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狀態(tài)，因此無需過濾與患者運動相關(guān)的低頻噪聲。

因為該信號的測量結(jié)果是位于患者身上兩個電極之間的電位差，所以放大通過使用儀表放大器來實現(xiàn)。也可以使用一個簡單的差動放大器，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現(xiàn)。這三個元素構(gòu)成了整個模擬電路。

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

放大器有兩個階段。第一級由上圖左側(cè)的兩個運放組成，第二級由右側(cè)的單個運放組成。每一個的增益都可以隨意調(diào)節(jié)，但是我們決定以670 V/V的增益進行構(gòu)建。這可以通過以下電阻值實現(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)實現(xiàn)了所有必要的放大，因此我們?yōu)榇?a target="_blank">運算放大器選擇了一個增益。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元素值來實現(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)計全電路

在進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)計電路對捕獲錯誤和鞏固計劃非常有幫助。此時，可以捕獲電路的AC掃描，以確保一切都按計劃進行。

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。

建議在面包板上進行組裝，因為它比焊接容易，但焊接會提高耐用性。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，然后可將其用于計算以確定兩次心跳之間經(jīng)過的時間。

由于LabVIEW詳細信息將是一個完全不同的Instructable，因此我們將這些詳細信息留給其他來源。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)