آی‌سی | ECG AFE | ADS1291 | تک‌کاناله | بهره یک تا دوازده | نویز شش میکروولت

اطلاعات عمومی

• نام تراشه: ADS1291
• سازنده: Texas Instruments
• مهمترین ویژگی کلیدی: ADS1291 – AFE ECG، تک‌کاناله، ADC دلتا-سیگما ۲۴ بیتی، تقویت‌کننده بهره قابل برنامه‌ریزی، نویز ورودی مرجع ۶ میکروولت پیک-تو-پیک
• دسته بندی عملکردی: Analog Front-End (AFE) ECG
• شرح فنی کوتاه: ADS1291 یک Analog Front-End یکپارچه تک‌کاناله است که برای اندازه‌گیری‌های بیوپتانسیل، به ویژه برای کاربردهای الکتروکاردیوگرام (ECG)، طراحی شده است. این تراشه شامل یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) دلتا-سیگما ۲۴ بیتی کم‌نویز و یک تقویت‌کننده بهره قابل برنامه‌ریزی (PGA) برای ارائه مسیر تبدیل با وضوح بالا است. عملکرد الکتریکی اصلی این دستگاه، دیجیتالی کردن دقیق سیگنال‌های بیوپتانسیل آنالوگ ضعیف از الکترودها است و یک خروجی دیجیتال مناسب برای پردازش مستقیم توسط یک میکروکنترلر میزبان ارائه می‌دهد.

فلسفه طراحی

ADS1291 برای رفع شکاف فنی در زمینه Analog Front-Endهای بسیار یکپارچه، کم‌مصرف و با کارایی بالا در تجهیزات تشخیصی پزشکی قابل حمل و با باتری طراحی شده است. این تراشه با یکپارچه‌سازی اجزای حیاتی زنجیره سیگنال مانند PGA، ADC، مرجع و تشخیص قطع الکترود، طراحی سیستم‌های اندازه‌گیری بیوپتانسیل را ساده می‌کند و در نتیجه تعداد قطعات خارجی، فضای برد و مصرف کلی برق را کاهش می‌دهد. معماری آن با هدف ارائه جمع‌آوری سیگنال دقیق و قوی مورد نیاز برای نظارت قابل اعتماد فیزیولوژیکی است.

توضیحات کلی

ADS1291 یک مدار مجتمع تخصصی است که برای اتصال مستقیم با الکترودهای بیوپتانسیل در کاربردهای پزشکی و بهداشتی طراحی شده است. این تراشه به عنوان یک Analog Front-End (AFE) عمل می‌کند و تقویت اولیه، تهویه و دیجیتالی‌سازی سیگنال‌های الکتریکی ظریف تولید شده توسط بدن انسان را انجام می‌دهد.

نقش اصلی این قطعه، جمع‌آوری دقیق و تبدیل این سیگنال‌های آنالوگ با سطح پایین، مانند سیگنال‌های الکتروکاردیوگرام (ECG)، به فرمت دیجیتال است. این تراشه برای مدیریت پیچیدگی‌های سیگنال‌های بیولوژیکی، از جمله دامنه کوچک و حساسیت آنها به نویز، مهندسی شده است.

در یک سیستم الکترونیکی، ADS1291 به عنوان رابط حیاتی بین الکترودهای بیمار و واحد پردازش دیجیتال، مانند یک میکروکنترلر، عمل می‌کند. این تراشه اطمینان می‌دهد که یکپارچگی سیگنال بیوپتانسیل در طول فرآیند تبدیل حفظ می‌شود و داده‌های دیجیتال پاک و با وضوح بالا را برای تجزیه و تحلیل، نمایش یا ذخیره‌سازی بیشتر فراهم می‌کند.

کاربردها

• ECG قابل حمل و کم‌مصرف
• نظارت بر بیمار
• لوازم جانبی تناسب اندام و ورزشی
• دستگاه‌های پوشیدنی سلامت

ویژگی های کلیدی

• ADC دلتا-سیگما تک‌کاناله با وضوح ۲۴ بیتی
• مصرف برق پایین: ۳۵۰ میکروآمپر در هر کانال (معمولی)
• نویز ورودی مرجع: ۶ میکروولت پیک-تو-پیک (پهنای باند ۴۰ هرتز)
• تقویت‌کننده بهره قابل برنامه‌ریزی (PGA) با بهره ۱ تا ۱۲
• نرخ داده: ۱۲۵ SPS تا ۸ kSPS
• تقویت‌کننده Right Leg Drive (RLD) داخلی
• تشخیص قطع الکترود یکپارچه (AC و DC)
• مرجع و اسیلاتور داخلی
• حالت‌های انعطاف‌پذیر کم‌مصرف (Power-Down)
• رابط سریال سازگار با SPI

مزایا

• یکپارچگی بالا باعث کاهش تعداد قطعات خارجی و اندازه سیستم می‌شود.
• مصرف برق پایین، عمر باتری را در کاربردهای قابل حمل افزایش می‌دهد.
• وضوح بالا و عملکرد کم‌نویز، اندازه‌گیری‌های دقیق بیوپتانسیل را امکان‌پذیر می‌سازد.
• ویژگی‌های یکپارچه مانند RLD و تشخیص قطع الکترود، طراحی را ساده کرده و استحکام سیستم را افزایش می‌دهند.
• محدوده دمای کاری گسترده، از محیط‌های مختلف پشتیبانی می‌کند.

محدودیت ها

• تک‌کاناله بودن استفاده مستقیم آن را برای سیستم‌های ECG چندلید که نیاز به جمع‌آوری همزمان از چندین محل دارند، محدود می‌کند.
• برای پیکربندی، جمع‌آوری داده و پردازش سیگنال به یک میکروکنترلر خارجی نیاز دارد.
• عملکرد بهینه به قرارگیری دقیق الکترود و محافظت خارجی برای به حداقل رساندن نویز محیطی بستگی دارد.
• مخصوص اندازه‌گیری‌های بیوپتانسیل است و برای جمع‌آوری داده‌های عمومی کاربرد ندارد.

مشخصات فنی کلیدی

معماری داخلی

ADS1291 دارای معماری داخلی بسیار یکپارچه است که برای جمع‌آوری بهینه سیگنال بیوپتانسیل طراحی شده است. مسیر سیگنال با ورودی‌های آنالوگ تفاضلی متصل به یک مالتی‌پلکسر ورودی انعطاف‌پذیر آغاز می‌شود. این ورودی به یک تقویت‌کننده بهره قابل برنامه‌ریزی (PGA) با نویز کم هدایت می‌شود که سیگنال‌های کوچک بیوپتانسیل را تقویت می‌کند. پس از PGA، یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) دلتا-سیگما ۲۴ بیتی با وضوح بالا، سیگنال تقویت شده را دیجیتالی می‌کند. این دستگاه همچنین شامل یک مرجع داخلی برای تبدیل‌های پایدار و یک اسیلاتور روی تراشه برای مدیریت زمان‌بندی است. علاوه بر این، شامل مدارهایی برای خروجی Right Leg Drive (RLD) است که برای کاهش تداخل Common-Mode استفاده می‌شود و هر دو مکانیزم تشخیص قطع الکترود AC و DC برای نظارت بر تماس الکترودها را دارا می‌باشد. تمامی کنترل‌های دیجیتال و خروجی داده از طریق یک رابط سریال استاندارد (SPI) مدیریت می‌شوند.

سوالات فنی متداول

• س: چگونه می‌توان نویز ورودی مرجع را در یک سیستم مبتنی بر ADS1291 به حداقل رساند؟
  ج: به حداقل رساندن نویز ورودی مرجع شامل طراحی دقیق PCB، محافظت مناسب از مسیرهای ورودی، تکنیک‌های اتصال به زمین موثر و استفاده از الکترودهای با کیفیت بالا با تماس خوب با پوست است. پیاده‌سازی الکترود Right Leg Drive (RLD) نیز می‌تواند به کاهش نویز Common-Mode کمک کند.
• س: هدف از تقویت‌کننده Right Leg Drive (RLD) چیست و چگونه استفاده می‌شود؟
  ج: تقویت‌کننده RLD یک سیگنال Common-Mode معکوس تولید می‌کند که به بیمار، معمولاً از طریق الکترود پای راست، بازگردانده می‌شود. این تکنیک به حذف نویز Common-Mode موجود بر روی بدن بیمار کمک کرده و نسبت حذف Common-Mode (CMRR) و کیفیت کلی سیگنال را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.
• س: آیا ADS1291 از تشخیص قطع الکترود پشتیبانی می‌کند و چگونه می‌توان آن را پیکربندی کرد؟
  ج: بله، ADS1291 از هر دو نوع تشخیص قطع الکترود AC و DC پشتیبانی می‌کند. تشخیص قطع الکترود DC از منابع جریان داخلی برای بررسی امپدانس الکترود استفاده می‌کند، در حالی که AC یک سیگنال AC کوچک را تزریق می‌کند. این ویژگی‌ها از طریق رجیسترهای خاصی از طریق رابط SPI پیکربندی می‌شوند و امکان انتخاب آستانه و روش تشخیص را فراهم می‌کنند.
• س: چه ملاحظات منبع تغذیه برای ADS1291 مهم هستند؟
  ج: ADS1291 به منابع تغذیه آنالوگ (AVDD) و دیجیتال (DVDD) جداگانه نیاز دارد. استفاده از خازن‌های دکوپلینگ مناسب نزدیک به پین‌های تغذیه برای هر دو AVDD و DVDD برای به حداقل رساندن نویز و اطمینان از عملکرد پایدار بسیار مهم است. توجه دقیق به مسیریابی منبع تغذیه و فیلتر کردن نویز برای دستیابی به عملکرد بهینه، به ویژه برای منبع تغذیه آنالوگ، ضروری است.

قطعات مشابه / جایگزین

• ADS1292: Texas Instruments – یک AFE دو کاناله ECG/EEG با توان پایین با PGA و ADC یکپارچه.
• ADS1293: Texas Instruments – یک AFE سه کاناله ECG با توان فوق‌العاده پایین که برای کاربردهای پوشیدنی طراحی شده است.
• ADS1191: Texas Instruments – یک AFE تک کاناله ۱۶ بیتی ECG که یک گزینه با وضوح پایین‌تر را ارائه می‌دهد.

جدول منابع

این بخش برای معرفی آی‌سی‌های مهم و پرکاربرد تهیه شده است و هدف آن آشنایی بیشتر طراحان و علاقه‌مندان به الکترونیک می‌باشد. لطفاً توجه داشته باشید که همه قطعات ارائه شده در اینجا لزوماً بخشی از سبد محصولات ما نیستند؛ با این حال، در صورت نیاز، می‌توانید درخواست تامین قطعه را با ما در orders@gebrabit.com در میان بگذارید.