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以 Arduino 探討生理訊號量測

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介紹電子元件基本特性與取樣方法,並介紹數個以 Arduino 為基礎的實作作品

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以 Arduino 探討生理訊號量測

  1. 1. 台南大學數位學習科技學系 以 Arduino 探討生理訊號量測 謝琮閔
  2. 2. Outline ● 生理訊號量測目的 ● 量測設備方案比較 ● 濾波與取樣 ● 案例說明 ● Q&A 12 10 8 6 4 2 0 列 1 列 2 列 3 列 4 欄 1 欄 2 欄 3
  3. 3. 量測目的
  4. 4. 生理訊號量測目的 ● 量測血壓、體溫 ● 量測心跳 ECG ( EKG ) ● 紀錄睡眠情況 ● 分析運動強度
  5. 5. 量測方案比較
  6. 6. 量測選擇 ● 傳統醫療設備檢測 ● 穿戴式設備 ● Arduino自製 ● 價格比較
  7. 7. 傳統醫療設備檢測 b
  8. 8. 穿戴式設備
  9. 9. Arduino自製
  10. 10. 價格比較 類型價格精確度易用性可組裝性 醫療級& 實驗室 級 $100000 以上高低低 市售穿戴式設備$1800 ~ $5500 中等高低 Arduino 零組件$55 ~ $1500 一般一般高
  11. 11. 濾波與取樣
  12. 12. 重溫基礎知識 ● 波、波長、頻率、能量關係 ● 認識電阻、電容、低通濾波、高通濾波、帶通濾 波、帶組濾波、全通濾波 ● 認識放大器 ● 濾波與放大先後關係 ● 取樣頻率 ● 取樣頻寬
  13. 13. 認識波
  14. 14. 概述 - 波 ● 訊號就是一種「波」 ● 波依照波長、頻率可區分為短波、長波、 高頻、低頻 ● 波長越短,頻率越快,能量越強 ● 任何訊號都會參雜來自外界的干擾雜訊 ● 預取得正確訊號,須透過濾波
  15. 15. 波長
  16. 16. 頻率
  17. 17. 電磁波譜
  18. 18. 電容與電阻物理特性
  19. 19. 認識電阻電容
  20. 20. 當電阻遇到高頻或低頻時... ?
  21. 21. 就像是..... Nothing Happened
  22. 22. 當電容遇到高頻或低頻時... ?
  23. 23. 電容遇到高頻通過時
  24. 24. 電容遇到低頻通過時
  25. 25. 常見濾波電路與波型
  26. 26. 常見濾波波型
  27. 27. 高通濾波
  28. 28. 低通濾波
  29. 29. 帶通濾波
  30. 30. 帶阻濾波
  31. 31. 認識放大器
  32. 32. OPAMP 開迴路OPAMP 市售 741 OPAMP
  33. 33. 常見 OPAMP 接法 閉迴路正回授 反向閉迴路負回授 非反向閉迴路負回授
  34. 34. OPAMP 正回授 正回授的用途有: ● 作為有遲滯的比較器,形成施密特電路 ● 產生振盪 目的: ● 抗干擾
  35. 35. OPAMP 負回授 反向放大電路 非反向放大電路
  36. 36. 對於取樣結果而言,哪一個方法比較好? ● 先濾波再放大? ● 先放大再濾波?
  37. 37. 先放大再濾波 Before After
  38. 38. 先過濾再放大 Before After
  39. 39. 取樣頻寬(1) ● 頻寬 (Bandwidth) 描述的是類比前端在振幅損 失最少的前提下,將訊號從外部世界傳入ADC 的能力 ● 頻寬指定為正弦曲線輸入訊號衰減至原振幅之 70.7% 時的頻率,亦稱為 -3 dB 點
  40. 40. 取樣頻寬(2) ● 數位器示波器的頻寬最好比要測量的訊號中的最 高頻率高 3 ~ 5 倍 ● 輸入訊號的上升時間是指訊號從最大訊號振幅的 10% 轉換到 90% 的時間 ● 頻寬、取樣速率,與奈奎斯特定理
  41. 41. 取樣頻率 ● 取樣頻率定義了每秒從連續訊號中提取並組成離 散訊號的取樣個數,它用赫茲(Hz)來表示 ● 取樣頻率只能用於周期性取樣的取樣器,對於非 周期性取樣的取樣器沒有規則限制 ● 奈奎斯特定理(Nyquist Theorem): 取樣率 (f s) > 2 *受測訊號的最高頻率部份
  42. 42. 範例-取樣頻率 (1)
  43. 43. 範例-取樣頻率(2) 奈奎斯特頻率的正弦波範例
  44. 44. 舉個例子
  45. 45. 案例說明 ● 應用於大白鼠的無線 ECG 量測系統設計 ● Arduino紅外線脈搏感測器 ● 夾指式脈搏量測
  46. 46. Q & A
  47. 47. Thank you for join today!

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