Nowoczesne glukometry wymagają wysokiego poziomu integracji w niewielkim rozmiarze, aby łatwo można było je trzymać i przenosić. Ich codzienne stosowanie wymaga również urządzenia o wysokiej wydajności, które może dokładnie mierzyć poziom glukozy we krwi za pomocą niewielkiej ilości krwi.
Aby uratować opuszki palców diabetyków przed wielokrotnym kłuciem w celu otrzymania precyzyjnego pomiaru, konieczne jest zastosowanie precyzyjnych multiplekserów w analogowym front-endzie sensora glukometru. Chociaż może się wydawać, że multiplekser realizuje tylko proste zadanie przełączania między różnymi kanałami danego sygnału - w rzeczywistości odgrywa on ważną rolę w dokładnym pomiarze sygnału odbieranego z paska czujnika do pomiaru poziomu glukozy we krwi.
Odpowiedni precyzyjny multiplekser może pomóc inżynierom pracującym nad miniaturowymi glukometrami pokonać kluczowe wyzwania projektowe związane z obecnymi problemami systemu: prądem upływu, problemami z pojemnością wejść i wielkością samego układu. Zrozumienie znaczenia tych parametrów może pomóc zmniejszyć problemy i poprawić jakość życia zarówno inżynierów, jak i pacjentów z cukrzycą.
Ultraniski prąd upływu
Glukometry używają specjalnego paska testowego do interakcji z kroplą krwi pacjenta, wywoływana są reakcje chemiczne które generują sygnał prądowy. Sygnał ten jest bardzo mały i jest zwykle przekształcany dalej w sygnał napięciowy poprzez wzmacniacza transimpedancyjny (TIA). Sygnał prądowy z paska czujnika jest podawany na TIA z konfigurowalnymi ustawieniami wzmocnienia transimpedanyjnego (parametru wiążącego wartość prądu na wejściu układu z amplitudą napięcia na jego wyjściu) przed próbkowaniem przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC, zwykle wewnątrz mikrokontrolera obecnego w systemie).
Rysunek po lewej stronie pokazuje multiplekser 4:1 z jednym kanałem, przełączającym cztery różne elementy toru sprzężenia zwrotnego do konfigurowania wzmocnienia op-ampa. Zewnętrzny rezystor, RF, lub wykorzystujący jeden z czterech kanałów, spośród których co najmniej jeden jest zawsze zamknięty. Zapewnia to, że wzmacniacz nie działa nigdy z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego. Chociaż na schemacie po lewej stronie przedstawiono cztery rezystory do konfiguracji sprzężenia zwrotnego, liczba tych oporników może być wyższa lub niższa, w zależności od ilości wymaganych ustawień wzmocnienia.
Ustawienia te są wymagane, by układ pracował zgodnie z prądem wyjściowym z paska testowego. Mieścić się w zakresie od 10 µA do 80 µA (typowo) w zależności wysokości poziomu glukozy we krwi. Zakres można również zmienić, aby zmierzyć poziomy glukozy w różnych momentach czasu lub dla różnych pacjentów.
W tym punkcie pojawia się istotny aspekt wybieranego multipleksera. Musi on charakteryzować się nie tylko niską rezystancją zamkniętego klucza, ale także bardzo niskim prądem upływu. Tylko to zagwarantować może precyzję przetwarzania sygnału.
Powód konieczności zapewnienia niskiego prądu upływu jest prosty - prąd ten w momencie, gdy przełącznik jest zwarty, dodaje się do prądu płynącego z paska testowego. Suma prądów płynie przez opornik i fałszuje pomiar, zwiększając napięcie za op-ampem. Niepoprawna wartość napięcia jest digitalizowana przez ADC, co finalnie prowadzi do niepoprawnych odczytów glukometru.
Podsumowując - upływ prądu w multiplekserze prowadzi do pogorszenia precyzji odczytu mierzonej wartości w systemie, przeważnie do fałszywego jej zwiększenia.
Texas Instruments ma w swojej ofercie szereg precyzyjnych multiplekserów o ultraniskim prądzie upływu. Przykładem takich układów może być TMUX1104 (pokazany na rysunku). Charakteryzuje się on upływem na poziomie typowo 3 pA i maksymalnie 50 pA. TMUX1104 może przełączać sygnały ze źródeł o wysokiej impedancji do wejścia op-ampa, także o wysokiej impedancji, bez wnoszenia poważnych błędów offsetu, wynikających z prądów upływu.
Innym ważnym parametrem, który wpływa na działanie multipleksera w glukometrze jest pojemność wejściowa tego elementu. Ma ona wpływ na zachowanie się multiplekserów, a tym samym na zjawiska przejściowe, między innymi podczas przełączania kanałów.
Problemy ze stabilnością układu mogą występować w obwodach TIA, gdy pominięto uwzględnienie pojemności wejściowej multipleksera. Pojemność ta może powodować oscylacje powodujące słabą odpowiedź impulsową całego toru pomiarowego. Podczas gdy projektanci systemu mogą celowo nie dodawać żadnej pojemności do toru, wartość pojemności wejściowej samego multipleksera może być dostatecznie duża, aby wpłynąć negatywnie na system pomiarowy.
Wybór układu o niskiej pojemności pozwala na zminimalizowanie wpływu tego parametru na stabilność układu. Pojemność wejściowa multipleksera to ekwiwalentna pojemność pomiędzy wejściem układu a masą w momencie, gdy kanał jest zwarty. Typowe wartości tego parametru mieszczą się w zakresie od kilkudziesięciu pikofaradów do ponad czterystu pikofaradów. Układ TMUX1104 charakteryzuje się pojemnością wejściową równą 35 pF.
Jeśli w układzie wykorzystuje się czterokanałowy multiplekser jednobiegunowy pojedynczego rzutu (1:1) do konfigurowalnej kontroli wzmocnienia, jak pokazano na rysunku po prawej, każdy pojedynczy kanał ma swoją własną pojemność, która zostanie umieszczone równolegle, gdy wszystkie kanały są załączone.
Fakt, że jeden kanał spośród tych czterech jest zawsze zamknięty, zapewnia, że wzmacniacz nie działa w konfiguracji z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego. Jeśli multiplekser nie zostanie dobrany pod kątem minimalnej pojemności na wejściu, pojedynczy kanał takiego układu może mieć pojemność ok. 70 pF. W związku z tym, przy wszystkich czterech kanałach przewodzących całkowita pojemność toru sprzężenia zwrotnego wynosiłaby aż 280 pF. Użycie TMUX1104 z pojemnością na poziomie zaledwie 35 pF sprawia, że w takiej sytuacji całkowita pojemność jest o połowę mniejsza i wynosi tylko 140pF, przy wszystkich kanałach przewodzących.
Na co zwrócić uwagę przy projektowaniu kompaktowych mierników poziomu glukozy we krwi
Niezależnie od tego, czy jest to telefon komórkowy, laptop czy tablet, trendem zawsze było być wydajniejszym, mniejszym i lżejszym. To samo dotyczy przenośnego sprzętu medycznego, takiego jak glukometr. Pacjenci wolą mieć mały glukometr, który nie tylko zapewnia dokładny odczyt, ale jest łatwy do przenoszenia i nie wymaga częstego ładowania baterii. Stwarza to wyzwanie dla projektantów, by znaleźć nowe rozwiązania, które są nie tylko bardziej precyzyjne, ale także mają niewielki rozmiar i oferują niski pobór prądu.
Rodzina precyzyjnych multiplekserów TMUX11x obsługuje szerokie zasilanie (od 1,08 V do 5,5 V zasilania pojedynczego lub ± 2,5 V symetrycznego). Układy te charakteryzują się bardzo niskim prądem upływu i niską pojemnością, co umożliwia zastosowanie ich w przenośnych aplikacjach medycznych wymagających precyzyjnych pomiarów. TMUX1104 jest jednym z najmniejszych jednokanałowych precyzyjnych multiplekserów 4:1 na rynku (patrz zdjęcie poniżej). Urządzenie ma bardzo niski prąd upływu (typowo 3pA) i pobiera niewielki prąd z zasilania (typowo 8 nA), co czyni go dobrym rozwiązaniem dla przenośnych urządzeń medycznych, takich jak zasilane bateryjnie glukometry.
Nie ma potrzeby poświęcać wysokich parametrów systemu czy stabilności jego działania przy projektowaniu kompaktowego glukometru. Dostępne są zarówno precyzyjne multipleksery, jak i analogowe front-endy dla sensorów, charakteryzujące się niskim prądem upływu i pojemnością linii, produkowane w bardzo małych obudowach.
Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2019/02/12/your-solution-for-measuring-blood-glucose-levels-just-got-smaller-and-more-accurate
Fajne? Ranking DIY
