GUÍA DEL PROYECTO PDF

Preview

Summary

...

Description

Guía del Proyecto de Laboratorio – CET 2015-16 Q2 1. Objetivo Desarrollar un sistema electrónico capaz de medir la impedancia eléctrica Zb de un segmento del cuerpo. Específicamente, el sistema debe ser capaz de: O1. Medir las variaciones de Zb del brazo cuando se realizar una contracción muscular, Zm. A la señal resultante se le conoce como miograma de impedancia (impedance miogram, IMG). O2. Medir las variaciones de Zb del brazo debidas a la actividad cardiaca, Zc segmento comprendido entre las dos manos, debidas a la actividad cardiaca. A la señal resultante se le conoce como cardiograma de impedancia (impedance cardiogram, ICG). O3. Opcional: Adquisición de señales con ordenador, utilizando la placa Arduino como sistema de adquisición. Este objetivo no reemplaza a los anteriores, y sólo se podrá optar a él cuando se demuestre que el sistema funciona correctamente y las señales se distinguen correctamente en el osciloscopio.

2. Material Se asume que los alumnos disponen de las herramientas y material básico adquirido a lo largo de las asignaturas de electrónica ya cursadas. 2.1 Previsión de componentes a adquirir por los estudiantes: -Condensadores de diversos valores, y en cantidades suficientes, (rangos de pF, nF y μF) para implementar filtros pasivos y/o activos. -Condensadores de 100 nF (poliéster metalizado), un par de cada valor por cada circuito integrado que utilicéis (uno por cada pin de alimentación). -4 condensadores de 10 nF y 4 resistencias de 4,7 k Ω. -2 Resistencias de 10 MΩ/0.25 W/5 %

Figura 1. Condensador de poliéster (izquierda) y electrolítico (derecha). -Amplificador operacional TL081/TL084. -Comparador LM311. (Conviene tener recambios para ambos) -Arduino Uno si se opta por el objetivo opcional O3.

Como máximo, tenéis hasta la tercera sesión de laboratorio para completar el material. 3.2 Componentes proporcionados por el profesor -Amplificador de instrumentación AD623 (Analog Devices Inc.) u otro equivalente. Este amplificador se entregará en la tercera sesión. -Switch analógico doble/triple CD4052/CD4053. Este amplificador se entregará en la cuarta sesión sesión. -Electrodos en PCB. 1

Guía del Proyecto de Laboratorio – CET 2015-16 Q2 Estos componentes deberán ser devueltos al finalizar el cuatrimestre. En caso contrario, se penalizará la nota.

3. Metodología El trabajo de laboratorio es principalmente autónomo. El proyecto se desarrollará en base a las propuestas de cada grupo de trabajo. Esto quiere decir que las soluciones (circuitos) que deberéis implementar han de ser coherentes con la información obtenida por el grupo. Con la finalidad de organizaros el trabajo, es conveniente basaros en los siguientes pasos.

3.1 Primer paso: Reunir la información básica para la realización del proyecto. Esto incluye: a. Parámetros básicos para medir la impedancia eléctrica del cuerpo: Amplitud de corriente, frecuencia, y rango de valores de la impedancia del cuerpo para la frecuencia escogida. Esta información la deberéis buscar vosotros, y basar vuestro diseño en dicha información. Otros parámetros de importancia son los de los filtros. Todos los filtros pasobajo tendrán una frecuencia de corte de 20 Hz, y el filtro pasoalto de 0,1 Hz. Cuando exista conexión en cascada de filtros pasivos, diseñarlos teniendo en cuenta la eliminación del efecto de carga. b. Documentación sobre los componentes integrados (amplificadores, switches). Parámetros críticos: -Tensión de alimentación máxima/mínima. -Tensiones de saturación (en función de la alimentación). -Ancho de banda. -Slew rate. -Rango de tensión de entrada y salida. -Corriente máxima de salida (y según sea el caso, de entrada). -Cualquier otro parámetro que tenga influencia en el desarrollo del sistema (tensiones de offset, corrientes de polarización, ruido, tensión admisibl e de modo común,…)

3.2 Segundo paso: Entender el funcionamiento teórico del diagrama de bloques del sistema (mostrado en la Figura 3). Hay que tener claro qué función cumple cada bloque, qué formas de onda debemos esperar a la salida de dichos bloques, y cuál ha de ser su espectro de frecuencias. Mucha de esta información se explicará el primer día de clases de laboratorio, por lo que es importante la asistencia.

3.3 Tercer paso: Una vez entendido el funcionamiento del sistema, debemos diseñar los circuitos que implementan cada bloque. Cosas que debemos tener en cuenta: -Efecto de carga entre los bloques.

2

Guía del Proyecto de Laboratorio – CET 2015-16 Q2 -Compatibilidad de los márgenes dinámicos (rango de tensiones) entre la salida de un bloque y la entrada del siguiente. -Evitar efectos de saturación de cualquier componente. -Armonizar las tensiones de alimentación. Todos los componentes activos se alimentarán bipolarmente, +Vcc/-Vcc. Deberéis escoger unos valores que permitan que todos los componentes sean alimentados correctamente (atendiendo a sus valores máximos y mínimos). -Valores de resistencia escogidos. -El demodulador a utilizar seguirá el esquema de la Figura 4.

3.4 Cuarto paso: Verificación de cada bloque. Esto consiste en utilizar los instrumentos de medida para medir entrada y salida de cada bloque, tomando nota de los valores experimentales de las pruebas que se realicen. Ejemplo ilustrativo: Un filtro pasivo pasobajo con frecuencia de corte alrededor de 100 Hz, como el de la Figura 2, tiene R = 10 kΩ y C = 150 nF, para adaptarnos a los valores comerciales, resultando en una frecuencia de corte práctica de 106 Hz. Para realizar la verificación, con el generador de funciones escogemos para vin una tensión sinusoidal de 1 V de pico y vamos cambiando la frecuencia. Conectamos vin y vout al osciloscopio. Alrededor de los 106 Hz deberíamos observar que vout está atenuado en 3 dB y que la amplitud debería estar alrededor de los 707 mV.

Figura 2. Filtro pasobajo RC pasivo.

NOTA: Para la verificación de los circuitos diseñados, en lugar de la impedancia del cuerpo, utilizaremos una red de resistencias, tal y como se explicará en la primera sesión del laboratorio. 3.5 Quinto paso: Validación del sistema. Esto quiere decir que, una vez que todos los bloques necesarios para adquirir una determinada señal hayan sido verificados, probaremos el sistema con conexión a un segmento del cuerpo concreto. En este paso, es posible que sea necesario rediseñar para mejorar la calidad de las señales (or ejemplo, pasar de un filtro de primer orden a uno activo de segundo orden, reajustar la ganancia de un bloque, etc.). IMPORTANTE: En el caso de las señales cardiacas, es conveniente realizar unas primeras pruebas midiendo el segmento comprendido entre las dos manos. Seguir las explicaciones de vuestro profesor.

4. Evaluación y Evidencias a aportar por parte de cada grupo de trabajo La evaluación tomará en cuenta los siguientes aspectos (sin ninguna ponderación particular): a. Grado de entendimiento del proyecto. Las preguntas claves son:

3

Guía del Proyecto de Laboratorio – CET 2015-16 Q2 ¿Cómo logra todo el sistema medir las variaciones de la impedancia en un segmento del cuerpo? ¿Qué función realiza cada bloque? ¿Qué se espera, teóricamente, a la salida de cada bloque? ¿Cómo se realiza la verificación de un bloque y qué instrumentos son los adecuados en cada caso? ¿Qué características de los componentes de un bloque presentan limitaciones prácticas? ¿Qué limitaciones prácticas tiene el sistema? Una manera de

b. Orden y aprovechamiento de las horas presenciales. -Los cálculos teóricos se traen hechos de casa, no se realizan en el laboratorio. -Ha de haber una previsión del trabajo a realizar durante una sesión. -No entretenerse en temas ajenos al proyecto.

c. Metodología empleada d. Grado de consecución del proyecto. e. Evidencias En cuanto a las evidencias, no se pedirá una memoria final. Lo que se pide es llevar un cuaderno de laboratorio al día, donde conste: -Los análisis teóricos de cada bloque (diseño, funcionamiento, limitaciones, formas de onda esperadas, dominios del tiempo y de la frecuencia). -Los datos experimentales de la verificación y validación de cada bloque, ya sea en forma de apuntes con o sin tablas, y dibujos o fotos de las formas de onda que se van obteniendo.

Aclaraciones importantes: 1. El punto 4a de la evaluación implica que el profesor realizará preguntas a todos los miembros del grupo, y tomará nota de la participación a la hora de responder. 2. El punto 4b de la evaluación tomará en cuenta el buen manejo de los instrumentos. 3. Alcanzar los objetivos O1 y O2, cumpliendo con la metodología explicada y con el 100% de asistencia a clase, y que den lugar a señales de buena calidad, serán candidatos a una calificación de excelente. 4. Si el objetivo O2 se consigue sólo entre las manos, daría acceso a una nota máxima de notable. 5. El objetivo O3 se podrá trabajar sólo si los objetivos O1 y O2 se han alcanzado satisfactoriamente, y se quiera optar a la calificación máxima de 10.

4

Guía del Proyecto de Laboratorio – CET 2015-16 Q2 Sugerencia de calendario de actividades

Semana 1

2 3 4 5

6 7 8

9 10 11

12

Tareas preparatorias de la siguiente sesión Buscar información: amplitud de corriente a inyectar, frecuencia de trabajo, magnitud de la Z del cuerpo a la frecuencia elegida. Comprar material necesario Análisis de los circuitos propuestos Análisis de los circuitos propuestos Análisis de los circuitos propuestos Análisis de los circuitos propuestos

Resultado de referencia

Convertidor V/I verificado

Amplificador + convertidor V/I verificado (con red RC de prueba)

Previsión de objetivos para la siguiente sesión Previsión de objetivos para la Demodulador síncrono verificado siguiente sesión Previsión de objetivos para la Sistema completo correcto. siguiente sesión Diseño de filtro ac diferencial correcto. Previsión de objetivos para la Primeras pruebas con electrodos siguiente sesión secos Rediseño (si es necesario), y validación final. Pruebas del circuito de acondicionamiento del Arduino (si se opta a presentarlo). Presentación final

5

Señal excitadora (portadora)

Vs

Is

V

V(Zm) Contracción muscular Vd

Zb

I HPF1

6

Segmento corporal

Amplificador instrumentación

Demodulador síncrono

t V( Zc)

Latidos

V(Zm) HPF2

Figura 3. Diagrama de bloques de todo el sistema

Amplificador unipolar

LPF2

t

Guía del Proyecto de Laboratorio – CET 2015-16 Q2

Electrodo

Guía del Proyecto de Laboratorio – CET 2015-16 Q2 Demodulador síncrono R

R Vd V(Zm)

1 0 Interruptor (CD 4052 ó 4053)

LPF1

Bit de control

Comparador de paso por cero

Figura 4. Esquemático del demodulador síncrono.

7...