Für eine Studienarbeit möchte ich eine Pulsoximeter Schaltung bauen.
Dazu habe ich folgenden Schaltplan entworfen. Kann mit jemand helfen, ob das so funktionieren wird, und die Photodiode Vishay BPW34 auszulesen und sauber die DC und die verstärkte AC Komponente messen zu können?
Stand in der Aufgabenstellung, dass du keinen Lötkolben und kein Spice
verwenden darfst?
Ich vermute, dass die Simulation in diesem Fall wenig hilft. Denn man müsste die Wirkung des Lichts und des Körpers realitätsnah simulieren. Bis man das (ohne Erfahrung) fertig hat kann Monate dauern.
Ich würde es aufbauen und mit echten Bauteilen experimentieren.
Neun, die erste Stufe verwendet eine virtuelle Masse so dass der OpAmp mit einer einfachen Versorgungsspannung auskommt, die zweite bezieht sich auf GND und bräuchte einen OpAmp der mit positiver und negativer Versorgung läuft. Ausserdem ist der OpAmp nicht als gain Verstärker beschaltet.
Herzlichen Dank schonmal für die Antworten!
Ich habe auch schon einiges im Netz gelesen und den Aufbau probiert, aberso ganz funktioniert es noch nicht. Der Knackpunkt ist, dass auch das Messsignal recht wackelig ist, so dass ich gerne eine robuste SChaltung hätte, damit ich mich um das optische SIgnal kümmern kann. (Bin ja für die biologische Seite dran, aber ich möchte die Elektronik trotzdem ein wenig verstehen):
Ich habe jetzt den Schaltplan überarbeitet und angehängt. Freue mich auf Euren kritischen Blick :-).
ch habe jetzt den Schaltplan überarbeitet und angehängt. Freue mich auf
Euren kritischen Blick :-).
Sieht auf den ersten Blick ok aus.
Auf den zweiten Blick fehlt noch die Betriebsspannungabblockung.
Ob der HP mit reichlich 1Hz nicht etwas zu hochpassig ist, müsste vielleicht auch nochmal geschaut werden. Aber grundsätzlich müsste das so schon funktionieren ...
Du erzeugst die 2,5V mit einem 10 kOhm Spannungsteiler. Ok.
Der Innenwiderstand ist somit 5KOhm.
Aber dann passt Dein Rg2 mit 1 kOhm nicht den Du aus diesen 2,5V speist.
Das ist deutlich zu niederohmig und wird die 2,5V merklich beeinflussen.
Der Strom, der die künstliche Masse verschiebt, kommt aus 51KOhm, nicht aus 1KOhm. Der OPV-Ausgang ist die Quelle, nicht der invertierende Eingang. Die maximale Verschiebung ist also <10%.
Oder den negativen Eingang des zweiten OP-AMP nicht an den Spannungsteiler hängen, sondern an einen Kondensator. Dann passt sich sein Ruhepegel automatisch an die Mitte an, einschließlich Offset und Drift.
Die BPW34 als Photodiode dürfte reichlich unpassend sein, weil Du ja 2 Wellenlängen messen musst, die des sauerstoffreichen Teils und die des weniger sauerstoffhaltigen Teils des Hämoglobins. Damit Fremdlicht nicht stört brauchst Du entweder Filter oder Photodioden mit entsprechendem selektiven Eigenschaften.
Ja. Dann darf man es aber mit dem Tiefpassfilter nicht übertreiben,
sonst ist nix mehr mit demodulieren.
Der Bandpass für das Modulationssignal muss schmal sein und auf die Modulationsfrequenz abgestimm sein. Mit dem Tiefpass hat das nichts zu tun.
Das Tiefpassfilter für das Nutzsignal muss natürlich HINTER dem Demodulator/Gleichrichter sitzen.
Ja. Dann darf man es aber mit dem Tiefpassfilter nicht übertreiben,
sonst ist nix mehr mit demodulieren.
Der Bandpass für das Modulationssignal muss schmal sein und auf die
Modulationsfrequenz abgestimm sein. Mit dem Tiefpass hat das nichts zu
tun.
Das Tiefpassfilter für das Nutzsignal muss natürlich HINTER dem
Demodulator/Gleichrichter sitzen.
Im Schema oben ist aber ein Tiefpass mit 39 kOhm und 100 µF direkt zwischen TIA und Gain-Stufe. Der dürfte in der Form jegliche Modulation wegbügeln.
Sagen wir man möchte mit nem digitalen Lock-In arbeiten, dann müsste man diesen Tiefpass in der Frequenz deutlich verschieben, so dass er nur noch als Anti-Aliasing-Filter für den ADC wirkt. Das Demodulieren und Filtern des Nutzsignals macht man dann digital.
Im Schema oben ist aber ein Tiefpass mit 39 kOhm und 100 µF direkt
zwischen TIA und Gain-Stufe. Der dürfte in der Form jegliche Modulation
wegbügeln.
Da kann man sich noch streiten, ob das im Schaltplan oben "uF" oder "nF" heißt. In jedem Fall fehlt für moduliertes Licht der Demodulator. Dafür würde der Schaltplan anders aussehen.
Die BPW34 als Photodiode dürfte reichlich unpassend sein, weil Du ja 2
Wellenlängen messen musst, die des sauerstoffreichen Teils und die des
weniger sauerstoffhaltigen Teils des Hämoglobins.
Es gibt gar keine wirklich schmalbandigen Photodioden. Selbst eine IR-Photodiode, wie die SFH 203 FA, bei der das Gehäuse als IR-Filter dient, besitzt noch eine Bandbreite von 350 nm. Für ein Pulsoximeter läge deren Filterkante mit 750 nm allerdings zu hoch.
Interessantes Thema, man bekommt glatt Lust, sowas auch mal zu bauen.
Aber, ganz andere Frage: Wenn man selber gesund ist und auch niemand wirklich kranken in seiner Umgebung hat: wie testet man so ein Ding?
Sprich: wo bekomme ich einen Finger mit geringer O2-Sättigung her (ohne ein Verbrechen zu begehen)?
Aber, ganz andere Frage: Wenn man selber gesund ist und auch niemand
wirklich kranken in seiner Umgebung hat: wie testet man so ein Ding?
Sprich: wo bekomme ich einen Finger mit geringer O2-Sättigung her (ohne
ein Verbrechen zu begehen)?
Da der O₂ Level indirekt ermittelt wird, testet man auch indirekt, sprich man misst die Farbe des Blutes und die kann man zu Testzwecken bspw. mit Nagellack "verändern".
Sprich: wo bekomme ich einen Finger mit geringer O2-Sättigung her?
Einfach mal versuchen so lange wie möglich die Luft anzuhalten. Damit habe ich eine Blutzsauerstoffsättigung von nur 87% geschafft! Du brauchst keine Angst zu haben, irgendwann kommt automatisch der Atemreflex durch.
Die Blutsauerstoffsättigung eines gesunden Menschen beträgt in der Ruheposition 96% bis 98%! Bei Bewegung an der frischen Luft können es auch schon mal 99% werden.
Sprich: wo bekomme ich einen Finger mit geringer O2-Sättigung her?
Einfach mal versuchen so lange wie möglich die Luft anzuhalten. Damit
habe ich eine Blutzsauerstoffsättigung von nur 87% geschafft! Du
brauchst keine Angst zu haben, irgendwann kommt automatisch der
Atemreflex durch.
Doch bei solchen Spielchen mit dem Atemstillstan sollte man schon Angst haben, auch der Atemreflex lässt sich durch Training unterdrücken oder kommt zu spät. Siehe bspw. die Todesnachrichten unter Apnoe-Tauchern.
Um richtige Werte zu ermitteln kommt an an klinische tests nicht vorbei. Aber für "Spielzeug" braucht man sowas nicht.
Gerade bei "Nicht-Weissen" liegt die Schätzung der Sauerstoffsättigung
durch ein Spektralphotometer daneben:
Der Sensor liegt nicht daneben, sondern er ist falsch kalibriert. Die Filterwirkung durch die Pigmente in der Haut muss man bei der Auswertung selbstverständlich berücksichtigen.
Ohne passende Kalibrierung gilt: Garbage in - Garbage out.
Gerade bei "Nicht-Weissen" liegt die Schätzung der Sauerstoffsättigung
durch ein Spektralphotometer daneben:
Der Sensor liegt nicht daneben, sondern er ist falsch kalibriert. Die
Filterwirkung durch die Pigmente in der Haut muss man bei der Auswertung
selbstverständlich berücksichtigen.
Das ist ne indirekte Messung, da kann man IMHO nicht von Kalibrierung sprechen, eher von "Auswahl der weniger unpassenden Kennlinie 'Farbe = f(O₂-Sättigung)'". Bei der Pulsoxymetrie wird die Sauerstoffsättigung durch Messung der Lichtabsorption bei Durchleuchtung beispielsweise eines Fingers abgeschätzt.
Die Farbe (Photospektroskopie) korrelliert zwar stark, aber auch nur begrenzt mit der tatsächlichen O₂-Sättigung. Bspw. beim Afrikanischen Phänotyp müsste man fallweise auch noch eine möglich Sichelzellanämie in die Auswahl der Schätzkennlinie in Betracht ziehen.
Und auch die Benutzung von Nagellack oder falschen Nägeln kann die Messung verfälschen. Da muss man erst den Lack abkratzen um die tatsächlichen inneren Werte zu ermitteln ;-)
Das ist ne indirekte Messung, da kann man IMHO nicht von Kalibrierung
sprechen, ...
Dann nenne es Parametrierung des Auswertealgorithmus.
Die Meßmethode ist ein differentielles Verfahren und setzt die Transmission bei den beiden Wellenlängen ins Verhältnis. Daraus wird anhand der unterschiedlichen Absorption von mit Sauerstoff beladenem und unbeladenem Hämoglobin die Sättigung berechnet. Da die Transmission der Haut und damit das Absorptionsspektrum von hauptsächlich Eumelanin in das Verhältnis eingeht, funktioniert das nur optimal bei Berücksichtigung der Hautpigmentierung. Wenn man das vernachlässigt, kommt es eben zu den beschriebenen Abweichungen.
... abgeschätzt.
Wenn du mit einem Quecksilberthermometer die Temperatur misst, bestimmst du auch nur die Länge des Quecksilberfadens. Würdest du das ebenfalls als abschätzen bezeichnen?
Schonmal vielen Dank für die vielen hilfreichen Antworten. Ein par Beaobachtungen dazu.
Es funktioniert mit der "billigen" radialen Photodiode ganz gut (das Pulssignal vor und nach Tiefpass ist deutlich zu erkennen (hier IR).
MIt der BPW34 geht es auch, aber nur bei Abdunklung und mit deutlich schlechterem Signa/Rausch Verhältnis
Die Verstärkerstufe mit Rg=10kOhm und RF=47kOhm verstärkt um ca 50%, aber nciht um den Faktor 5.
Letzteres Verstehe ich noch nicht, da kann ich noch Hilfe gebrauchen (zweites Bild)
Hintergrund ist, dass ich die größe der Pulsmodulation mit einem 10bit AD Wandler messen Will und daher mal mindestens 50mV besser 100mV Signal benötige
Wenn du mit einem Quecksilberthermometer die Temperatur misst, bestimmst
du auch nur die Länge des Quecksilberfadens. Würdest du das ebenfalls
als abschätzen bezeichnen?
Hm, also das Stichwort hier ist "indirekte Messung".
Aus meiner Sicht, geht es hier um die Ermittlung der chemischen Zusammensatzung des Blutes, konkret wieviel möglichen Sauerstoffatome in dem Hämoglobelin-Molekül gebunden sind. Das soll anhand der Farbe ermittelt werden (Und nicht mit Methoden der Chemischen Labor-Analytik).
Das ist in meinen Augen vergleichbar mit der Bestimmung des Goldgehaltes von Schmuckstücken allein durch Betrachtung der Farbe. Farbvergleich ist aber äußerst trügerisch, nicht nur wegen möglicher Galvanisierter Schichten sondern auch wenn den verschiedenen Legierungskomponenten:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/48/Ag-Au-Cu-colours-german.svg
Hinzu kommen da noch kulturelle Bewertung, was in Osteuropa Rotgold wurde in .de als kupfer-farbend bezeichnet.
Oben wurde vorgeschlagen eine Blutprobe mit definierten Sauerstoffgehalt zum Test der Messgerätes zu verwenden. Das ist IMHO da indirekte Messung unnötig, es genügt 'ne Farbtabelle.
Ein weiterer Unterschied zu einem Messinstrument ist bei einem Pulsoxymeter der geringe praktische Wertebereich. Da zeigt ein Konsumergerät eigentlich nur "98%" oder "97%" oder "96%", also ganze drei Werte. Das reicht dem Hausarzt/Notfallsanitäter auch völlig, der will nur wissen ob der Wert unter 95% liegt oder nicht. Für eine Leistungsdiagnostik beim Sporttraining sind diese wenigen Werte keine Basis.
Bei einer Thermometermessung dagegen, hat man etliche Zenhelgrad bestimmt, so von 36,5 bis 38,0. Das "fühlt" sich schon als Gesunder mehr nach einer "quantitativen Messung" an (16 Messwerte). Und als Elektroniker ist man auch von einem billigen Multimetter mehrere gültige Stellen über etliche Messbereich gewöhnt.
Deshalb bin ich persönlich äusserst skeptisch, wenn jemand meint, man könne mit Pulsoxymetern aus dem Konsumerhandel am Zeigefinger die Sauerstoffsättigung "messen". IMHO ist es eher ein Indikator für Sauerstoffunterversorgung, mehr nicht.
Farbvergleich ist aber äußerst trügerisch, nicht nur wegen möglicher
Galvanisierter Schichten ...
Genau so eine Schicht stellt die Hautpigmentierung dar und wenn man die als Unsicherheitsfaktor belässt und deren Einfluss nicht in der Auswertung berücksichtigt, ist es eben so und man muss damit leben.
Das ist genau wie bei Gold, wenn man nicht auf Oberflächenbeschichtung prüft (z.B. per Röntgenflureszenzanalyse).
Aus dem Grund macht es keinen Sinn, bei Pulsoxymetern, die dies nicht berücksichtigen, in der Anzeige irgendwelche gewürfelten Hausnummern (aka Nachkommastellen weit jenseits der dadurch bedingten Messungenauigkeit) anzuzeigen.
Bei einer Thermometermessung dagegen, hat man etliche Zenhelgrad
bestimmt, so von 36,5 bis 38,0. Das "fühlt" sich schon als Gesunder mehr
nach einer "quantitativen Messung" an (16 Messwerte).
Die Auflösung der Anzeige schützt nicht vor systematischen Fehlern, weil z.B. bei der Skala die Elastizität des Thermometerkörpers und damit der Einfluss des Luftdrucks nicht berücksichtig ist. Was meinst du, warum Quecksilberthermometer nicht mit Silikonschlauch gebaut werden - dann würden sie nicht zerbrechen ;-)
pulse.jpg
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