怎样构建显示人的心电图的设备

步骤1：了解您的资料

心电图（ECG ）是医生用来监测心脏电活动的重要工具。从异常的心律到诊断热衰竭，该功能非常有用。通过遵循此Instruction，您将能够仅使用基本的实验板技能和常规电子实验室设备来构建显示人的心电图的设备。一旦信号输出良好，就可以使用同一信号来计算心率，或者使用微控制器来计算另一个有趣的指标。

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如果您不知道什么是ECG， ，它只是心脏活动的记录。由于心脏收缩的电特性，因此可以通过在皮肤上放置电极并处理信号来记录电压的变化。这些电压随时间变化的曲线称为心电图（简称ECG）。 ECG通常用于诊断各种形式的心力衰竭或被动监测患者的压力。健康的ECG具有人与人之间普遍存在的特定特征。 （这包括一个P波，一个Q波，一个R波，一个S波，一个T波和一个QRS波。）我提供了带有相应心脏反应的ECG的简化图。

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请注意，在心脏神经中发生的每个电事件都与在肌肉组织中发生的物理事件相对应，并且当心脏的一部分收缩时，其他部分放松。通过这种方式，电信号的定时在心脏中非常重要，这使ECG成为测量心脏健康的非常有力的工具。

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但是，为了记录实际的心电图，许多后勤问题开始起作用，例如信号的大小，来自身体其余部位的噪声量，以及来自环境的噪音为了弥补这一点，我们正在设计一个由三部分组成的电路：一个差分放大器，用于增加信号的大小；一个低通滤波器，用于消除高频信号的噪声；以及一个陷波滤波器，用于消除60 Hz的噪声，在使用交流电源的建筑物中始终存在。我将在下面为您详细介绍这些步骤。

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

步骤2：收集耗材

对于此项目，您需要：

- 1个大面包板（不过2个或更多会更好）

- 5个通用运算放大器

（我在UA741上使用了+ -15 V ，只需确保您选择的电压能够承受15伏，否则您将需要调整无源元件的值，并且必须降低放大率。）

-电阻 》

o 2x 165欧姆

o 3x 1k欧姆

o 2x 15k欧姆

o 2x 33k欧姆

o 1x 42k欧姆

o 2x 60k欧姆

-电容器

o 2x 22nF

o 2x1μF

o 1x2Μf

-过多或跨接线

-能够提供+ -15 V

-函数发生器和示波器（主要用于故障排除）

-至少三个粘性电极（如果您计划记录实际的ECG）

-足够的电缆来连接所有这些废话

-对电路，运算放大器和面包板的经验有深刻的了解。

如果您只是生日那天的面包板，并且想尝试用它做些有趣的事情，请在尝试之前至少进行一些简单的构建。

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第3步：构建差分放大器

差分放大器将把我们记录的信号放大到可用水平，以显示在示波器或屏幕上。该电路设计将吸收来自两个输入电极的电压差并将其放大。这样做是为了减少噪声，因为将消除电极之间的常见噪声。 ECG信号的幅度将根据记录电极和个人的位置而有所不同，但从手腕记录时，通常约为几毫伏。 （虽然没有必要进行此设置，但可以通过在胸部放置电极来增加信号幅度，但要权衡的是来自肺运动的噪音。）

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I包括安装示意图。图片中的电路应将信号放大约1000倍。您可能需要根据决定使用的运算放大器的类型进行调整。调整此值的快速方法是更改R1的值。通过将R1的值减半，可以将输出增益提高一倍，反之亦然。

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我假设你们中的大多数人都可以将此电路转换到面包板上，尽管如此，我还是提供了一个面包板安装图，以简化流程并希望减少故障排除时间。为了方便起见，我还附上了UA741（或LM741）引出线的图片。 （出于您的目的，您不需要引脚1，5或8）运放上的V +和V-引脚将分别连接到+15 V和-15 V电源。 -15V与地面不同！您可以忽略面包板上的电容器。它们是用来消除交流噪声的旁路电容器，但回想起来并不值得。

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我建议您在完成每个阶段的故障排除后进行测试。如电路所示，您可以将输入之一接地，而另一输入接地到小型直流电源以检查放大。 （确保输入《15 mV，否则将使运算放大器饱和）。如果您需要减少测试的增益，请不要大汗淋漓，任何超过500倍的增益对我们而言都是足够的。此外，如果您将电路的增益设为1000，而仅显示800的增益，那并不是世界末日，确切的数字并不重要。

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第4步：构建陷波滤波器

现在我们可以放大信号，让我们看看清理它。如果您现在将电极连接到我们的电路，则可能会产生大量60 Hz的噪声。那是因为大多数建筑物都用60 Hz的交流电接线，从而不可避免地产生了很大的噪声信号。为了解决这个问题，我们将建立一个60 Hz陷波滤波器。陷波滤波器旨在衰减非常特定的频率，而保持其他频率不变。完美消除了60 Hz的噪声。

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像以前一样，我提供了电路原理图，面包板设置和我自己的电路的图片。值得注意的是，虽然陷波滤波器是一个相对容易构建的阶段，但花了我最长的时间才能开始工作。我的输入被很好地衰减了，但衰减为63 Hz，而不是60 Hz，不会衰减。如果遇到相同的问题，建议您更改R14的值。 （增加R14的电阻会降低衰减频率，反之亦然）。如果您有一个可变电阻箱，则用它代替R14，然后用电阻值进行玩具测试以找出最合适的电阻箱，因为它将对单欧姆量级的变化敏感。我最终得到了175欧姆的R14，但从理论上讲，它最适合R12。

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同样，您可以通过使用函数发生器输入60 Hz正弦波并在示波器上记录输出来测试此阶段。您的输出应约为-20 dB或输入幅度的10％。如前所述，您可以检查附近的频率以进行优化。

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步骤5：构建低通滤波器

如前所述，另一个重要因素是减少您的身体以及其他任何改变房间的噪音。低通滤波器是很好的选择之所以这样做，是因为就信号而言，您的心跳非常慢。我们的低通滤波器目标是消除包含高于ECG频率的所有信号。为此，我们需要指定一个“截止频率”。在我们的情况下，我们希望消除高于该频率的所有事物，而我们希望保持低于该频率的所有事物。当心跳发生在1到3赫兹的数量级时，构成我们的心电图的各个波形的频率要高得多。 1至50赫兹附近。因此，我选择了80 Hz的截止频率。它足够高，可以将所有有用的成分保留在信号中，但是仍然可以消除隔壁房间中HAM无线电发出的噪音。

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我没有关于低通滤波器的任何明智建议，与其他阶段相比都非常简单。与放大器类似，不用担心在80 Hz时会出现精确截止的情况；这并不重要，也不会现实发生。但是，您应该使用函数生成器检查其输出。根据经验，正弦波应不经过滤以10 Hz穿过滤波器，并应将其切成130 Hz的一半。

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步骤6 ：钩上它！

如果您已经做到了，那就恭喜！您具有ECG的所有组件。您需要做的就是将它们连接在一起，拍打电极，然后将输出连接到示波器以查看您的ECG！

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以防万一如何戴上电极，我建议将输入电极粘在手腕上（每只手腕上一个），并将接地电极连接到腿上（图片可能会有所帮助。）提醒一下，每个输入电极应在电极上接一个正输入。放大器中的运算放大器。 （仅出于仿真目的在电路图中接地）

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连接后，将低通滤波器的输出连接到示波器，并为此感到自豪你自己！让所有的孩子戴上电极，看看他们的心跳。哎呀，让你的邻居来尝试一下。如果您有多余的动力，可以将输出连接到微控制器，以根据单个信号计算心律。 （您可能想在执行此操作之前先降低放大率，否则可能会炸毁正在使用的电路板）。无论如何，恭喜您的构建，祝您制作愉快！

责任编辑：wv