如何構(gòu)建放大/濾波電路以及用戶界面

步驟1：定義需求和主要成分

電路的作用是放大患者產(chǎn)生的ECG信號，并過濾掉所有相關(guān)的噪聲。原始信號由一個(gè)最大幅度約為2 mV的復(fù)數(shù)波形和QRS復(fù)數(shù)中100 Hz至250 Hz范圍內(nèi)的頻率分量組成。這是要放大和記錄的信號。

除了感興趣的信號之外，還從多個(gè)源產(chǎn)生了噪聲。電源產(chǎn)生60 Hz的噪聲，并且患者移動會產(chǎn)生小于1 Hz的偽影。背景輻射和電信信號（例如手機(jī)和無線互聯(lián)網(wǎng)）引入了更多的高頻噪聲。噪聲的收集是要過濾的信號。

電路必須首先放大原始信號。然后，它必須濾除60 Hz的噪聲以及160 Hz以上的任何其他噪聲。由于可以簡單地指示患者保持靜止?fàn)顟B(tài)，因此無需過濾與患者運(yùn)動相關(guān)的低頻噪聲。

因?yàn)樵撔盘柕臏y量結(jié)果是位于患者身上兩個(gè)電極之間的電位差，所以放大通過使用儀表放大器來實(shí)現(xiàn)。也可以使用一個(gè)簡單的差動放大器，但是儀表放大器在噪聲抑制和容差方面通常表現(xiàn)更好。通過使用陷波濾波器可實(shí)現(xiàn)60 Hz的濾波，其余的高頻濾波可通過使用低通濾波器實(shí)現(xiàn)。這三個(gè)元素構(gòu)成了整個(gè)模擬電路。

了解了電路的三個(gè)元素，可以定義有關(guān)增益，截止頻率和組件帶寬的較小細(xì)節(jié)。

儀表放大器的增益設(shè)置為670 。它足夠大，可以記錄小的ECG信號，但是也足夠小，以確保在使用接近20 mV的信號測試電路時(shí)，運(yùn)放的行為在其線性范圍內(nèi)，這是某些函數(shù)發(fā)生器的最小值。

陷波濾波器將以60 Hz為中心。

低通濾波器的截止頻率為160 Hz。這仍應(yīng)捕獲大多數(shù)QRS復(fù)合信號并拒絕高頻背景噪聲。

步驟2：儀表放大器

上面的示意圖描述了儀表放大器。

放大器有兩個(gè)階段。第一級由上圖左側(cè)的兩個(gè)運(yùn)放組成，第二級由右側(cè)的單個(gè)運(yùn)放組成。每一個(gè)的增益都可以隨意調(diào)節(jié)，但是我們決定以670 V/V的增益進(jìn)行構(gòu)建。這可以通過以下電阻值實(shí)現(xiàn)：

R1：100歐姆

R2：3300歐姆

R3：100歐姆

R4：1000歐姆

步驟3：陷波濾波器

上面的示意圖描述了陷波濾波器。這是一個(gè)有源濾波器，因此我們可以根據(jù)需要選擇使其放大或衰減信號，但是我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了所有必要的放大，因此我們?yōu)榇?a target="_blank">運(yùn)算放大器選擇了一個(gè)增益。中心頻率應(yīng)為60 Hz，品質(zhì)因數(shù)應(yīng)為8。這可以通過以下組件值實(shí)現(xiàn)：

R1：503歐姆

R2：128612歐姆

R3：503歐姆

C：0.33微法拉

步驟4：低通濾波器

《同樣，這是一個(gè)有源濾波器，因此我們可以選擇所需的任何增益，但我們將選擇1。這是通過將上面的R4變成短路，并將R3變成開路來實(shí)現(xiàn)的。其余的，與其他組件一樣，是通過使用我們先前定義的要求以及控制電路的方程式來獲得單個(gè)元素值來實(shí)現(xiàn)的：

R1：12056歐姆

R2 ：19873.6歐姆

C1：0.047微法拉

C2：0.1微法拉

第5步：虛擬設(shè)計(jì)全電路

在進(jìn)入真正的模擬電路制造之前，在虛擬電路構(gòu)建軟件（如PSPICE）中設(shè)計(jì)電路對捕獲錯(cuò)誤和鞏固計(jì)劃非常有幫助。此時(shí)，可以捕獲電路的AC掃描，以確保一切都按計(jì)劃進(jìn)行。

步驟6：構(gòu)建完整電路

可以按照您希望的任何方式構(gòu)建電路，但是在這種情況下選擇了面包板。

建議在面包板上進(jìn)行組裝，因?yàn)樗群附尤菀祝附訒岣吣陀眯?。還建議將0.1 microFarad旁路電容器與電源并聯(lián)放置，以幫助消除恒定功率產(chǎn)生的不必要偏差。

步驟7：LabVIEW用戶界面

LabVIEW用戶界面是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為ECG信號的直觀和數(shù)字表示形式的方法，用戶可以輕松地對其進(jìn)行解釋。 DAQ板用于將信號從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入LabVIEW。

該軟件是基于對象的程序，可幫助進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和界面創(chuàng)建。數(shù)據(jù)首先由圖形直觀地表示，然后執(zhí)行一些信號處理以確定心跳的頻率，以便可以將其顯示在圖形旁邊。

為了確定心律頻率，必須檢測心跳。這可以通過Lab VIEW的峰檢測對象來完成。對象在接收到的數(shù)據(jù)數(shù)組中輸出峰的索引，然后可將其用于計(jì)算以確定兩次心跳之間經(jīng)過的時(shí)間。

由于LabVIEW詳細(xì)信息將是一個(gè)完全不同的Instructable，因此我們將這些詳細(xì)信息留給其他來源。該程序的確切工作原理可以從上面的框圖中看到。

步驟8：LabVIEW最終用戶界面

最終用戶界面顯示經(jīng)過放大，濾波，轉(zhuǎn)換和處理的信號，以及以每分鐘心跳數(shù)為單位的心跳頻率讀數(shù)