diseño de un equipo para la medida de la impedancia de la piel
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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
Diseñ o de uñ equipo para la medida de la impedañcia de la piel
David Camilo Arce Zamudio Asesor: Fredy Enrique Segura Quijano
24 de Noviembre de 2013
Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
1
Contenido
1 Introducción .......................................................................................................................................... 3
2 Marco teórico ........................................................................................................................................ 4
2.1 Antecedentes internos .................................................................................................................. 4
2.2 Antecedentes externos ................................................................................................................. 4
2.3 Conceptos de impedancia ............................................................................................................. 5
2.4 Métodos de medida de impedancia ............................................................................................. 5
2.4.1 Puente Auto-balanceado ...................................................................................................... 6
2.5 Impedancia de la Piel .................................................................................................................... 7
3 Objetivos ............................................................................................................................................... 8
3.1 Objetivos generales....................................................................................................................... 8
3.2 Objetivos específicos .................................................................................................................... 8
4 Metodología .......................................................................................................................................... 8
5 Topologías Estudiadas ........................................................................................................................... 9
5.1 Generador de señales ................................................................................................................... 9
5.2 Demodulador .............................................................................................................................. 10
5.2.1 Demodulación síncrona ...................................................................................................... 10
5.2.2 Demodulación síncrona basada en cambio de signo .......................................................... 11
6 Diseño medidor de Impedancia de la piel .......................................................................................... 12
6.1 Diagrama de Bloques .................................................................................................................. 13
6.1.1 Generador de señales en cuadratura ................................................................................. 13
6.1.2 Amplificador de transconductancia .................................................................................... 14
6.1.3 Amplificador Diferencial ..................................................................................................... 15
6.1.4 Demodulador ...................................................................................................................... 16
6.1.5 Procesamiento y transmisión de datos ............................................................................... 17
7 Diseño Circuito impreso Generador de señales .................................................................................. 18
8 Discusión ............................................................................................................................................. 20
9 Referencias .......................................................................................................................................... 21
10 Apéndices ........................................................................................................................................ 22
10.1 Pruebas propuestas generador de señales. ................................................................................ 22
2
10.2 Pruebas validación OTA .............................................................................................................. 23
Tabla de Ilustraciones Figura 1. Impedancia (Z)................................................................................................................................ 5
Figura 2. Puente Autobalanceado. [1] .......................................................................................................... 6
Figura 3. Circuito equivalente impedancia de la piel.[10][8] ........................................................................ 8
Figura 4. Modelo conceptual de un sistema de medición de bioimpedancia. [2] ........................................ 9
Figura 5. Diagrama conceptual DDS ............................................................................................................ 10
Figura 6. Demodulación coherente o síncrona. [2][6][7] ............................................................................ 10
Figura 7. Demodulación Coherente o Síncrona basada en cambio de signo [2] ........................................ 11
Figura 8. Impedancia vs Frecuencia. [12] .................................................................................................... 12
Figura 9. Diagrama Conceptual solución propuesta. .................................................................................. 13
Figura 10. OTA en modo amplificación de corriente. [15] .......................................................................... 15
Figura 11. Digrama conexión OTA ............................................................................................................... 15
Figura 12. AD830 en configuración de amplificador diferencial ganancia unitaria. ................................... 15
Figura 13. Diagrama Conexión AD830 ........................................................................................................ 16
Figura 14. Diagrama [13] ............................................................................................................................. 16
Figura 15. Diagrama de Bloques Funcional AD539. [14] ............................................................................. 17
Figura 16. Circuito Multiplicación Análoga. ................................................................................................ 17
Figura 17. Cara inferior circuito impreso .................................................................................................... 19
Figura 18. Cara superior circuito impreso. .................................................................................................. 19
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Diseñ o de uñ equipo para la medida de la impedañcia de la piel
1 Introducción
La impedancia es un parámetro importante de los circuitos electrónicos, así como de
diferentes materiales y componentes, que permiten conocer las características de estos. Con
esto, existe la necesidad de crear equipos capaces de realizar medidas de impedancia para
diferentes aplicaciones. Dentro de las labores que adelanta el CMUA (Centro de
Microelectrónica de la Universidad de los Andes), se encuentra una línea de trabajo en la cual
se realizan sensores para diferentes tipos de aplicaciones. Para el estudio de los diferentes tipos
de sensores fabricados, es necesario tener el equipo de medida apropiado para su validación
como es un medidor de impedancias o un analizador de redes (VNA). Para realizar la medición
de la impedancia en general, la universidad cuenta con un analizador de redes (VNA), pero que
si bien realiza la tarea de manera apropiada, resulta algo robusto y sobredimensionado para
una aplicación donde el tamaño y costo son requerimientos esenciales. Con esto, se hace
necesario el diseño y la implementación de un equipo electrónico con el cual se puedan realizar
las mediciones necesarias a este tipo de sensores.
Por otro lado, también se trabaja en el desarrollo de equipos para la medida de otro tipo
de aplicaciones, como la medida de la bioimpedancia, que se refiere a medir la impedancia de
una muestra biológica. El poder realizar mediciones de bioimpedancia en los seres humanos,
permite conocer características de la composición del cuerpo, como la cantidad de agua
corporal, lo cual es un indicativo del estado de salud de una persona ya que permite conocer su
estado nutricional [5], además de conocer el estado de los diferentes tejidos en el cuerpo. Con
esto, el objetivo de este proyecto de grado consiste en realizar el diseño e implementación de
un equipo de medida que permita conocer la impedancia de la piel, para finalmente hacer
pruebas de validación sobre personas bajo diferentes condiciones.
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2 Marco teórico
2.1 Antecedentes internos
El diseño y la implementación de este tipo de equipo para la medición de sensores no es
algo nuevo dentro del CMUA. Ya se han hecho algunos trabajos, buscando una aproximación de
prototipo para la implementación de un equipo de medida, entre los cuales se encuentran los
proyectos de grado de Jessica Montaño y Diego Roa, los cuales trabajan una topología inicial.
En el primer semestre de 2011 la tesis de pregrado de Jessica Montaño se centró en el
diseño de un equipo para la medida de impedancias a partir de componentes discretos. En este
trabajo no se logró una integración entre las diferentes partes del diseño del equipo de medida,
pero se llegó a realizar la generación de la onda de excitación requerida para la medida de la
impedancia, así como el circuito de medición a partir de amplificadores operacionales.
Por otro lado, en el primer semestre de 2012 el trabajo de grado de Diego Roa concluyó
con la implementación de un equipo de medida de impedancia, pero solamente en el rango de
kHz.
2.2 Antecedentes externos
Son pocos los trabajos sobre medición de impedancia en el caso de sensores. En general,
este tipo de medidas se lleva a cabo por VNA como se comentó anteriormente, el cual es un
equipo costoso para lo que realmente se requiere medir. Entre las pocas referencias
encontradas, en [1] se presenta la medida de impedancia por medio de un arreglo de
electrodos interdigitados, para un detector de biocapas sobre la superficie de micro-electrodos.
En cuanto a otro tipo de mediciones de impedancia se pueden encontrar numerosas
referencias, dependiendo del caso de aplicación. Para el interés de este proyecto, en el cual se
quiere implementar un instrumento capaz de medir la impedancia de piel, se tienen varias
referencias que serán tenidas en cuenta para el desarrollo del proyecto. En [5] se hace una
validación de las mediciones de bioimpedancia sobre un total de 29 personas como estimador
de la cantidad de agua corporal, comparando los resultados obtenidos con la determinación del
agua corporal por otros métodos. Se muestra además una discusión sobre la influencia que
tiene la ubicación de los electrodos en el sistema de medida. Por otro lado, en [4] se habla de la
aplicación del muestreo síncrono al proceso de demodulación que se lleva a cabo para hacer la
lectura de la bioimpedancia (parte real y parte imaginaria), con el objetivo de evitar la
demodulación de manera análoga. Finalmente, en [1] se desarrolla una tesis de doctorado cuyo
objetivo consistió en el desarrollo de una sonda para la medida de la bioimpedancia de tejidos
vivientes, con lo cual se podría monitorear heridas isquémicas en aplicaciones como cirugías al
corazón.
5
2.3 Conceptos de impedancia La impedancia (Z) se define como la oposición que ejerce un circuito, aparato u objeto al paso de
una corriente alterna a una frecuencia dada. Se representa como un número complejo
donde la parte real R corresponde a la resistencia, mientras que la parte imaginaria X corresponde a la
reactancia. De igual manera, debido a que es una cantidad compleja se puede representar de forma
polar (magnitud y fase) de la siguiente manera: con √ y
. La
reactancia puede ser de naturaleza inductiva o capacitiva ( , respectivamente), y por definición se
tiene que y
, con donde es la frecuencia de estudio. En la Figura 1 se peude
apreciar gráficamente la impedancia en el plano complejo. [1]
Figura 1. Impedancia (Z).
La medida de la impedancia es algo a lo cual se debe prestar bastante atención según la aplicación
que se requiera, y se debe escoger el método de medida más apropiado según las especificaciones y
características propias de cada aplicación. En general, los instrumentos para la medida de impedancia
miden la parte real y la parte imaginaria de esta, para luego convertir al parámetro deseado
( . La medición incorrecta de este parámetro puede resultar grave según el campo
de aplicación, por ejemplo en aplicaciones médicas donde un mal diagnóstico entregado a partir de una
medida de bioimpedancia puede resultar fatal. Los rangos de medida de los diferentes instrumentos, así
como su exactitud y precisión dependen de ciertas variables que deben ser tenidas en cuenta a la hora
de realizar una medida: Respuesta en frecuencia, amplitud de la señal aplicada, temperatura, humedad,
vibraciones, campos magnéticos, luz, vibraciones, entre otros. [1]
2.4 Métodos de medida de impedancia Según la aplicación para la que se requiera realizar una medida de impedancia, existen métodos
que pueden resultar más adecuados que otros, según las ventajas y desventajas que ofrecen y que más
se adapten a la aplicación requerida. En la Tabla 1 se exponen los métodos 6 métodos más comunes
6
para medición de impedancia, nombrando sus principales ventajas y desventajas así como su rango de
operación.
Para la aplicación de medida de impedancia que refiere a este proyecto, en el cual se medirá la
impedancia de la piel, el método más apropiado resulta ser el del puente auto balanceado puesto que
presenta las mejores características para el rango de medición que se necesita (hasta 1MHz). [1]
Tabla 1. Métodos comunes de medición de Impedancia [1]
2.4.1 Puente Auto-balanceado
Figura 2. Puente Autobalanceado. [1]
Ventajas Desventajas Rango de Frecuencia Aplicaciones comunes
Puente -Alta precisión
-Amplio ancho de banda
-Bajo costo
-Necesita ser balanceado manualmente
-Cobertura de frecuencia reducida con
un solo instrumento
DC a 300MHz Laboratorio estándar
Resonante -Buena precisión de Q (factor de
calidad) con Q altos
-Debe ser sintonizado en resonancia
-Baja pecisión de la medida de
impedancia
10kHz a 70MHz Medición de Q altos
I-V -Medición de equipo aterrizado
-Se puede usar para pruebas
patrón
Frecuencia de operación limitado por
transformador usado en la sonda10kHz a 100MHz
Medida componentes
aterrizados
RF I-V -Alta Precisión
-Amplio rango de ipedancias
para frecuencias altas
Frecuencia de operación limitado por
transformador usado la prueba1MHz a 3GHz
Medición de
componentes RF
Análisis de Red
-Alto rango de frecuencia
-Alta precisión cuando la
frecuencia desconocida es
cercana a la impedancia
característica
-Recalibración requerida cuando la
frecuencia de medida se cambiaPor encima de 300kHz
Medición de
componentes RF
Puente Auto
Balanceado
-Amplia cobertura de
frecuencia (LF a HF)
-Alta precisión para un amplio
rango de impedancia
-Medición de equipo aterrizado
-Rangos de frecuencias más altos no son
posibles.20Hz a 110 MHz
Medición de
componentes genéricos
Métodos de Medición de Impedancia
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El rango de operación del puente auto balanceado se extiende hasta los 110MHz. Para medir la
impedancia desconocida, éste método mide la corriente y el voltaje , que se muestran en la Figura
2. Debido a la configuración que se tiene con el amplificador operacional, el voltaje es 0V en el nodo
donde llega la corriente y sale la corriente (una tierra virtual). Con esto se tiene que y el
voltaje a la salida del amplificador operacional será proporcional a esta corriente y a la resistencia R
. De esta manera si se miden los voltajes , se puede determinar el valor de la
impedancia desconocida:
2.5 Impedancia de la Piel La medida de la bioimpedancia eléctrica permite obtener información valiosa de tejidos, que resultan
útiles a la hora de determinar el buen funcionamiento de estos. De la medida de la bioimpedancia se
puede obtener parámetros tales como el contenido de agua del tejido así como su contenido graso. Uno
de los tejidos que permite realizar este tipo de mediciones es la piel, con la cual se pueden realizar
estudios de una manera no invasiva. En la Figura 3 se muestra un circuito equivalente para la
impedancia de la piel que fue propuesto inicialmente en [10]. Con , y
donde
se relaciona con la dimensión fractal de la piel, se puede obtener: [8][10]
[ ][ ]
[ ][ ]
8
Figura 3. Circuito equivalente impedancia de la piel.[10][8]
3 Objetivos
3.1 Objetivos generales
Realizar el diseño y la implementación de un equipo electrónico para la medida de la
impedancia la piel.
3.2 Objetivos específicos
Diseñar un equipo para la medida de la impedancia de la piel
Implementación del equipo diseñado.
Validación del equipo.
4 Metodología La realización de este proyecto de grado está dividida en 3 grandes Tareas. La primera de ellas es el
diseño de un equipo que esté en la capacidad de medir la impedancia de la piel. Para ello primero se
hizo una revisión bibliográfica de los conceptos básicos de la medida de impedancia en general, para
luego enfocarse en la impedancia de la piel. Seguido a esto, se revisaron diferentes topologías para
llevar a cabo la medición de la impedancia de la piel, y en base a esta realizar el diseño.
La segunda gran tarea a desarrollar durante el proyecto es la construcción del instrumento antes
diseñado. Esta etapa incluye la realización de pruebas para cada parte del diseño propuesto con el
objetivo de comprobar su funcionamiento. Además se diseñará un circuito impreso que será parte del
producto final.
La última tarea a realizar es la validación del instrumento de medida de impedancia de la piel.
9
5 Topologías Estudiadas
En la Figura 4 se muestra el modelo conceptual que se tendrá en cuenta para llevar a cabo el
diseño, propuesto en la tesis doctoral en [2]. Como se puede observar allí, el modelo cuenta con dos
grandes bloques: Acondicionamiento de la señal y Analizador de ganancia/fase. El primero de ellos
incluye el bloque de generación de la señal a diferentes frecuencias que se le va a aplicar a la
impedancia en estudio (la piel), además de la obtener las señales de voltaje equivalentes al voltaje y
corriente de la impedancia desconocida. Por otro lado, el segundo bloque incluye el control y la
demodulación de las señales de voltaje que contienen la información de la impedancia en estudio. A
continuación, se mostrarán las topologías tenidas en cuenta para cada bloque.
Figura 4. Modelo conceptual de un sistema de medición de bioimpedancia. [2]
5.1 Generador de señales Este bloque se encarga de generar una señal sinusoidal a una frecuencia conocida, y variable para
poder llevar a cabo el estudio de la impedancia de la piel en un rango de 20Hz a 1MHz. Para este bloque,
se tuvieron en cuenta varias configuraciones, las cuales se dictan a continuación:
Puente de Wien: Es un oscilador basado en un amplificador operacional, resistencias y capacitancias.
Según el valor de las resistencias y capacitancias se cambia el valor de la frecuencia de la señal sinusoidal
generada. Debido a que la aplicación requiere de un generador de señales multifrecuencia, este
oscilador no es viable implementarlo puesto que el valor de su frecuencia de operación depende de
componentes discretos.
Filtrar onda cuadrada: Generando un reloj con frecuencia variable, se puede obtener una señal seno si
se filtra su armónico fundamental. El problema de esta configuración reside en el diseño de los filtros
para cada una de las frecuencias que se tienen que generar.
10
Direct Digital Synthesis (DDS): Es el más apropiado para la aplicación deseada puesto que ofrece un
amplio rango de frecuencia de trabajo, además de que la variación de la frecuencia no depende de
componentes discretos y se puede hacer a partir de un micro-controlador. En la Figura 5 se muestra el
diagrama conceptual del funcionamiento del DDS.
Figura 5. Diagrama conceptual DDS
5.2 Demodulador El demodulador es otro de los bloques fundamentales del medidor de impedancia de la piel ya
que es el que entrega la información de la parte real y la parte imaginaria de la impedancia a partir de la
medida de corriente y voltaje. Para este bloque se tuvieron en cuenta 2 configuraciones: Demodulación
síncrona y demodulación síncrona basada en cambio de signo.
5.2.1 Demodulación síncrona
Figura 6. Demodulación coherente o síncrona. [2][6][7]
La demodulación síncrona o coherente es un método de modulación que propone que se puede
recuperar una señal en banda base si se multiplica esta señal con una onda sinusoidal de la misma
frecuencia y fase de la portadora, que en este caso resulta ser la onda sinusoidal que entrega el
generador de señales. Si luego se pasa la señal por un filtro pasa bajos, se obtiene un valor proporcional
a la amplitud y fase de la señal en banda base. Aplicado esto al medidor de impedancia, al hacer la
detección coherente con una señal en fase y en cuadratura, a la salida de los filtros que se muestra en la
11
Figura 6 se obtiene un valor proporcional a la resistencia y a la reactancia, respectivamente.
[6][7]Matemáticamente se tiene lo siguiente:
(
)
Ahora bien, al hacer pasar esta señal por un filtro pasabajos, el primer término dentro del
paréntesis, por estar al dobe de la frecuencia , es eliminado, con lo cual la salida queda dada por:
De manera similar, para la señal a la salida del filtro se obtiene:
Con esto, se obtiene un valor proporcional a la reactancia y a la resistencia, que se pueden obtener si se
tiene el valor de la corriente.
5.2.2 Demodulación síncrona basada en cambio de signo
Figura 7. Demodulación Coherente o Síncrona basada en cambio de signo [2]
12
El demodulador coherente a basado en cambio signo funciona a manera de rectificador, obteniendo un
valor ‘DC’ a cada salida, que es proporcional a la reactancia por un lado y a la resistencia por el otro. En
la Figura 7 se muestra el caso para cuando la impedancia desconocida es puramente resistiva. [2]
Debido a que esta demodulación requiere de interruptores, esto limita la frecuencia de operación del
demodulador, por lo cual para el diseño del instrumento de medida de impedancia de la piel se prefiere
trabajar con la demodulación síncrona que se expuso anteriormente.
6 Diseño medidor de Impedancia de la piel Para realizar el diseño del medidor de impedancias se tuvo en cuentas varios factores. En primer lugar,
se restringió el rango de medida de impedancia de la piel, desde 1Hz hasta 1 MHz. Más allá de este
punto, la impedancia en la piel no cambia de manera significativa. Ahora bien, para este rango de
frecuencias, en [12] se muestra un estudio de la impedancia de la piel para 24 individuos, en el que a
una frecuencia de 1Hz la magnitud de la impedancia varía entre 10k y 1M , mientras que a 1 MHz la
impedancia varía entre 100 y 500 aproximadamente (ver Figura 8).
Otro parámetro importante a tener en cuenta en la medición de la bio-impedancia eléctrica de la piel, es
la magnitud de la corriente a aplicar en la ella. Debido a que la magnitud de la corriente puede modificar
la medida de la bio-impedancia, se debe escoger corrientes pequeñas [12]. En el estudio realizado en
[12], se toman corrientes de 10uA para frecuencias inferiores a 10kHz, mientras que para frecuencias
superiores la corriente propuesta es de 100uA. Estos valores se toman como referencia para el equipo a
fabricar.
Figura 8. Impedancia vs Frecuencia. [12]
13
6.1 Diagrama de Bloques Basado en el diagrama mostrado en la Figura 4, se plantea el diagrama conceptual de la solución
propuesta que se muestra en la Figura 9. Cabe resaltar que sólo se hará la medida del voltaje en la piel,
puesto que se parte del hecho que se aplicará una corriente de magnitud constante con lo cual no se
hace necesario hacer la medición de la corriente a través de la piel (a través del lazo la corriente no
cambia). A continuación se explicará de manera detallada los bloques, así como la solución tecnológica
escogida para cada uno.
Figura 9. Diagrama Conceptual solución propuesta.
6.1.1 Generador de señales en cuadratura
Este bloque se encarga de generar una señal sinusoidal de frecuencia variable, entre 1Hz y 1MHz.
Además será utilizado para realizar la demodulación síncrona que permite obtener la parte real y la
parte imaginaria de la impedancia. Para realizar este proceso se requiere una señal en cuadratura
(desfase de 90°) con la señal que fue aplicada inicialmente a la piel. Con esto, se quiere que el bloque
genere las dos señales antes mencionadas.
Anteriormente se había comentado acerca del tipo de generador de señales más apropiado para esta
aplicación, que resultaba ser un DDS (Direct Digital Synthesis). Ahora bien, se buscó entre los
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generadores de este tipo que son ofrecidos por la empresa Analog Devices, con lo cual se encontró la
referencia AD9854 como la más apropiada para la aplicación, principalmente porque cuenta con 2
salidas de una señal sinusoidal, y entre ellas se encuentra un desfase de 90° lo cual es perfecto para
utilizar en el bloque de demodulación. [13]
Entre las principales características de este generador, aparte de las ya mencionadas, se encuentra:
2 DAC de 12 bits de resolución (fase y cuadratura). Con esto, se pueden generar señales hasta
de 150MHz, lo cual es suficiente para la aplicación de la medida de la impedancia de la piel.
System Clock hasta de 300MHz (se puede obtener una alta resolución a la salida de los DAC)
Multiplicador interno del reloj, de 4x a 20x.
Debido a que la salida está dada por un DAC, la corriente de salida tiene componentes de alta
frecuencia, que dependen de la señal de reloj con la que trabaja el chip, que deben ser eliminados para
que no afecten las medidas de impedancia que se quieren realizar. Con esto, se debe contar con un
filtro pasa bajas a la salida del generador, tal y como se muestra en la Figura 9. Ahora bien, según la hoja
de datos del fabricante, la amplitud de la salida, tanto en fase como en cuadratura, puede variar entre
5mA y 20mA con el ajuste de una resistencia externa. Las corrientes con las cuales se desea trabajar son
mucho menores a estos valores, por lo cual se plantea el uso de un amplificador de transconductancia
(OTA), que funciona como una fuente de corriente controlada por voltaje. Así, se define una corriente a
trabajar con el generador, y conectando una resistencia a tierra a la salida se obtiene una señal de
voltaje proporcional, que será el voltaje de control del OTA. Ajustando la ganancia del OTA se puede
obtener la corriente en la magnitud necesaria para la aplicación.
Entre los modos de operación con el que cuenta el generador, está la programación de una frecuencia
simple. Se escogió este modo de operación, e ir programando en línea el generador para cambiar la
frecuencia de este y hacer el barrido completo de las frecuencias de trabajo establecidas para la
aplicación.
6.1.2 Amplificador de transconductancia
Con este bloque se pretende obtener las frecuencias aptas de trabajo para la aplicación de la medición
de la impedancia en la piel. Entre los amplificadores consultados, se escogió el OPA 860 de Texas
Instruments. Este amplificador cuenta con un amplio ancho de banda (80MHz). En la hoja de datos
proporcionada por el fabricante, se encuentra propuestas configuraciones de modo de corriente, con la
cual se encuentra que la más apta para la aplicación es la de amplificación de corriente que se muestra
en la Figura 10. La relación entre está dada por
. [15]
15
Figura 10. OTA en modo amplificación de corriente. [15]
Figura 11. Digrama conexión OTA
6.1.3 Amplificador Diferencial
Debido a que la señal de voltaje es diferencial, se requiere un amplificador diferencial para obtener una
señal de voltaje proporcional. Este amplificador debe tener un ancho de banda lo suficientemente
amplio para poder trabajar en las frecuencias de operación de la aplicación, que van hasta 1 MHz. Con
esto, se escogió el amplificador diferencial AD830 de Analog Devices, que cuenta con un ancho de banda
de 85MHz con ganancia unitaria. Además posee un alto rechazo en modo común hasta 4MHZ (60dB). En
la Figura 12 y la Figura 13 se muestra el diagrama de conexión y la configuración para el chip.
Figura 12. AD830 en configuración de amplificador diferencial ganancia unitaria.
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Figura 13. Diagrama Conexión AD830
6.1.4 Demodulador
Para llevar a cabo el diseño del demodulador, se tiene en cuenta los componentes en los que se basa.
Esto es, una señal en fase y su correspondiente señal en cuadratura, un multiplicador, y un filtro pasa
bajas. Las señales en fase y en cuadratura serán entregadas por el generador del que se habló
previamente.
Figura 14. Diagrama [13]
En la Figura 14 se muestra una aplicación típica del generador, que ejemplifica de manera cercana el
cómo se quiere implementar el demodulador. La entrada RF/IF que allí se indica corresponde al voltaje
en la piel observado al aplicar la señal sinusoidal de corriente. Ahora bien, para llevar a cabo la
multiplicación de las señales, se escogió un multiplicador análogo de referencia AD539 producido por
Analog Devices. Entre las principales características que posee este multiplicador, y por lo cual fue
escogido es que cuenta con un amplio ancho de banda (hasta 60MHz), cuenta con poca distorsión
(0.01%) [14]. En la Figura 15 se muestra el diagrama de bloques funcional del multiplicador. Como se
puede observar allí, cuenta con dos canales independientes para la multiplicación, y una entrada común
para ambos canales, lo cual resulta conveniente para la aplicación.
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Figura 15. Diagrama de Bloques Funcional AD539. [14]
En la Figura 16 se muestra un circuito de aplicación del AD539, en el cual se utiliza los dos canales de
multiplicación. Como se puede observar allí, cada salida corresponde a , que es
precisamente lo que se quiere, siendo la señal común entre las dos multiplicaciones y que
corresponde a la señal de voltaje vista en la piel. corresponden a las señales de fase y
cuadratura.
Figura 16. Circuito Multiplicación Análoga.
6.1.5 Procesamiento y transmisión de datos
El procesamiento de los datos será llevado a cabo por un micro-controlador. EL micro-controlador
escogido es el ATXmega32A4, que cuenta con los ADC necesario apara la adquisición de los datos. Este
microcontralodor estará además encargado de controlar la frecuencia del generador de señales,
mediante la programación progresiva de un tono simple. De esta manera, se programará una
frecuencia, y luego del proceso de demodulación síncrona y lectura de los datos obtenidos, se procede a
hacer la programación en línea de la siguiente frecuencia del barrido.
Por otra lado el micro-controlador también estará encargado de llevar a cabo la comunicación de los
datos con un dispositivo externo mediante Bluetooth.
En la Tabla 2 se resumen los componentes seleccionados, junto con su referencia.
18
Tabla 2. Componentes principales medidor de impedancia.
7 Diseño Circuito impreso Generador de señales Como primera prueba, se planteó el diseño de un primer circuito impreso para comprobar el
funcionamiento del generador de señales. Siguiendo las recomendaciones del fabricante, se realizó la
tarjeta que se muestra en la Figura 17 y en la Figura 18, que corresponde a la cara inferior y superior del
circuito impreso, respectivamente. Una de las características clave con la que debía contar el circuito
impreso era la separación de las tierras de la parte digital y análoga del chip, que sólo deben unirse en
un punto. En la cara superior del chip se dejó el plano a tierra de la parte análoga, mientras que en la
cara inferior se tiene el plano a tierra de la parte digital. Ambos planos de tierra fueron unidos mediante
un through-hole.
El circuito cuenta con un reloj a 24MHZ, con lo que se puede llegar a la frecuencia máxima con la que
trabaja el generador si se utiliza el multiplicador interno de este. Se deja opcional la opción de
programación en serie (SPI) o paralelo, según se desee.
Bloque Referencia Descripción
Generador de Señales AD9854ASVZ Generador de señales en fase y cuadratura
Amplificador de
transconductanciaOPA 860
Obtener las corrientes aptas de trabajo a partir
del generador de señales
Multplicador análogo AD539Multiplicador análogo de doble canal.
Multiplicación señal de voltaje en la piel-Señales
fase y cuadratura.
Amplificador diferencial AD830Amplificador diferencial. Entrada: Voltaje
diferencial de la Piel
Filtro AD8641 Amplificador operacional base fi ltros activos.
Microcontrolador ATXMEGA32A4-AUControl frecuencia generador de funciones.
Adquisición de datos (parte real e imaginaria
impedancia)
COMPONENTES PRINCIPALES
19
Figura 17. Cara inferior circuito impreso
Figura 18. Cara superior circuito impreso.
En el apéndice 11.1 se muestra el protocolo de pruebas para comprobar el correcto funcionamiento del
generador.
20
8 Discusión Para llevar a cabo la implementación de un equipo para la medición de la impedancia de la piel, se
deben tener en cuenta múltiples factores en el diseño que afectan el correcto funcionamiento del
medidor. Uno de los factores más importantes es la elección de la configuración de los electrodos que se
colocan sobre la piel al momento de hacer la medición, además de los materiales de fabricación de
estos, la distancia entre ellos y los cables que los conectan con el equipo. La correcta elección de estos
elementos permite reducir los niveles de ruido que afectan la medida de la impedancia.
Por otro lado, los niveles de la magnitud de la corriente aplicada a la piel debe ser muy bajos (del orden
de uA), lo cual hace que sea muy sensible al ruido por lo cual se debe tener especial cuidado en cómo se
generan estas señales. Además, el proceso de demodulación afecta la precisión de la medida, por lo que
es un bloque importante que se debe tener en cuenta a la hora del diseño.
Más allá del objetivo de este proyecto de grado, el equipo al que se quiere llegar debe ser portátil, de tal
manera que se puedan tomar mediciones a distancia con el objetivo de medir los cambios en la
impedancia de la piel de una persona que se exponga a situaciones de estrés (por ejemplo, un examen).
Debido a todas las consideraciones que se deben tener en cuenta para el diseño del equipo de la
impedancia de la piel, se requiere de un trabajo especial en cada una de ellas. Por parte de este
proyecto de grado, se llegó a la implementación de una primera tarjeta encargada de generar una señal
sinusoidal de corriente constante, la cual con el correcto acondicionamiento puede aplicarse a la piel.
Además genera una señal adicional, que está en cuadratura con la primera. La validación de esta tarjeta
aún se encuentra en desarrollo.
9 Conclusiones Durante el desarrollo de este proyecto de grado, se planteó un diseño inicial de un equipo para la
medición de la impedancia de la piel. Entre los bloques del diseño propuesto, se prestó especial cuidado
al generador de señales
Se logró el desarrollo de un a primera tarjeta la cual se encarga del bloque generador de señales. Esta
tarjeta aún se encuentra en validación.
Se plantearon las soluciones tecnológicas a utilizarse para los demás bloques del equipo para la medida
de la impedancia de la piel.
21
10 Referencias
[1] Aligent Technologies. A guide to measurement technology and techniques 4th Edition. Aligent
Technologies, 2009.
[2] Antoni Ivorra Cano. Contributions to the measurement of electrical impedance for living tissue
ischemia injury monitoring. Tesis doctoral, Universidad Politécnica de Cataluña, 2005.
[3] Fredy E. Segura-Quijano. Sensor Químicos inalámbricos: Integración de sistemas de telemetría
inductiva y transductores electroquímicos. Tesis Doctoral, Universidad Autónoma de Barcelona,
2010.
[4] Pallás-Areny,R., Webster, J., “Bioelectric Impedance Measurements Using Synchronous Sampling”.
Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, 40(8): 824 -829, 1993. ISSN 0018-9294.
doi:10.1109/10.238468.
[5] Luijendijk, S., Lichtenbelt, W., Westerterp, K., Wouters, L. Validation of bioelectrical-impedance
measurements as a method to estimate body-water compartments. The American Journal of Clinical
Nutrition, 1994; 60:159-66.
[6] A. B. Carlson. Communication systems: introduction to signals and noise in electrical
communication. McGraw-Hill Education, 1986.
[7] Haykin, S. Sistemas de Comunicación. Limusa Wiley, 2001.
[8] Huang, C., Huang, Y., Pan, C. Skin Impedance Model for Biological signal Analysis. IEEE 2nd
International Symposium on Next-Generation Electronics (ISNE) - February 25-26 , Kaohsiung , Taiwan.
[9] Aberg, P.; Nicander, I.; Hansson, J.; Geladi, P.; Holmgren, U.; Ollmar, S., "Skin cancer identification
using multifrequency electrical impedance-a potential screening tool," Biomedical Engineering, IEEE
Transactions on , vol.51, no.12, pp.2097,2102, Dec. 2004
[10] K. S. Cole, “Electric impedance of suspensions of spheres,” J. Gen. Physiol , vol. 12, pp. 29-36, 1928.
[11] K.S. Cole and R. H. Cole, “Dispersion and absorption in dielectrics. I. Alternating current
characteristics,” J. CHem. Pys., vol. 9, pp.-341-351, 1941.
[12] ROSELL, J., COLOMINAS, J., RIU, P., Pallás-Areny,R., Webster, J., “Skin Impedance From 1 Hz to 1 MHz,” IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL. 35, NO. 8, AUGUST 1988. [13]Hoja de datos AD9854. Disponible en http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9854.pdf
22
[14]Hoja de datos AD539. Disponible en http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD539.pdf [15]Hoja de datos OPA860. Disponible en http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa860.pdf [16]Hoja de datos AD830. Disponible en http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD830.pdf
11 Apéndices
11.1 Pruebas propuestas generador de señales. Con el fin de comprobar el correcto funcionamiento del generador de señales, se plantea la prueba que
se presenta a continuación. Cabe aclarar que la salida de los convertidores análogo-digitales del
generador, solo permiten tener un voltaje de salida de máximo 1V en magnitud, por lo cual el rango de
resistencias para la prueba queda bastante restringido.
Prueba 1
Corriente 10mA
Valor Resistencia de
Carga [Ohms] Voltaje a observar [V]
Valor obtenido [V] 10 kHz
Valor obtenido [V] 100kHz
Valor obtenido [V] 1MHz
100 1
50 0.5
20 0.2
10 0.1
Prueba 2
Corriente 5mA
Valor Resistencia de
Carga [Ohms] Voltaje a observar [V]
Valor obtenido [V] 10 kHz
Valor obtenido [V] 100kHz
Valor obtenido [V] 1MHz
150 0.75
100 0.5
50 0.25
10 0.05
23
11.2 Pruebas validación OTA Con el fin de validar el correcto funcionamiento del amplificador de transconductancia, se plantean las
siguientes pruebas.
Prueba 1 Corriente 2uA
Trimmer 1MOhm Frecuencias 1Hz 100Hz
Valor trimmer [Ohms] Voltaje a observar [V] Valor obtenido [V] 10 Hz Valor obtenido [V] 100 Hz
1000000 2
600000 1.2
200000 0.4
50000 0.1
20000 0.04
10000 0.02
Prueba 2 Corriente 4uA
Trimmer 200kOhms Frecuencias 100Hz 10KHz
Valor trimmer [Ohms] Voltaje a observar [V] Valor obtenido [V] 100 Hz Valor obtenido [V] 10kHz
200000 0.8
100000 0.4
10000 0.04
2000 0.008
500 0.002
Prueba 3 Corriente 96uA
Trimmer 10kOhms Frecuencias 10kHz 100kHz
Valor trimmer [Ohms] Voltaje a observar [V] Valor obtenido [V] 10 kHz
Valor obtenido [V] 100kHz
6000 0.576
2000 0.192
500 0.048
100 0.0096