Określanie składu i jakości materiałów ciekłych jest niezbędne w wielu różnych zastosowaniach. Najbardziej znanym przykładem jest woda - najcenniejszy surowiec na świecie. Technologia oczyszczania wody czy filtrów do niej odgrywa ważną rolę na całym świecie i jest niezbędna nam do życia. Dostęp do stale malejących zasobów czystej wody jest coraz ważniejszym tematem. Jednak przykłady pomiarów substancji ciekłych wykraczają daleko poza wodę - bada się także inne płyny, takie jak krew, ślina czy kał (np. w medycynie). Wszystkie one muszą być badane pod kątem możliwych chorób, ponieważ mają one bezpośredni związek z naszym stanem zdrowia. Wszystkie tego typu pomiary łączy wspólna zasada pomiaru - pomiar impedancji. W artykule tym skoncentrujemy się na badaniach płynów do zastosowań medycznych. Opisane zostaną poszczególne zastosowania tych pomiarów, a także wszechstronność pomiarów impedancji cieczy.
Badanie cieczy w medycynie
Najbardziej rozpoznawalnym badaniem cieczy w medycynie jest pomiar poziomu glukozy we krwi. W badaniu tym kropla krwi na pasku testowym wystarcza do wyciągnięcia istotnych wniosków na temat poziomu cukru w naszym organizmie. Na podstawie wartości tej pacjent może dostosować zażywane leki lub swoją dietę do stanu zdrowia. W przyszłości rozwój tych badań powinien jednak odejść od indywidualnego pomiaru w kierunku metody ciągłego pomiaru w celu stałego monitorowania poziomu cukru we krwi. Pilnie potrzebne są tutaj jednak bardzo dokładne, energooszczędne systemy do pomiaru impedancji.
Innym zastosowaniem pomiaru płynów są systemy do dializ. W przypadku przewlekłej niewydolności nerek, krew musi zostać przefiltrowana przez zewnętrzną maszynę. Pomiar przewodności płynu dializacyjnego odbywa się również poprzez analizę jego impedancji. W ten sposób można na przykład mierzyć poziom pH, przewodność, skład i saturację.
Na koniec bada się również kał i mocz pacjentów. Badane są tutaj wydaliny z organizmu w celu wyciągnięcia wniosków na temat chorób i nieprawidłowości w jego działaniu. Jest to stosunkowo nowa dziedzina medycyny z wieloma różnymi zastosowaniami i szeroką gamą metod badawczych. Podstawą jest jednak pomiar impedancji za pomocą elektrod, który umożliwia rozpoznawanie różnych chorób. W tego rodzaju pomiarach sprawdzeniem poziomu pH - wykonywane są pomiary przewodności itp.
Opisane wcześniej pomiary oczywiście nie wyczerpują listy metod diagnostycznych dla cieczy w medycynie. Istnieje jeszcze wiele innych metod badawczych, które są przydatne w technologii medycznej dla ludzi i zwierząt, na przykład pomiary poziomu hormonów lub środków farmaceutycznych. Również tutaj ważna jest metoda pomiaru impedancji badanej cieczy.
Chociaż wszystkie te pomiary określają różne parametry, to zawsze opierają się na analizie impedancji badanej substancji. Pomimo wielu twarzy, wszystkie mają jedną wspólną cechę - potrzeba energooszczędnego i kompaktowego rozwiązania do obsługi urządzeń elektroniki noszonej. Poniżej opisano różne metody pomiaru impedancji cieczy. Są one używane częściowo w połączeniu, a częściowo indywidualnie, aby umożliwić pełną analizę danych substancji, zależnie od konkretnej aplikacji.
Różne zasady pomiaru impedancji
Chociaż podstawowa zasada pomiaru impedancji pozostaje taka sama dla wszystkich aplikacji, istnieją duże różnice pomiędzy poszczególnymi sposobami realizacji pomiaru. Poniżej omówiono najbardziej odpowiednie dla medycyny i diagnostyki medycznej metody badania cieczy i pomiaru jej impedancji.
Potencjostat
Najbardziej podstawowa i powszechnie stosowana metoda pomiaru w elektrochemii i pomiarach impedancji oparta jest na tzw. potencjostacie. Jak pokazano na rysunku 1 po prawej stronie, potencjostat mierzy i kontroluje napięcie między elektrodą roboczą (WE) a elektrodą odniesienia (RE), które zanurzone są w badanym materiale. Potencjał elektrody roboczej jest utrzymywany na stałym poziomie w stosunku do potencjału elektrody odniesienia poprzez sterowanie prądem przepływającym przez tzw. elektrodę pomocniczą (CE).
Amperometria
Najprostsza forma pomiaru amperometrycznego polega na przyłożeniu napięcia polaryzującego do czujnika i pomiarze prądu odpowiedzi. Przykłada się tutaj stałe napięcie między elektrody RE a WE, a poziom prądu jest przekształcany na sygnał cyfrowy poprzez przetwornik prąd-napięcie, zrealizowany na wzmacniaczu transimpedancyjnym (TIA) i przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Wartość mierzonego prądu zależy zarówno od samego sensora, jak i mierzonej zmiennej. Obwód taki, oparty na układzie ADuCM355, pokazano na rysunku 2 po lewej stronie (gdzie PA - wzmacniacz mocy, TIA - wzmacniacz transimpedancyjny - przetwornik prąd-napięcie, DAC - przetwornik cyfrowo-analogowy).
Woltamperometria cykliczna
Pomiary woltamperometryczne mają elektrochemiczne podstawy działania. W pomiarze tym potencjał ogniwa elektrochemicznego z próbką jako elektrolitem, jest powoli zwiększany, a następnie liniowo zmniejszany do punktu wyjścia. Potencjał podąża zatem za przebiegiem trójkątnym podczas pomiaru prądu przepływającego przez elektrodę WE. Woltamperometria jest na przykład wykorzystywana do pomiaru reaktywności analitu (podatności na oksydację lub redukcję). Metoda ta jest formą elektrolizy, a powstały prąd jest wynikiem właśnie redukcji lub utleniania. Dzięki temu pomiarowi zbadać można próbkę tak jakościowo, jak i ilościowo.
Pomiar przewodnictwa
Pomiary przewodności cieczy pozwalają na określenie rezystancji stałoprądowej w próbce. Aby zrealizować ten pomiar, dwie obojętne elektrody umieszczone są równolegle względem siebie i zanurzone w cieczy w celu pomiaru rezystancji za pomocą przebiegu prądu zmiennego (AC). Dzięki temu procesowi można oszacować ruchliwość nośników ładunku, gęstość tych cząstek oraz stopień utlenienia elektrolitu, co umożliwia określenie m. in. stężenia badanego roztworu.
Pomiar pH
Pomiar pH opiera się na zasadzie reakcji półogniwa, która zachodzi na membranie specjalnej elektrody i jest bezpośrednio zależna od stężenia jonów H+ (jony wodorowe). Ze zmierzonej różnicy potencjałów wynika pewne napięcie, które ma liniowy związek z wartością pH w cieczy. Jednym z głównych problemów pomiaru pH jest to, że czujniki pH mają bardzo wysoką rezystancję szeregową, co narzuca wysokie wymagania dla elektronicznych układów pomiarowych.
Analiza impedancji elektrochemicznej
Analiza impedancji elektrochemicznej jest pomiarem, w którym impedancja ogniwa elektrochemicznego lub sensora jest mierzona dla całej serii różnych częstotliwości. Mierząc zależność impedancji od częstotliwości można na przykład zmierzyć zużycie czujnika i odpowiednio dostosować tor pomiarowy systemu. Problemem jest tu głównie spadek dokładności czujnika w czasie (od kilku dni do tygodni, zależnie od rodzaju wybranego sensora). Może to silnie negatywnie wpływać na ogólną dokładność wykonywanych pomiarów. Tak jest na przykład w przypadku ciągłego pomiaru stężenia glukozy we krwi (CGM). Ponieważ pomiary te mają kluczowe znaczenie dla zdrowia pacjenta, dokładność czujnika musi być ciągle monitorowana. Przykładowy obwód do pomiaru impedancji elektrochemicznej w układzie pokazano na rysunku 3 po prawej stronie.
Opisane powyżej pomiary medyczne różnią się znacznie między sobą pod względem wymagań sprzętowych i mierzonych parametrów, a zatem wymagają metod pomiaru. Oprócz tego należy przy każdym z nich dodatkowo wykonywać pomiarów temperatury, aby umożliwić kalibrację układu względem temperatury próbki. W celu uzupełnienia lub zwiększenia dokładności pomiarów, należy zastosować wiele czujników w systemie. W konstrukcji dyskretnej, wszystkie te pomiary wymagają dużej powierzchni płytki drukowanej, jako że potrzebują osobnych, dyskretnych podsystemów. Przekłada się to również na wysoki pobór mocy i zwiększony koszt urządzenia.
Obecnie na rynku poszukuje się małych, energooszczędnych i tanich rozwiązań, które można umieścić w urządzeniach elektroniki noszonej. Firma Analog Devices opracowała układ ADuCM355, dokładnie po to, by sprostać tym wymaganiom projektowym.
ADuCM355 - jeden układ do wszystkiego
Jednym z rozwiązań, które mogą łączyć wszystkie opisane powyżej pomiary, jest zastosowanie mikrokontrolera ADuCM355. Ten wysoce zintegrowany układ składa się z energooszczędnego analogowego interfejsu (AFE - analogowy front-end) i mikrokontrolera, który pełni funkcje zarówno kontrolne, jak i strzegące bezpieczeństwa, takie jak realizacja algorytmów cyklicznej kontroli nadmiarowej (CRC). Schemat blokowy z kluczowymi komponentami układu ADuCM355 pokazano na rysunku 4.
Opisywany układ kontroluje czujniki elektrochemiczne i biologiczne, przy wyjątkowo niskim zużyciu energii. Układ ten oparty jest na technologii procesora ARM® Cortex®-M3. Wyposażony jest w układy do pomiaru prądu, napięcia jak i rezystancji. Oprócz 16-bitowego wielokanałowego przetwornika ADC sukcesywnej aproksymacji o prędkości próbkowania 400 kSPS (400 tysięcy próbek na sekundę). Układ wyposażony jest w z bufory wejściowe ze zintegrowanym filtrem antyaliasingowym (AAF) i wzmacniaczem o programowalnym wzmocnieniu (PGA). Wzmacniacz transimpedancyjny (TIA) znajdujący się na wejściach prądowych ma programowalne rezystory wzmocnienia i obciążenia w celu dostosowania go do różnych typów czujników. AFE układu zawiera również wzmacniacze, które zostały specjalnie opracowane do potencjostatów do utrzymywania stałego napięcia polaryzacji względem zewnętrznego czujnika elektrochemicznego. Odpowiedni kanał wejściowy można wybrać za pomocą multipleksera wejściowego przed przetwornikiem ADC. Kanały wejściowe obejmują trzy zewnętrzne wejścia prądowe, kilka zewnętrznych wejść napięciowych oraz kanały wewnętrzne. Dwa z trzech przetworników DAC z wyjściem napięciowym to przetworniki z podwójnym wyjściem. Pierwsze wyjście tego przetwornika steruje nieodwracającym wejściem wzmacniacza potencjostatu, a drugie steruje wejściem nieodwracającym wzmacniacza transimpedancyjnego. Trzeci przetwornik cyfrowo-analogowy (czasami nazywany przetwornikiem cyfrowym o dużej prędkości) jest przeznaczony do kontroli wysokowydajnego przetwornika transimpedancyjnego do pomiarów impedancji. Zakres częstotliwości wyjściowej tego przetwornika wynosi 200 kHz. Procesor z rdzeniem ARM Cortex-M3 wyposażony jest również w elastyczny, wielokanałowy kontroler bezpośredniego dostępu do pamięci (DMA), który obsługuje dwa niezależne porty szeregowego interfejsu peryferyjnego (SPI), moduł uniwersalnego asynchronicznego odbiornika/nadajnika (UART) oraz urządzenia peryferyjne komunikacyjne I²C. W razie potrzeby można skonfigurować szereg urządzeń peryferyjnych do określonych zastosowań. Te urządzenia peryferyjne obejmują interfejsy UART, I²C, dwa porty SPI oraz porty wejścia/wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO). Porty GPIO można łączyć z uniwersalnymi zegarami w układzie, aby utworzyć wyjście impulsowe z modulacją szerokości wypełnienia (PWM).
Inne pomiary
Większość czujników dla opisanych powyżej pomiarów można obsługiwać bezpośrednio za pośrednictwem wejść układu ADuCM355. Działa to na przykład z pomiarami potencjostatycznymi, takimi jak pomiar poziomu glukozy we krwi. Natomiast dokładniejsze pomiary, takie jak przewodnictwo lub pH, wymagają przedłużonego toru sygnałowego, a zatem zewnętrznego układu, takiego jak LTC6078. Zwiększa on impedancję wejściową, aby dostosować ją do wysokiej impedancji wyjściowej czujników, a tym samym umożliwić dokładny odczyt mierzonych wartości. Oprócz poprzednio opisanych pomiarów konieczny jest tutaj pomiar temperatury, aby można było skompensować wahania pomiaru czujnika w jej funkcji. Kompletny system pomiaru pokazano na rysunku 5. Za pomocą bardziej złożonego toru sygnałowego ADuCM355 może mierzyć zarówno napięcie, jak i prąd. Z wykorzystaniem obwodu pokazanego na rysunku 5 możliwy jest pomiar impedancji w zakresie od 100 Ω do 10 MΩ. Duży zakres pomiarowy umożliwia pokrycie pełnego spektrum impedancji, jakich pomiar wymagany jest medycynie. Wysoki zakres dynamiczny pomiaru jest szczególnie ważny przy pomiarach przewodnictwa, aby można było zmierzyć różne stężenia badanych substancji.
Podsumowanie
Chociaż pomiary dla różnych cieczy wykorzystują pomiary impedancji jako podstawową metodę działania, nadal różnią się od siebie. Różne czujniki muszą być podłączone, aby rejestrować odmienne parametry badanego analitu. Aby z jednej strony uwzględnić tę wszechstronność, a jednocześnie wpisać się w rosnący trend w zakresie małych, energooszczędnych urządzeń noszonych, z drugiej strony tworzyć potrzebne na rynku inteligentne rozwiązania stworzony ADuCM355. ADuCM355 nie tylko spełnia wszystkie te wymagania, ale także przyjmuje rolę szwajcarskiego scyzoryka do pomiarów impedancji w aplikacjach medycznych. Ten układ scalony umożliwia - oprócz pomiarów płynów - także inne pomiary impedancji w tym sektorze, na przykład analizę tkanki tłuszczowej lub impedancji skóry. Ponadto, ze względu na swoją wszechstronność, może również mierzyć elektrochemicznie próbki gazowe, takie jak CO lub CO2, za pomocą odpowiednich czujników. Dzięki temu ADuCM355 jest wszechstronnym układem scalonym do rozmaitych pomiarów impedancji.
O autorze
Christoph Kammerer pracuje w oddziale firmy Analog Devices w Niemczech od lutego 2015 roku. W 2014 roku ukończył studia na Uniwersytecie Friedricha Alexandra w Erlangen, uzyskując tytuł magistra fizyki. Pracował jako stażysta w dziale rozwoju procesów w Analog Devices w Limerick w Wielkiej Brytanii. Po ukończeniu programu stażu w grudniu 2016 roku pracuje jako terenowy inżynier aplikacji w Analog Devices i specjalizuje się w nowatorskich aplikacjach. Można się z nim skontaktować pod adresem christoph.kaemmerer(_at_)analog.com
Artykuł sponsorowany
Badanie cieczy w medycynie
Najbardziej rozpoznawalnym badaniem cieczy w medycynie jest pomiar poziomu glukozy we krwi. W badaniu tym kropla krwi na pasku testowym wystarcza do wyciągnięcia istotnych wniosków na temat poziomu cukru w naszym organizmie. Na podstawie wartości tej pacjent może dostosować zażywane leki lub swoją dietę do stanu zdrowia. W przyszłości rozwój tych badań powinien jednak odejść od indywidualnego pomiaru w kierunku metody ciągłego pomiaru w celu stałego monitorowania poziomu cukru we krwi. Pilnie potrzebne są tutaj jednak bardzo dokładne, energooszczędne systemy do pomiaru impedancji.
Innym zastosowaniem pomiaru płynów są systemy do dializ. W przypadku przewlekłej niewydolności nerek, krew musi zostać przefiltrowana przez zewnętrzną maszynę. Pomiar przewodności płynu dializacyjnego odbywa się również poprzez analizę jego impedancji. W ten sposób można na przykład mierzyć poziom pH, przewodność, skład i saturację.
Na koniec bada się również kał i mocz pacjentów. Badane są tutaj wydaliny z organizmu w celu wyciągnięcia wniosków na temat chorób i nieprawidłowości w jego działaniu. Jest to stosunkowo nowa dziedzina medycyny z wieloma różnymi zastosowaniami i szeroką gamą metod badawczych. Podstawą jest jednak pomiar impedancji za pomocą elektrod, który umożliwia rozpoznawanie różnych chorób. W tego rodzaju pomiarach sprawdzeniem poziomu pH - wykonywane są pomiary przewodności itp.
Opisane wcześniej pomiary oczywiście nie wyczerpują listy metod diagnostycznych dla cieczy w medycynie. Istnieje jeszcze wiele innych metod badawczych, które są przydatne w technologii medycznej dla ludzi i zwierząt, na przykład pomiary poziomu hormonów lub środków farmaceutycznych. Również tutaj ważna jest metoda pomiaru impedancji badanej cieczy.
Chociaż wszystkie te pomiary określają różne parametry, to zawsze opierają się na analizie impedancji badanej substancji. Pomimo wielu twarzy, wszystkie mają jedną wspólną cechę - potrzeba energooszczędnego i kompaktowego rozwiązania do obsługi urządzeń elektroniki noszonej. Poniżej opisano różne metody pomiaru impedancji cieczy. Są one używane częściowo w połączeniu, a częściowo indywidualnie, aby umożliwić pełną analizę danych substancji, zależnie od konkretnej aplikacji.
Różne zasady pomiaru impedancji
Chociaż podstawowa zasada pomiaru impedancji pozostaje taka sama dla wszystkich aplikacji, istnieją duże różnice pomiędzy poszczególnymi sposobami realizacji pomiaru. Poniżej omówiono najbardziej odpowiednie dla medycyny i diagnostyki medycznej metody badania cieczy i pomiaru jej impedancji.
Potencjostat
Najbardziej podstawowa i powszechnie stosowana metoda pomiaru w elektrochemii i pomiarach impedancji oparta jest na tzw. potencjostacie. Jak pokazano na rysunku 1 po prawej stronie, potencjostat mierzy i kontroluje napięcie między elektrodą roboczą (WE) a elektrodą odniesienia (RE), które zanurzone są w badanym materiale. Potencjał elektrody roboczej jest utrzymywany na stałym poziomie w stosunku do potencjału elektrody odniesienia poprzez sterowanie prądem przepływającym przez tzw. elektrodę pomocniczą (CE).
Amperometria
Najprostsza forma pomiaru amperometrycznego polega na przyłożeniu napięcia polaryzującego do czujnika i pomiarze prądu odpowiedzi. Przykłada się tutaj stałe napięcie między elektrody RE a WE, a poziom prądu jest przekształcany na sygnał cyfrowy poprzez przetwornik prąd-napięcie, zrealizowany na wzmacniaczu transimpedancyjnym (TIA) i przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Wartość mierzonego prądu zależy zarówno od samego sensora, jak i mierzonej zmiennej. Obwód taki, oparty na układzie ADuCM355, pokazano na rysunku 2 po lewej stronie (gdzie PA - wzmacniacz mocy, TIA - wzmacniacz transimpedancyjny - przetwornik prąd-napięcie, DAC - przetwornik cyfrowo-analogowy).
Woltamperometria cykliczna
Pomiary woltamperometryczne mają elektrochemiczne podstawy działania. W pomiarze tym potencjał ogniwa elektrochemicznego z próbką jako elektrolitem, jest powoli zwiększany, a następnie liniowo zmniejszany do punktu wyjścia. Potencjał podąża zatem za przebiegiem trójkątnym podczas pomiaru prądu przepływającego przez elektrodę WE. Woltamperometria jest na przykład wykorzystywana do pomiaru reaktywności analitu (podatności na oksydację lub redukcję). Metoda ta jest formą elektrolizy, a powstały prąd jest wynikiem właśnie redukcji lub utleniania. Dzięki temu pomiarowi zbadać można próbkę tak jakościowo, jak i ilościowo.
Pomiar przewodnictwa
Pomiary przewodności cieczy pozwalają na określenie rezystancji stałoprądowej w próbce. Aby zrealizować ten pomiar, dwie obojętne elektrody umieszczone są równolegle względem siebie i zanurzone w cieczy w celu pomiaru rezystancji za pomocą przebiegu prądu zmiennego (AC). Dzięki temu procesowi można oszacować ruchliwość nośników ładunku, gęstość tych cząstek oraz stopień utlenienia elektrolitu, co umożliwia określenie m. in. stężenia badanego roztworu.
Pomiar pH
Pomiar pH opiera się na zasadzie reakcji półogniwa, która zachodzi na membranie specjalnej elektrody i jest bezpośrednio zależna od stężenia jonów H+ (jony wodorowe). Ze zmierzonej różnicy potencjałów wynika pewne napięcie, które ma liniowy związek z wartością pH w cieczy. Jednym z głównych problemów pomiaru pH jest to, że czujniki pH mają bardzo wysoką rezystancję szeregową, co narzuca wysokie wymagania dla elektronicznych układów pomiarowych.
Analiza impedancji elektrochemicznej
Analiza impedancji elektrochemicznej jest pomiarem, w którym impedancja ogniwa elektrochemicznego lub sensora jest mierzona dla całej serii różnych częstotliwości. Mierząc zależność impedancji od częstotliwości można na przykład zmierzyć zużycie czujnika i odpowiednio dostosować tor pomiarowy systemu. Problemem jest tu głównie spadek dokładności czujnika w czasie (od kilku dni do tygodni, zależnie od rodzaju wybranego sensora). Może to silnie negatywnie wpływać na ogólną dokładność wykonywanych pomiarów. Tak jest na przykład w przypadku ciągłego pomiaru stężenia glukozy we krwi (CGM). Ponieważ pomiary te mają kluczowe znaczenie dla zdrowia pacjenta, dokładność czujnika musi być ciągle monitorowana. Przykładowy obwód do pomiaru impedancji elektrochemicznej w układzie pokazano na rysunku 3 po prawej stronie.
Opisane powyżej pomiary medyczne różnią się znacznie między sobą pod względem wymagań sprzętowych i mierzonych parametrów, a zatem wymagają metod pomiaru. Oprócz tego należy przy każdym z nich dodatkowo wykonywać pomiarów temperatury, aby umożliwić kalibrację układu względem temperatury próbki. W celu uzupełnienia lub zwiększenia dokładności pomiarów, należy zastosować wiele czujników w systemie. W konstrukcji dyskretnej, wszystkie te pomiary wymagają dużej powierzchni płytki drukowanej, jako że potrzebują osobnych, dyskretnych podsystemów. Przekłada się to również na wysoki pobór mocy i zwiększony koszt urządzenia.
Obecnie na rynku poszukuje się małych, energooszczędnych i tanich rozwiązań, które można umieścić w urządzeniach elektroniki noszonej. Firma Analog Devices opracowała układ ADuCM355, dokładnie po to, by sprostać tym wymaganiom projektowym.
ADuCM355 - jeden układ do wszystkiego
Jednym z rozwiązań, które mogą łączyć wszystkie opisane powyżej pomiary, jest zastosowanie mikrokontrolera ADuCM355. Ten wysoce zintegrowany układ składa się z energooszczędnego analogowego interfejsu (AFE - analogowy front-end) i mikrokontrolera, który pełni funkcje zarówno kontrolne, jak i strzegące bezpieczeństwa, takie jak realizacja algorytmów cyklicznej kontroli nadmiarowej (CRC). Schemat blokowy z kluczowymi komponentami układu ADuCM355 pokazano na rysunku 4.
Opisywany układ kontroluje czujniki elektrochemiczne i biologiczne, przy wyjątkowo niskim zużyciu energii. Układ ten oparty jest na technologii procesora ARM® Cortex®-M3. Wyposażony jest w układy do pomiaru prądu, napięcia jak i rezystancji. Oprócz 16-bitowego wielokanałowego przetwornika ADC sukcesywnej aproksymacji o prędkości próbkowania 400 kSPS (400 tysięcy próbek na sekundę). Układ wyposażony jest w z bufory wejściowe ze zintegrowanym filtrem antyaliasingowym (AAF) i wzmacniaczem o programowalnym wzmocnieniu (PGA). Wzmacniacz transimpedancyjny (TIA) znajdujący się na wejściach prądowych ma programowalne rezystory wzmocnienia i obciążenia w celu dostosowania go do różnych typów czujników. AFE układu zawiera również wzmacniacze, które zostały specjalnie opracowane do potencjostatów do utrzymywania stałego napięcia polaryzacji względem zewnętrznego czujnika elektrochemicznego. Odpowiedni kanał wejściowy można wybrać za pomocą multipleksera wejściowego przed przetwornikiem ADC. Kanały wejściowe obejmują trzy zewnętrzne wejścia prądowe, kilka zewnętrznych wejść napięciowych oraz kanały wewnętrzne. Dwa z trzech przetworników DAC z wyjściem napięciowym to przetworniki z podwójnym wyjściem. Pierwsze wyjście tego przetwornika steruje nieodwracającym wejściem wzmacniacza potencjostatu, a drugie steruje wejściem nieodwracającym wzmacniacza transimpedancyjnego. Trzeci przetwornik cyfrowo-analogowy (czasami nazywany przetwornikiem cyfrowym o dużej prędkości) jest przeznaczony do kontroli wysokowydajnego przetwornika transimpedancyjnego do pomiarów impedancji. Zakres częstotliwości wyjściowej tego przetwornika wynosi 200 kHz. Procesor z rdzeniem ARM Cortex-M3 wyposażony jest również w elastyczny, wielokanałowy kontroler bezpośredniego dostępu do pamięci (DMA), który obsługuje dwa niezależne porty szeregowego interfejsu peryferyjnego (SPI), moduł uniwersalnego asynchronicznego odbiornika/nadajnika (UART) oraz urządzenia peryferyjne komunikacyjne I²C. W razie potrzeby można skonfigurować szereg urządzeń peryferyjnych do określonych zastosowań. Te urządzenia peryferyjne obejmują interfejsy UART, I²C, dwa porty SPI oraz porty wejścia/wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO). Porty GPIO można łączyć z uniwersalnymi zegarami w układzie, aby utworzyć wyjście impulsowe z modulacją szerokości wypełnienia (PWM).
Inne pomiary
Większość czujników dla opisanych powyżej pomiarów można obsługiwać bezpośrednio za pośrednictwem wejść układu ADuCM355. Działa to na przykład z pomiarami potencjostatycznymi, takimi jak pomiar poziomu glukozy we krwi. Natomiast dokładniejsze pomiary, takie jak przewodnictwo lub pH, wymagają przedłużonego toru sygnałowego, a zatem zewnętrznego układu, takiego jak LTC6078. Zwiększa on impedancję wejściową, aby dostosować ją do wysokiej impedancji wyjściowej czujników, a tym samym umożliwić dokładny odczyt mierzonych wartości. Oprócz poprzednio opisanych pomiarów konieczny jest tutaj pomiar temperatury, aby można było skompensować wahania pomiaru czujnika w jej funkcji. Kompletny system pomiaru pokazano na rysunku 5. Za pomocą bardziej złożonego toru sygnałowego ADuCM355 może mierzyć zarówno napięcie, jak i prąd. Z wykorzystaniem obwodu pokazanego na rysunku 5 możliwy jest pomiar impedancji w zakresie od 100 Ω do 10 MΩ. Duży zakres pomiarowy umożliwia pokrycie pełnego spektrum impedancji, jakich pomiar wymagany jest medycynie. Wysoki zakres dynamiczny pomiaru jest szczególnie ważny przy pomiarach przewodnictwa, aby można było zmierzyć różne stężenia badanych substancji.
Podsumowanie
Chociaż pomiary dla różnych cieczy wykorzystują pomiary impedancji jako podstawową metodę działania, nadal różnią się od siebie. Różne czujniki muszą być podłączone, aby rejestrować odmienne parametry badanego analitu. Aby z jednej strony uwzględnić tę wszechstronność, a jednocześnie wpisać się w rosnący trend w zakresie małych, energooszczędnych urządzeń noszonych, z drugiej strony tworzyć potrzebne na rynku inteligentne rozwiązania stworzony ADuCM355. ADuCM355 nie tylko spełnia wszystkie te wymagania, ale także przyjmuje rolę szwajcarskiego scyzoryka do pomiarów impedancji w aplikacjach medycznych. Ten układ scalony umożliwia - oprócz pomiarów płynów - także inne pomiary impedancji w tym sektorze, na przykład analizę tkanki tłuszczowej lub impedancji skóry. Ponadto, ze względu na swoją wszechstronność, może również mierzyć elektrochemicznie próbki gazowe, takie jak CO lub CO2, za pomocą odpowiednich czujników. Dzięki temu ADuCM355 jest wszechstronnym układem scalonym do rozmaitych pomiarów impedancji.
O autorze
Christoph Kammerer pracuje w oddziale firmy Analog Devices w Niemczech od lutego 2015 roku. W 2014 roku ukończył studia na Uniwersytecie Friedricha Alexandra w Erlangen, uzyskując tytuł magistra fizyki. Pracował jako stażysta w dziale rozwoju procesów w Analog Devices w Limerick w Wielkiej Brytanii. Po ukończeniu programu stażu w grudniu 2016 roku pracuje jako terenowy inżynier aplikacji w Analog Devices i specjalizuje się w nowatorskich aplikacjach. Można się z nim skontaktować pod adresem christoph.kaemmerer(_at_)analog.com
Artykuł sponsorowany
Fajne? Ranking DIY
