วงจรคลื่นไฟฟ้าหัวใจ: 4 ขั้นตอน

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

สวัสดี! สิ่งนี้เขียนโดยนักเรียนสองคนที่กำลังศึกษาวิศวกรรมชีวการแพทย์และกำลังเรียนวงจร เราได้สร้าง ECG และเรารู้สึกตื่นเต้นมากที่จะแบ่งปันกับคุณ

เสบียง

อุปกรณ์พื้นฐานที่จำเป็นสำหรับโครงการนี้ ได้แก่:

- เขียงหั่นขนม

- ตัวต้านทาน

- ตัวเก็บประจุ

- เครื่องขยายเสียงปฏิบัติการ (LM741)

- อิเล็กโทรด

คุณจะต้องมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตามรายการ:

- แหล่งจ่ายไฟ DC

- เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน

- ออสซิลโลสโคป

ขั้นตอนที่ 1: แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียล

ทำไมจึงจำเป็น?

ดิฟเฟอเรนเชียลแอมพลิฟายเออร์ใช้ในการขยายสัญญาณและเพื่อลดสัญญาณรบกวนที่อาจเกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรด เสียงรบกวนจะลดลงโดยพิจารณาความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าจากอิเล็กโทรดทั้งสอง เพื่อกำหนดค่าตัวต้านทานที่จำเป็น เราตัดสินใจว่าเราต้องการให้แอมพลิฟายเออร์สร้างเกนที่ 1,000

มันถูกสร้างขึ้นอย่างไร?

เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้จึงใช้สมการเกนสำหรับแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลซึ่งสามารถพบได้ในรูปภาพที่แนบมา เมื่อทำการคำนวณ พบว่าค่าความต้านทานควรเป็น 100Ω และ 50kΩ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเราไม่มีตัวต้านทาน 50 kΩ เราจึงใช้ 47 kΩ การตั้งค่าแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับทั้ง LTSpice และเขียงหั่นขนมสามารถเห็นได้ในภาพที่แนบมา ดิฟเฟอเรนเชียลแอมพลิฟายเออร์ต้องใช้เขียงหั่นขนมเพื่อเชื่อมต่อกับตัวต้านทาน 1 x 100Ω, ตัวต้านทาน 6 x 47kΩ, แอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงาน 3 LM741 และสายจัมเปอร์จำนวนมาก

จะทดสอบได้อย่างไร?

เมื่อทำการทดสอบใน LTSpice และบนอุปกรณ์จริง คุณต้องแน่ใจว่ามันสร้างเกนที่ 1,000 ซึ่งทำได้โดยใช้สมการเกนของเกน = Vout/ Vin Vout คือเอาต์พุตพีคถึงพีค และวินคืออินพุตพีคถึงพีค ตัวอย่างเช่น ในการทดสอบตัวสร้างฟังก์ชัน ฉันจะป้อน 10 mV peak-to-peak ลงในวงจร ดังนั้นฉันควรได้เอาต์พุต 10V

ขั้นตอนที่ 2: Notch Filter

ทำไมจึงจำเป็น?

ตัวกรองรอยบากถูกสร้างขึ้นเพื่อขจัดเสียงรบกวน เนื่องจากอาคารส่วนใหญ่มีกระแสไฟ AC 60 Hz ซึ่งจะสร้างสัญญาณรบกวนในวงจร เราจึงตัดสินใจสร้างตัวกรองรอยบากที่จะลดทอนสัญญาณที่ 60 Hz

จะสร้างมันได้อย่างไร?

การออกแบบตัวกรองรอยบากขึ้นอยู่กับภาพด้านบน สมการในการคำนวณค่าของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุแสดงไว้ข้างต้นด้วย เราตัดสินใจใช้ความถี่ 60 Hz และตัวเก็บประจุ 0.1 uF เนื่องจากเป็นค่าตัวเก็บประจุที่เรามี เมื่อคำนวณสมการ เราพบว่า R1 & R2 เท่ากับ 37, 549 kΩ และค่าของ R3 คือ 9021.19 Ω เพื่อให้สามารถสร้างค่าเหล่านี้บนแผงวงจรของเรา เราใช้ 39 kΩ สำหรับ R1 และ R2 และ 9.1 kΩ สำหรับ R3 โดยรวม ตัวกรองรอยบากต้องใช้ตัวต้านทาน 1 x 9.1kΩ ตัวต้านทาน 2 x 39kΩ ตัวเก็บประจุ 3 x 0.1 uF แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน 1 LM741 และสายจัมเปอร์จำนวนมาก แผนผังสำหรับการตั้งค่าตัวกรองรอยสำหรับทั้ง LTSpice และเขียงหั่นขนมคือ ในภาพด้านบน

จะทดสอบได้อย่างไร?

สามารถทดสอบการทำงานของตัวกรองรอยบากได้โดยการกวาดกระแสสลับ ความถี่ทั้งหมดควรผ่านตัวกรองยกเว้น 60 Hz สามารถทดสอบได้ทั้งกับ LTSpice และวงจรกายภาพ

ขั้นตอนที่ 3: ตัวกรองความถี่ต่ำ

ทำไมจึงจำเป็น?

จำเป็นต้องมีตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำเพื่อลดเสียงรบกวนจากร่างกายและห้องรอบตัวเรา เมื่อตัดสินใจเลือกความถี่คัทออฟสำหรับฟิลเตอร์โลว์พาส สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาว่าการเต้นของหัวใจเกิดขึ้นที่ 1 Hz-3Hz และรูปคลื่นที่ประกอบเป็น ECG นั้นอยู่ใกล้ 1-50 Hz

จะสร้างมันได้อย่างไร?

เราตัดสินใจสร้างความถี่ตัด 60 Hz เพื่อให้เราสามารถรับสัญญาณที่มีประโยชน์ทั้งหมดได้ แต่ยังตัดสัญญาณที่ไม่จำเป็นออกไปด้วย เมื่อกำหนดความถี่คัตออฟจะเป็น 70 Hz เราตัดสินใจเลือกค่าตัวเก็บประจุที่ 0.15uF เนื่องจากเป็นค่าที่เรามีในชุดคิทของเรา การคำนวณค่าตัวเก็บประจุสามารถดูได้ในภาพ ผลลัพธ์ของการคำนวณคือค่าความต้านทาน 17.638 kΩ เราเลือกใช้ตัวต้านทาน 18 kΩ ฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำต้องใช้ตัวต้านทาน 2 x 18kΩ, ตัวเก็บประจุ 2x0.15 uF, แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน 1 LM741 และสายจัมเปอร์จำนวนมาก แผนผังของฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำสำหรับทั้ง LTSpice และวงจรกายภาพสามารถพบได้ในรูปภาพ

จะทดสอบได้อย่างไร?

ตัวกรองความถี่ต่ำผ่านสามารถทดสอบได้โดยใช้การกวาดกระแสสลับบนทั้ง LTSpice และวงจรทางกายภาพ เมื่อเรียกใช้การกวาดแบบกระแสสลับ คุณควรเห็นว่าความถี่ด้านล่างถึงจุดตัดไม่เปลี่ยนแปลง แต่ความถี่ที่อยู่เหนือจุดตัดจะเริ่มถูกกรองออก

ขั้นตอนที่ 4: ทำโครงการให้เสร็จ

เมื่อวงจรเสร็จแล้วควรมีลักษณะเหมือนภาพข้างบนนี้! ตอนนี้คุณพร้อมที่จะแนบอิเล็กโทรดเข้ากับร่างกายของคุณและดู ECG แล้ว! นอกจากออสซิลโลสโคปแล้ว ECG ยังสามารถแสดงบน Arduino ได้อีกด้วย