步驟1：設(shè)計(jì)儀表放大器

記錄ECG信號(hào)所需的第一個(gè)電路元件是儀表放大器。該放大器具有兩個(gè)作用。

1。它在記錄電極和電路的其余部分之間創(chuàng)建一個(gè)電子緩沖器。這將從電極汲取的所需電流減小到幾乎為零。允許信號(hào)收集，且輸入阻抗引起的失真很小。

2。它差分放大記錄的信號(hào)。這意味著兩個(gè)記錄電極中共有的任何信號(hào)都不會(huì)被放大，而差異（重要部分）將會(huì)被放大。

典型地，ECG的表面電極記錄將在毫伏范圍內(nèi)。因此，為了使該信號(hào)進(jìn)入某個(gè)范圍，我們可以采用1000 V/V的放大倍數(shù)（K）進(jìn)行工作。

上面說(shuō)明的放大器的控制方程為：

K1 = 1 + 2 * R2/R1，這是第一級(jí)增益

K2 =- R4/R3，這是第2階段的增益

。注意，理想情況下，K1和K2應(yīng)該近似相等，并實(shí)現(xiàn)所需的放大率K1 * K2 = 1000

最終值。..

R1 = 6.5 kOhm

R2 = 100 kOhm

R3 = 3.17 kOhm

R4 = 100 kOhm

步驟2：設(shè)計(jì)陷波濾波器

在現(xiàn)代世界中，心電圖的采集可能會(huì)可以在其他一些電子設(shè)備附近完成，甚至可以在由本地電源線供電的建筑物中完成。不幸的是，所提供電源的高電壓和振蕩特性意味著它將在附近的任何導(dǎo)電材料中產(chǎn)生大量的電“噪聲”。其中包括用于構(gòu)建我們的ECG收集電路的電線和電路元件。

為解決這個(gè)問(wèn)題，任何頻率等于本地電源產(chǎn)生的噪聲（稱為“電源嗡嗡聲”）的信號(hào)都可以被簡(jiǎn)單地濾除并基本去除。在美國(guó)，電網(wǎng)為110-120V提供60 Hz的頻率。因此，我們需要濾除任何頻率為60 Hz的信號(hào)分量。幸運(yùn)的是，這之前已經(jīng)完成了很多次，只需要設(shè)計(jì)陷波濾波器即可（如上圖所示）。

控制該濾波器的方程為。..。

R1 = 1/（2 * Q * w * C）

R2 =（2 * Q ）/（w * C）

R3 =（R1 * R2）/（R1 + R2）

Q = w/B

其中wc2是高截止頻率，w2低截止頻率，w截止頻率（以弧度/秒為單位），Q為品質(zhì)因數(shù)

請(qǐng)注意，C是可以自由選擇的值。我們的電路中使用的以下值為：

R1 = 1.65 kOhm

R2 = 424.5 kOhm

Q = 8

w = 120 * pi rad/sec

第3步：低通濾波器

ECG信號(hào)有一個(gè)頻率約為0-150Hz。為了防止更多的噪聲耦合到頻率高于此范圍的頻率的信號(hào)上，采用了截止頻率為150Hz的二階低通ButterWorth濾波器，以便僅允許ECG信號(hào)通過(guò)電路。不是像先前的組件那樣立即選擇容易獲得的電容器值，而是根據(jù)以下公式選擇了第一個(gè)電容器值C2。根據(jù)該值，可以計(jì)算出所有其他分量值，然后將其添加到電路中，同時(shí)將增益再次保持為1V/V。

C2≈10/fc uf，其中fc是截止頻率（150 Hz）對(duì)于這種情況）。

然后，可以按照此步驟中包含在第二張圖片中的表格中所示的方式計(jì)算剩余值。

上面原理圖中的最終值是：

C2 = 66 nF

C1 = 33 nF

R1 = 22.47 kOhm

R2 = 22.56 kOhm

第4步：LabVIEW準(zhǔn)備

ECG系列的這一部分是Windows計(jì)算機(jī)，配備LabVIEW的64位副本和帶有單個(gè)輸入模塊的National Instruments信號(hào)調(diào)節(jié)板（）。 LabVIEW中的功能框圖應(yīng)按以下方式構(gòu)建。首先打開(kāi)空白的功能框圖。

插入DAQ助手塊并將設(shè)置調(diào)整為以下值：

測(cè)量：模擬→電壓

模式：RSE

采樣：連續(xù)采樣

采樣：2500

采樣率：1000/秒

將采集的波形輸出到波形圖。另外，計(jì)算當(dāng)前波形數(shù)據(jù)的最大值。將波的最大值乘以.8之類的值以創(chuàng)建用于峰值檢測(cè)的閾值，可以根據(jù)信號(hào)內(nèi)的噪聲水平來(lái)調(diào)整此值。輸入上一步的乘積作為閾值，并輸入原始電壓陣列作為“峰值檢測(cè)”功能的數(shù)據(jù)。接下來(lái)，獲取峰值檢測(cè)陣列的“位置”輸出，并減去第一和第二值。這表示初始陣列中兩個(gè)峰的索引值之差。然后可以通過(guò)將值除以采樣率將其轉(zhuǎn)換為時(shí)間差，例如在示例中為1000/sec。最后，取該值的倒數(shù)（給定Hz）并乘以60，以獲得以每分鐘BPM節(jié)拍為單位的心率。最終的框圖應(yīng)類似于此步驟的標(biāo)題圖片。

步驟5：全面系統(tǒng)集成

現(xiàn)在，所有組件都已單獨(dú)構(gòu)建，因此是時(shí)候把購(gòu)物中心放在一起了。這可以通過(guò)簡(jiǎn)單地將一個(gè)部分的輸出連接到下一個(gè)段的輸入來(lái)完成。這些階段應(yīng)按照它們?cè)诖薎nstructable中出現(xiàn)的順序進(jìn)行連接。對(duì)于最后一個(gè)ButterWorth濾波器，其輸入應(yīng)連接至信號(hào)調(diào)節(jié)板輸入模塊上的兩條引線之一。該模塊的另一根導(dǎo)線應(yīng)連接到電路的公共接地點(diǎn)。

對(duì)于儀表放大器，應(yīng)將其兩條引線分別連接到ECG/EKG電極上。使用兩個(gè)鱷魚夾很容易做到這一點(diǎn)。然后，在每個(gè)手腕上放置一個(gè)電極。確保電路的所有部分均已連接并且LabVIEW VI正在運(yùn)行，并且系統(tǒng)應(yīng)在LabVIEW窗口中輸出波形圖。

輸出應(yīng)類似于此步驟中提供的第二張圖像。如果不相似，則可能需要調(diào)整電路的值。一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是陷波濾波器不會(huì)直接在60 Hz處居中，可能會(huì)稍微偏高或偏低?？梢酝ㄟ^(guò)為過(guò)濾器創(chuàng)建波德圖來(lái)測(cè)試。理想情況下，陷波濾波器在60 Hz處的衰減至少為20 dB。檢查本地電源是否以60 Hz供電可能也很有用。對(duì)于某些地區(qū)，使用50 Hz交流電源并不罕見(jiàn)，這將需要將陷波濾波器居中于該值附近。