步驟1：了解您的資料

心電圖（ECG ）是醫(yī)生用來(lái)監(jiān)測(cè)心臟電活動(dòng)的重要工具。從異常的心律到診斷熱衰竭，該功能非常有用。通過(guò)遵循此Instruction，您將能夠僅使用基本的實(shí)驗(yàn)板技能和常規(guī)電子實(shí)驗(yàn)室設(shè)備來(lái)構(gòu)建顯示人的心電圖的設(shè)備。一旦信號(hào)輸出良好，就可以使用同一信號(hào)來(lái)計(jì)算心率，或者使用微控制器來(lái)計(jì)算另一個(gè)有趣的指標(biāo)。

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如果您不知道什么是ECG， ，它只是心臟活動(dòng)的記錄。由于心臟收縮的電特性，因此可以通過(guò)在皮膚上放置電極并處理信號(hào)來(lái)記錄電壓的變化。這些電壓隨時(shí)間變化的曲線稱(chēng)為心電圖（簡(jiǎn)稱(chēng)ECG）。 ECG通常用于診斷各種形式的心力衰竭或被動(dòng)監(jiān)測(cè)患者的壓力。健康的ECG具有人與人之間普遍存在的特定特征。 （這包括一個(gè)P波，一個(gè)Q波，一個(gè)R波，一個(gè)S波，一個(gè)T波和一個(gè)QRS波。）我提供了帶有相應(yīng)心臟反應(yīng)的ECG的簡(jiǎn)化圖。

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請(qǐng)注意，在心臟神經(jīng)中發(fā)生的每個(gè)電事件都與在肌肉組織中發(fā)生的物理事件相對(duì)應(yīng)，并且當(dāng)心臟的一部分收縮時(shí)，其他部分放松。通過(guò)這種方式，電信號(hào)的定時(shí)在心臟中非常重要，這使ECG成為測(cè)量心臟健康的非常有力的工具。

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但是，為了記錄實(shí)際的心電圖，許多后勤問(wèn)題開(kāi)始起作用，例如信號(hào)的大小，來(lái)自身體其余部位的噪聲量，以及來(lái)自環(huán)境的噪音為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，我們正在設(shè)計(jì)一個(gè)由三部分組成的電路：一個(gè)差分放大器，用于增加信號(hào)的大??；一個(gè)低通濾波器，用于消除高頻信號(hào)的噪聲；以及一個(gè)陷波濾波器，用于消除60 Hz的噪聲，在使用交流電源的建筑物中始終存在。我將在下面為您詳細(xì)介紹這些步驟。

［圖片摘自https://courses.lumenlearning.com/ap2/chapter/card.。.］

步驟2：收集耗材

對(duì)于此項(xiàng)目，您需要：

- 1個(gè)大面包板（不過(guò)2個(gè)或更多會(huì)更好）

- 5個(gè)通用運(yùn)算放大器

（我在UA741上使用了+ -15 V ，只需確保您選擇的電壓能夠承受15伏，否則您將需要調(diào)整無(wú)源元件的值，并且必須降低放大率。）

-電阻 》

o 2x 165歐姆

o 3x 1k歐姆

o 2x 15k歐姆

o 2x 33k歐姆

o 1x 42k歐姆

o 2x 60k歐姆

-電容器

o 2x 22nF

o 2x1μF

o 1x2Μf

-過(guò)多或跨接線

-能夠提供+ -15 V

-函數(shù)發(fā)生器和示波器（主要用于故障排除）

-至少三個(gè)粘性電極（如果您計(jì)劃記錄實(shí)際的ECG）

-足夠的電纜來(lái)連接所有這些廢話

-對(duì)電路，運(yùn)算放大器和面包板的經(jīng)驗(yàn)有深刻的了解。

如果您只是生日那天的面包板，并且想嘗試用它做些有趣的事情，請(qǐng)?jiān)趪L試之前至少進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的構(gòu)建。

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第3步：構(gòu)建差分放大器

差分放大器將把我們記錄的信號(hào)放大到可用水平，以顯示在示波器或屏幕上。該電路設(shè)計(jì)將吸收來(lái)自?xún)蓚€(gè)輸入電極的電壓差并將其放大。這樣做是為了減少噪聲，因?yàn)閷⑾姌O之間的常見(jiàn)噪聲。 ECG信號(hào)的幅度將根據(jù)記錄電極和個(gè)人的位置而有所不同，但從手腕記錄時(shí)，通常約為幾毫伏。 （雖然沒(méi)有必要進(jìn)行此設(shè)置，但可以通過(guò)在胸部放置電極來(lái)增加信號(hào)幅度，但要權(quán)衡的是來(lái)自肺運(yùn)動(dòng)的噪音。）

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I包括安裝示意圖。圖片中的電路應(yīng)將信號(hào)放大約1000倍。您可能需要根據(jù)決定使用的運(yùn)算放大器的類(lèi)型進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整此值的快速方法是更改R1的值。通過(guò)將R1的值減半，可以將輸出增益提高一倍，反之亦然。

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我假設(shè)你們中的大多數(shù)人都可以將此電路轉(zhuǎn)換到面包板上，盡管如此，我還是提供了一個(gè)面包板安裝圖，以簡(jiǎn)化流程并希望減少故障排除時(shí)間。為了方便起見(jiàn)，我還附上了UA741（或LM741）引出線的圖片。 （出于您的目的，您不需要引腳1，5或8）運(yùn)放上的V +和V-引腳將分別連接到+15 V和-15 V電源。 -15V與地面不同！您可以忽略面包板上的電容器。它們是用來(lái)消除交流噪聲的旁路電容器，但回想起來(lái)并不值得。

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我建議您在完成每個(gè)階段的故障排除后進(jìn)行測(cè)試。如電路所示，您可以將輸入之一接地，而另一輸入接地到小型直流電源以檢查放大。 （確保輸入《15 mV，否則將使運(yùn)算放大器飽和）。如果您需要減少測(cè)試的增益，請(qǐng)不要大汗淋漓，任何超過(guò)500倍的增益對(duì)我們而言都是足夠的。此外，如果您將電路的增益設(shè)為1000，而僅顯示800的增益，那并不是世界末日，確切的數(shù)字并不重要。

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第4步：構(gòu)建陷波濾波器

現(xiàn)在我們可以放大信號(hào)，讓我們看看清理它。如果您現(xiàn)在將電極連接到我們的電路，則可能會(huì)產(chǎn)生大量60 Hz的噪聲。那是因?yàn)榇蠖鄶?shù)建筑物都用60 Hz的交流電接線，從而不可避免地產(chǎn)生了很大的噪聲信號(hào)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們將建立一個(gè)60 Hz陷波濾波器。陷波濾波器旨在衰減非常特定的頻率，而保持其他頻率不變。完美消除了60 Hz的噪聲。

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像以前一樣，我提供了電路原理圖，面包板設(shè)置和我自己的電路的圖片。值得注意的是，雖然陷波濾波器是一個(gè)相對(duì)容易構(gòu)建的階段，但花了我最長(zhǎng)的時(shí)間才能開(kāi)始工作。我的輸入被很好地衰減了，但衰減為63 Hz，而不是60 Hz，不會(huì)衰減。如果遇到相同的問(wèn)題，建議您更改R14的值。 （增加R14的電阻會(huì)降低衰減頻率，反之亦然）。如果您有一個(gè)可變電阻箱，則用它代替R14，然后用電阻值進(jìn)行玩具測(cè)試以找出最合適的電阻箱，因?yàn)樗鼘?duì)單歐姆量級(jí)的變化敏感。我最終得到了175歐姆的R14，但從理論上講，它最適合R12。

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同樣，您可以通過(guò)使用函數(shù)發(fā)生器輸入60 Hz正弦波并在示波器上記錄輸出來(lái)測(cè)試此階段。您的輸出應(yīng)約為-20 dB或輸入幅度的10％。如前所述，您可以檢查附近的頻率以進(jìn)行優(yōu)化。

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步驟5：構(gòu)建低通濾波器

如前所述，另一個(gè)重要因素是減少您的身體以及其他任何改變房間的噪音。低通濾波器是很好的選擇之所以這樣做，是因?yàn)榫托盘?hào)而言，您的心跳非常慢。我們的低通濾波器目標(biāo)是消除包含高于ECG頻率的所有信號(hào)。為此，我們需要指定一個(gè)“截止頻率”。在我們的情況下，我們希望消除高于該頻率的所有事物，而我們希望保持低于該頻率的所有事物。當(dāng)心跳發(fā)生在1到3赫茲的數(shù)量級(jí)時(shí)，構(gòu)成我們的心電圖的各個(gè)波形的頻率要高得多。 1至50赫茲附近。因此，我選擇了80 Hz的截止頻率。它足夠高，可以將所有有用的成分保留在信號(hào)中，但是仍然可以消除隔壁房間中HAM無(wú)線電發(fā)出的噪音。

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我沒(méi)有關(guān)于低通濾波器的任何明智建議，與其他階段相比都非常簡(jiǎn)單。與放大器類(lèi)似，不用擔(dān)心在80 Hz時(shí)會(huì)出現(xiàn)精確截止的情況；這并不重要，也不會(huì)現(xiàn)實(shí)發(fā)生。但是，您應(yīng)該使用函數(shù)生成器檢查其輸出。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，正弦波應(yīng)不經(jīng)過(guò)濾以10 Hz穿過(guò)濾波器，并應(yīng)將其切成130 Hz的一半。

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步驟6 ：鉤上它！

如果您已經(jīng)做到了，那就恭喜！您具有ECG的所有組件。您需要做的就是將它們連接在一起，拍打電極，然后將輸出連接到示波器以查看您的ECG！

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以防萬(wàn)一如何戴上電極，我建議將輸入電極粘在手腕上（每只手腕上一個(gè)），并將接地電極連接到腿上（圖片可能會(huì)有所幫助。）提醒一下，每個(gè)輸入電極應(yīng)在電極上接一個(gè)正輸入。放大器中的運(yùn)算放大器。 （僅出于仿真目的在電路圖中接地）

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連接后，將低通濾波器的輸出連接到示波器，并為此感到自豪你自己！讓所有的孩子戴上電極，看看他們的心跳。哎呀，讓你的鄰居來(lái)嘗試一下。如果您有多余的動(dòng)力，可以將輸出連接到微控制器，以根據(jù)單個(gè)信號(hào)計(jì)算心律。 （您可能想在執(zhí)行此操作之前先降低放大率，否則可能會(huì)炸毀正在使用的電路板）。無(wú)論如何，恭喜您的構(gòu)建，祝您制作愉快！

責(zé)任編輯：wv