением обрыва провода
Вывод
AD8233 может использоваться как больше, чем передняя часть ЭКГ. Его сочетание активной малой мощности (50 μ A), крошечной упаковки WLCSP размером 2 мм × 1, 7 мм, выводов выключения и гибкой архитектуры позволяет создавать более легкие конструкции с увеличенным сроком службы батареи.
Рекомендации
- Кастро, Густаво и Скотта Ханта. «Как держаться подальше от глубокой воды при проектировании с помощью датчиков моста». Analog Dialogue, том 48, 2014.
- Дафф, Мэтью и Джозеф Тэви. «Два способа измерения температуры с использованием термопар отличаются простотой, точностью и гибкостью». Analog Dialogue, том 44, 2010.
- Таблица ITS-90 для термопары типа K.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.