Lab_Eletronica_4n _ Passei Direto2

Prévia do material em texto

Impresso por João Marcos Melo Monteiro, E-mail joo.marcos3@gmail.com para uso pessoal e privado. Este material pode ser protegido
por direitos autorais e não pode ser reproduzido ou repassado para terceiros. 05/05/2024, 19:05:52
2.3 Eletrocardiograma
Um sinal de eletrocardiograma (ECG) consiste em cinco ondas repetidas consecutivas que
o representam. Essas ondas são denominadas P, Q, R, S e T. Cada uma dessas ondas tem
um alcance amplitude e duração normais. Este sinal, é um biossinal, causado pelos impulsos
elétricos do coração. Sem aprofundar tanto na teoria médica, há um nódulo no coração chamado
de Nódulo sinoatrial que é responsável por gerar espontaneamente impulsos elétricos, as células
deste nódulo são chamadas células de marcapasso. Como mencionado em [7] ”Este impulso
elétrico é então transmitido por células perinodais, ou células de transição (T), para o átrio
direito e, em seguida, através do resto do sistema de condução elétrica do coração, resultando
em contração miocárdica e distribuição de sangue para o resto do corpo. O nó sinusal gera
impulsos elétricos continuamente, estabelecendo assim o ritmo e a frequência normais em um
coração saudável. Assim, o nó SA é referido como o marcapasso natural do coração.”. As
referências ([7] e [8]) são ótimas fontes para desenvolver um entendimento mais aprofundado
sobre o eletrocardiograma.
Normalmente, no exame, 6 eletrodos são fixados no tórax com adesivo e 4 almofadas de
eletrodos (também com eletrodos) são colocadas nos pulsos e tornozelos, como mostrado na
imagem abaixo. Normalmente, um pouco de gel é usado entre cada eletrodo e a pele para
aumentar a condutividade. Entretanto, nesse experimento, foi usada uma aproximação mais
simples a fim de evitar que o integrante do grupo fique em posição supina. Posicionando somente
3 eletrodos, um em cada extremidade da clav́ıcula e o último próxima à costela esquerda.
Figura 12: Imagem foi retirada em [5].
3 Procedimentos
Para esse experimento, foram utilizados dois amplificadores, citados em 2.2, em cascata.
Especificamente, INA118 em cascata com TL069. A figura a seguir mostra o esquemático do
9
Impresso por João Marcos Melo Monteiro, E-mail joo.marcos3@gmail.com para uso pessoal e privado. Este material pode ser protegido
por direitos autorais e não pode ser reproduzido ou repassado para terceiros. 05/05/2024, 19:05:52
circuito utilizado:
Figura 13: Circuito usado para visualizar o ECG (Eletrocardiograma).
O experimento foi divido em 4 estágios. Sendo assim, essa seção será divida em 4 subseções.
Na seção seguinte, serão comparados os resultados téoricos apresentados nessa seção com aqueles
obtidos no laborátório.
3.1 Estágio 1
Nesse estágio é preciso observar o ganho do INA-118, que é montado como um amplificador
de diferenças.
O ganho do INA-118 é dado pela seguinte expressão:
Ganho = 1 +
50kΩ
RG
(31)
Sendo RG = 5, 6 kΩ o resistor ligado entre . Substituindo na fórmula acima, têm-se umV + e V −
ganho de aproximadamente 9 9286. Portanto essa primeira etapa é posśıvel analisar somente,
o ganho do INA-118. Foi colocado a seguinte senoide de entrada:
V + = 1 · sin (2 · π · t · 10) V
V − = 0 V
(32)
Então, o sinal de entrada apresenta uma amplitude de 1 V e 2 V de um pico ao outro ( ),VPP
além de uma frequência de 10 Hz.
Com o ganho, deve-se observar o seguinte sinal de sáıda:
VOUT = 9, 9286 · sin (2 · π · t · 10)V (33)
Resultando em uma amplitude de 9,9286 V e 19,8571 .VPP
3.2 Estágio 2
Nesse estágio observa-se o efeito do filtro passa-altas. O filtro é localizado na sáıda do INA-
118 com o capacitor de 1 em série com o resistor de 1 Ω (Fig 13).µF , 5 M
O filtro apresenta a seguinte equação de transferência:
|H(jω)| = 1s
1 +

fcorte
f
2
(34)
10
Impresso por João Marcos Melo Monteiro, E-mail joo.marcos3@gmail.com para uso pessoal e privado. Este material pode ser protegido
por direitos autorais e não pode ser reproduzido ou repassado para terceiros. 05/05/2024, 19:05:52
Sendo fcorte a frequência de corte em Hz, ela é calculada considerando a Eq 9, porém em Hz.
fcorte =
1
2 · ·πR C
(35)
Para se usar essa fórmula, faz-se necessário encontrar a com a impedância de entrada doReq
osciloscópio, que é 1 Ω.M
Req =
1M · 1 5, M
2 5, M
= 0, 6MΩ (36)
Substituindo na frequência de corte, obtêm-se:
fcorte =
1
2 · π · 0 6 10, M · −6
= 0,265 Hz ou 265 mHz (37)
Portando, deve-se observar uma atenuação do sinal de entrada, quando este possui uma frequência
menor que 265 mHz.
3.3 Estágio 3
Nesse estágio, montou-se um amplificador de ganho 10 e outro de 100, em cascata, com o
objetivo de gerar um ganho final de 1000.
O amplificador de ganho aproximado de 10 foi descrito na seção 3.1 (Estágio 1) deste re-
latório. Enquanto isso, o amplificador de ganho 100 (TL064) é dado pela seguinte expressão:
Ganho =
(R1 +R2)
R1
=
100 · 10 103 + 1 · 3
1 · 103 = 101 (38)
Sendo assim, considerando os ganhos de ambos os amplificadores em cascata, têm-se:
Ganhototal = 9, 9286 · 101 = 1002, 7886 ≈ 1000 (39)
3.4 Estágio 4
O objetivo deste estágio foi de captar o sinal eletrocardiográfico por meio de eletrodos e
inseri-lo em um circuito amplificador. A leitura do sinal se tornou posśıvel pelo ganho de 1000
gerado pelo circuito do estágio 3.
Complementa-se o circuito descrito acima com um filtro passa-baixas, com o objetivo de
eliminar o chamado , que é um rúıdo causado pelo movimento, mudançasBaseline Wandering
de impedância no eletrodo e et cetera.
O filtro foi montado a partir de um capacitor e um resistor, colocados logo após o amplificador
operacional.
Como explicado na fundamentação teórica, tem-se a frequência de corte dada por:
fcorte =
1
2πτ
=
1
2πRC
=
1
(1 10 4 10, 5 · 6 · , 7 · −9)
= 22, 57 (40)Hz
4 Resultados obtidos
4.1 Estágio 1
Como pode ser visto pela Figura 14, realizou-se a montagem completa do circuito e, em
seguida, testou-se o primeiro estágio de amplificação, gerado pelo INA-118, do biossinal de
entrada. Obteve-se G ≈ 10, valor condizente com o ganho obtido através da fundamentação
teórica.
11
Impresso por João Marcos Melo Monteiro, E-mail joo.marcos3@gmail.com para uso pessoal e privado. Este material pode ser protegido
por direitos autorais e não pode ser reproduzido ou repassado para terceiros. 05/05/2024, 19:05:52
Figura 14: Circuito montado
A Figura 15 evidenciada que a diferença entre a onda amarela (sinal senoidal de entrada) e
a onda verde (sinal senoidal de sáıda) é de 10 V . A legenda informa uma proporção de 1 deV
escala para o sinal de entrada e 5 para o sinal de sáıda, o que comprova o ganho aplicado deV
10 .V
Figura 15: Ganho de 10 gerado pelo INA-118
4.2 Estágio 2
No estágio 2, alterou-se o sinal da senoide de entrada a fim de verificar o efeito do filtro
passa-altas, que retira as componentes sinais de outras partes do corpo não provenientes do nó
sino-atrial. Na fundamentação teórica, calculou-se a frequência de corte (- 3 dB do ganho em
banda passante ou 71% da amplitude em banda passante do sinal) do filtro montado, que≈ 70,
12
Impresso por João Marcos Melo Monteiro, E-mail joo.marcos3@gmail.com para uso pessoal e privado. Este material pode ser protegido
por direitos autorais e não pode ser reproduzido ou repassado para terceiros. 05/05/2024, 19:05:52
foi fc = 265 mHz. Deste modo, a fim de testar a filtragem, utilizou-se uma frequência abaixo
da frequência de corte, a própria frequência de corte e uma frequência muito acima. Os valores
usados foram os seguintes:
• f
−
= 200 mHz
• fc = 265 mHz
• f+ = 10 Hz
4.2.1 Abaixo da frequência de corte
Com uma a frequência abaixo da frequência de corte (f
−
), mostrado pela Figura 16, observou-
se um ganho de aproximadamente 6, uma vez que o sinal foi de 2 04 para 12 . Esse resultado, , 8 V
está dentro do esperado, porque, como está abaixo da frequência de corte, deveria ter um ganho
inferior a 7.
Figura16: Filtro passa-altas atenuando sinal em frequência de 200 Hz (abaixo da frequência de corte)m
4.2.2 Na frequência de corte
Na frequência de corte, espera-se obter um ganho de 7, já que o ganho é aproximadamente≈
70, 71 % do ganho em banda passante. Como evidenciado pela Figura 17, o ganho foi de 2 04,
para 14 6, confirmando o que era esperado.,
Figura 17: Filtro passa-altas com sinal em frequência de 265 Hz (frequência de corte)m
13
Impresso por João Marcos Melo Monteiro, E-mail joo.marcos3@gmail.com para uso pessoal e privado. Este material pode ser protegido
por direitos autorais e não pode ser reproduzido ou repassado para terceiros. 05/05/2024, 19:05:52
4.2.3 Acima da frequência de corte
No último teste, Figura 18, utilizou-se a frequência de 10 Hz, evidentemente um valor bas-
tante acima da frequência de corte. Pode ser visto um ganho de 10, uma vez que o filtro está≈
operando, como esperado, em banda passante, visto que 10 Hz ≫ 265 Hz.m
Figura 18: Filtro passa-altas com sinal em frequência de 10 Hz (acima da frequência de corte)
4.3 Estágio 3
No estágio 3, por meio do TL064 na configuração não-inversora 13, que é um circuito inte-
grado amplificador, estabeleceu-se um ganho de 101 em cascata com o ganho anterior de 10.
Essa cascata gerou um ganho de 1000, fato que será essencial na visualização do eletrocardi-≈
ograma no estágio 4. Em questão de teste, é posśıvel visualizar na Figura 19 que um sinal de
entrada de amplitude de 10 V foi amplificado e gerou um sinal de 10 , o que comprova om V
funcionamento do ganho resultante de 1000 da cascata.
Figura 19: Sinal com ganho de 1000 ao passar pelo circuito projetado
4.4 Estágio 4
No 4 e último estágio, com as seções dos circuitos devidamente testadas, inseriu-se, final-º
mente, o sinal de eletrocardiograma na entrada do circuito. No sinal, é posśıvel identificar, de
forma clara, as componentes P, QRS e T que constituem esse sinal. A Figura 20 é proveni-
14
Impresso por João Marcos Melo Monteiro, E-mail joo.marcos3@gmail.com para uso pessoal e privado. Este material pode ser protegido
por direitos autorais e não pode ser reproduzido ou repassado para terceiros. 05/05/2024, 19:05:52
ente do aparelho simulador eletrocardiográfico e, notoriamente, pode-se observar um sinal com
pouqúıssimas componentes de rúıdo.
Figura 20: Batimento ECG- Simulador
Como complemento, decidiu-se obter o sinal eletrocardiográfico de um dos membros do
grupo a partir da inserção de eletrodos (um em cada extremidade da clav́ıcula e outro próxima
à costela esquerda). Como é posśıvel visualizar por meio da Figura 21, ainda é posśıvel observar
as componentes do eletrocardiograma, mesmo que com um pouco de rúıdo por se tratar de um
sinal real obtido de forma não invasivo.
Figura 21: Batimento ECG Real
5 Conclusão
Conclui-se que, durante o experimento, foi posśıvel melhor entender, relembrar a construção
e o funcionamento de alguns filtros, em particular, do filtro passa-altas, o qual foi usado para
retirar componentes de frequência de sinais aquém do nó sino-atrial, e o filtro passa-baixas, o
qual foi essencial para retirar pequenos rúıdos intŕınsecos ao processo de captação ao exame de
eletrocardiografia. Além disso, aprofundar no entendimento do funcionamento de um amplifi-
cador operacional no contexto de circuitos integrados.
Em paralelo, conceitos como curto virtual, realimentação negativa, ganho de realimentação,
inserção de ganho em cascata (ganhos de 10 e 100 formaram uma ganho de 1000), relação
sáıda/entrada (função de transferência) e a ação da frequência de corte em um filtro foram
trabalhados.
15
Impresso por João Marcos Melo Monteiro, E-mail joo.marcos3@gmail.com para uso pessoal e privado. Este material pode ser protegido
por direitos autorais e não pode ser reproduzido ou repassado para terceiros. 05/05/2024, 19:05:52
Por fim, foi posśıvel obter resultados teóricos, por meio de cálculos, condizentes com resul-
tados experimentais de amplificação e filtragem de sinais de teste (senoide) e do sinal eletrocar-
diograma. Sendo posśıvel melhor entender a importância do caminho de tratamento do sinal
até sua visualização, além de expandir o campo de entendimento de áreas que estão direta-
mente ligadas ao cotidiano, como a medicina e a engenharia biomédica. Em linhas gerais, o
experimentou mostrou-se bem sucedido e esclarecedor não somente em relação à obtenção de
resultados coerentes, mas também em relação à riqueza da análise.
Referências
[1] J. D. Irwin and R. M. Nelms, Basic Engineering Circuit Analysis. Chichester, England:
John Wiley & Sons, 10 ed., Nov. 2010. Citado 2 vezes nas páginas 2 e 1.
[2] J. Nilsson and S. Riedel, Circuitos Elétricos. PRENTICE HALL BRASIL, 2015. Citado 7
vezes nas páginas 2, 1, 3, 4, 5, 7 e 8.
[3] K. Talkie, “Analog band pass filter and simulation in multisim part 2/2.” https://www.
youtube.com/watch?v=zMxLCriiXcQ. Citado 2 vezes nas páginas 2 e 4.
[4] E. Technology, “Notch filter- theory, circuit design and ap-
plication.” https://www.electrical-technology.com/2019/05/
Notch-filter-theory-circuit-design-and-Application.html, 2019. Citado 2
vezes nas páginas 2 e 5.
[5] D. P. Pinheiro, “Eletrocardiograma (ecg): entenda os resultados.” https://www.mdsaude.
com/, 2020. Citado 2 vezes nas páginas 2 e 9.
[6] P. L. Aguayo, Prinćıpios de Comunicação - Notas de aula. 2020. Citado na página 1.
[7] C. L. Kashou AH, Basit H, “Physiology, sinoatrial node.” https://www.ncbi.nlm.nih.
gov/books/NBK459238/, 2021. Citado na página 9.
[8] A. medicine, “Ecgs - how they work.” ,https://www.youtube.com/watch?v=C35Lq2vntzU
2020. Citado na página 9.
16