Розроблення цифрового еквалайзера для біосенсора портативного аналізатора біоімпедансу
Вантажиться...
Дата
2020
DOI
doi.org/10.20998/2522-9052.2020.2.15
Науковий ступінь
Рівень дисертації
Шифр та назва спеціальності
Рада захисту
Установа захисту
Науковий керівник
Члени комітету
Видавець
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Анотація
У статті описано новий підхід до побудови портативного частотного аналізатора біоімпеданса. Новизна підходу полягає у синтезі алгоритмів коригування, які виконують функцію цифрового еквалайзера із вирівнювання частотної характеристики сенсора біоімпедансу. Реалізація підходу дає змогу більш ніж на два порядки розширити діапазон робочих частот без ускладннення структури частотного аналізатора біоімпедансу. Предметом дослідження є метод побудови низькозатратного частотного аналізатора біоімпеданса для персонального застосуваня у домашніх умовах зокрема як носимого пристрою. Мета дослідження – розроблення нового підходу до побудови біосенсора, як базового компенента портативного частотного аналізатора біоімпедансу. Новий підхід базується на максимальному спрощенні аналогової частини біосенсора і використанні обчислювальних засобів для коригування динамічних похибок вимірювального каналу. Ключовим аспектом для реалізації такого підходу є синтез функції цифрового еквалайзера у вигляді алгоритмів коригування динамічних похибок. Результати. Обгрунтовано доцільність побудови сенсора біоімпедансу за методом автоматичного балансування моста. Показано, що основною проблемою на цьому шляху є динамічні похибки, які обмежують діапазон робочих частот. Проаналізовано частотну передатну функцію автокомпенсаційного перетворювача і виділено три найбільш істотні джерела динамічних похибок. Формалізовано передатну функцію, де дестабілізуючі впливи представлено трьома коефіцієнтами. Запропоновано методологію синтезу алгоритмів коригування «сирих» результатів вимірювання, які,по суті, реалізують функцію цифрового еквалайзера. Підкреслено, що імплементація цифрового еквалайзера не потребує змін у структурі сенсора біоімпедансу, а лише залучає обчислювальну потужність, яку вже мають сучасні вимірювальні засоби. Досліджено ефективність алгоритмів коригування в діапазоні частот від 10 Гц до декількох МГц шляхом симуляції сенсора біоімпедансу на моделі Pspice. Результати досліджень показали можливість розширення діапазону робочих частот більш ніж на дві частотні декади. Висновки. Показано необхідність розроблення цифрового еквалайзера для портативного аналізатора біоімпедансу. Запропоновано інноваційний підхід щодо зменшення динамічних похибок на основі синтезу та використання алгоритмів коригування. Досліджено ефективність синтезованих алгоритмів і показано можливість істотного розширення діапазону робочих портативного аналізатора біоімпедансу.
The article describes a new design approach for portable bioimpedance analyzers. The novelty of thisap-proach is based on the idea to synthesize the correction algorithms that perform as a digital equalizer to equalize the frequency response of the bioimpedance sensor. The implementation of the approach allows expanding the operating frequency range for more than two orders without increasing the complexity of the structure of the bioimpedance measuring channel.The subject of the study is a method of design a low-cost bioimpedance analyzer for personal use, in particular as a wearable device. The purposе of the study is to develop a new design for a biosensor as a basic component of a portable bioimpedance analyzer. The approach is based on the maximum simplification of the analog part of the biosensor and the use of computational tools to correct the dynamic errors of the measuring channel. A key aspect of the implementation of this approach is the synthesis of the digital equalizer function as a set of algorithms for dynamic errors correction. Results. The expediency of bioimpedance sensor design by the method of auto-balancing bridge balancing has been proven in the paper. Dynamic errors that limit the operating frequency range are shown to be the main problem along the way. The transfer function of the auto-balancing circuit is analyzed and the three most significant sources of dynamic errors are identified. The transfer function is formalized, where the error sources are represented by three coefficients. The methodology of the synthesis of the correction algorithms for "raw" measure-ment results, which essentially realize the function of the digital equalizer, is proposed. It is stressed that the implementation of the digital equalizer does not require any additional changes in the structure of the bioimpedance sensor, as it only requires the computational resources that are already available as a part of the modern measuring instrumentation. The efficiency of the correction algorithms in the frequency range from 10 Hz to several MHz is investigated by modeling the bioimpedance sensor in the Pspice simulation software. Research results have shown the possibility of extending the operating frequency range by more than two frequency orders. Conclusions. The necessity of developing a digital equalizer for a portable bioimpedance analyzer is shown in the article. An innovative approach is proposed to reduce dynamic errors based on synthesis and use of correction algorithms. The efficiency of the synthesized algorithms is investigated and the possibility of significant expansion of the operation frequency range of portable bioimpedance analyzer is demonstrated.
The article describes a new design approach for portable bioimpedance analyzers. The novelty of thisap-proach is based on the idea to synthesize the correction algorithms that perform as a digital equalizer to equalize the frequency response of the bioimpedance sensor. The implementation of the approach allows expanding the operating frequency range for more than two orders without increasing the complexity of the structure of the bioimpedance measuring channel.The subject of the study is a method of design a low-cost bioimpedance analyzer for personal use, in particular as a wearable device. The purposе of the study is to develop a new design for a biosensor as a basic component of a portable bioimpedance analyzer. The approach is based on the maximum simplification of the analog part of the biosensor and the use of computational tools to correct the dynamic errors of the measuring channel. A key aspect of the implementation of this approach is the synthesis of the digital equalizer function as a set of algorithms for dynamic errors correction. Results. The expediency of bioimpedance sensor design by the method of auto-balancing bridge balancing has been proven in the paper. Dynamic errors that limit the operating frequency range are shown to be the main problem along the way. The transfer function of the auto-balancing circuit is analyzed and the three most significant sources of dynamic errors are identified. The transfer function is formalized, where the error sources are represented by three coefficients. The methodology of the synthesis of the correction algorithms for "raw" measure-ment results, which essentially realize the function of the digital equalizer, is proposed. It is stressed that the implementation of the digital equalizer does not require any additional changes in the structure of the bioimpedance sensor, as it only requires the computational resources that are already available as a part of the modern measuring instrumentation. The efficiency of the correction algorithms in the frequency range from 10 Hz to several MHz is investigated by modeling the bioimpedance sensor in the Pspice simulation software. Research results have shown the possibility of extending the operating frequency range by more than two frequency orders. Conclusions. The necessity of developing a digital equalizer for a portable bioimpedance analyzer is shown in the article. An innovative approach is proposed to reduce dynamic errors based on synthesis and use of correction algorithms. The efficiency of the synthesized algorithms is investigated and the possibility of significant expansion of the operation frequency range of portable bioimpedance analyzer is demonstrated.
Опис
Ключові слова
автокомпенсаційний перетворювач, цифровий еквалайзер, алгоритми коригування динамічних похибок, auto-balancing circuit, digital equalizer, dynamic errors correction algorithm
Бібліографічний опис
Хома Ю. В. Розроблення цифрового еквалайзера для біосенсора портативного аналізатора біоімпедансу / Ю. В. Хома, В. В. Хома // Сучасні інформаційні системи = Advanced Information Systems. – 2020. – Т. 4, № 2. – С. 100-109.