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實驗二:生醫信號量測電路之設計
2019/10/09
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Experiment Overview
• Part 1• Design ECG and EMG circuit for bio-signal detection
• Digitize (ADC) waveform with a microcontroller (MCU)
• Transmit to the self-designed APP via bluetooth
• APP: Bluetooth connection、waveform display
• Part 2 • Filter the EEG’s alpha 、 beta、theta、delta wave
using a digital filter
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Introduction
• Characteristics of ECG, EMG, and EEG waveform• Based on the findings from experiment 1 and published
reports/journals
• Examples: amplitude, frequency and bandwidth
• Design your own detection circuit(s)• Use NI ELVIS II to test the effectiveness of your circuit
• Energy efficient circuit• The trade-off between power
consumption and accuracy
We only consider accuracy when rating
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Simplified Layout of Detection Circuit
Signal Inputs
(3 Leads)Pre-Amplification
Filter
(LPF / HPF /
NOTCH / BPF)
Post-Amplification
Signal Output
(0V – 5V)Voltage Level Shifter
ADC
Display
Circuit
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問一:為什麼要放大兩次(或多次)?
Signal Inputs
(3 Leads)Pre-Amplification
Filter
(LPF / HPF /
NOTCH / BPF)
Post-Amplification
Signal Output
(0V – 5V)Voltage Level Shifter
ADC
Display
Circuit
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答一:Noise Figure
• 如何達成最高的增益、最低的雜訊指數?
(越小越好)Noise Figure:
大 小 小 小
中 中 中 中
G1↑
G1↓
SNR越大越好
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問二:信號有三個輸入,怎麼接OPA?
VIN+
VIN-
GND
非反向放大電路
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答二:差動放大器 (減法器)
VIN+
VIN-
GND
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問三:可以用加法器嗎?
VIN+
VIN-
GND
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答三:不行,輸入端的雜訊會被放大
Vn +
Vn +
Vn +
Vn +
Vn +
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Pre-Amplification
Input 1 R3
+
–
–
+
R1
R5
–
+
R2
A1
A2
A3 Output
R4
R6
Gain set
Gain set
Input 2
Vin1 + Vcm
RG
Vin2 + Vcm
Vout = Acl(Vin2 - Vin1)
差動放大器 儀表放大器 (INA128)
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Filter
• 從頻譜以及文獻看訊號主要的頻帶在哪
• 設計適當的濾波器• 高通濾波器
• 低通濾波器
• 帶通、帶拒濾波器 (60Hz 市電雜訊)
• 濾波器中的R跟C要設多少
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How to design a filter?
• https://www.changpuak.ch/electronics/index.php
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How to design a filter?
• https://www.changpuak.ch/electronics/index.php
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How to design a filter?
• https://www.changpuak.ch/electronics/index.php
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How to design a filter?
• https://www.changpuak.ch/electronics/index.php
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How to design a filter?
• https://www.changpuak.ch/electronics/index.php
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How to design a filter?
• https://www.changpuak.ch/electronics/index.php
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Ideal filter
1
2𝜋𝑅𝐶
Feedback = Q
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Buffer
• 使前一級電路不受負載影響
R=∞
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Post Amplifier
• 基本OP放大器
• non-inverting amplifier
• Gain=1+R2/R1
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Level Shifter
• Arduino uno接收電壓範圍0~5V
• 透過分壓讓訊號平移至0V以上
• 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉+ 1 +𝑅2
𝑅1
• 𝑉+ =𝑅3𝑉2
𝑅3+𝑅4+
𝑅4𝑉1
𝑅3+𝑅4
•不能送負的電壓進去Arduino
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This detection circuit could be the platform for building your term project
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NI ELVIS 電路測試板
• 外觀
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NI ELVIS 電路測試板
• 電源供電方式
電源線
NI ELVIS 電路測試板
USB線 電源來源
電源記得打開
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NI ELVIS 電路測試板
• 確認是否正常運作
電源記得打開
1. PROTOTYOING BOARDPOWER:綠燈
2. USB READY:橘燈
3. DC Power Supply Indicators:綠燈
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NI ELVIS 電路測試板
• NI ELVISmx Instrument Launcher開啟方式
1. 開始+搜尋:NI ELVISmx
2. 點擊NI ELVISmx Instrument Launcher
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• NI ELVISmx Instrument Launcher開啟樣
DMM (Digital Multimeters):三用電表Scope (Oscilloscope):示波器FGEN (Function generator):訊號產生器VPS (Variable power supply):可調電源供應器Bode (Bode plot):波德圖
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NI ELVIS 電路測試板
• DMM (Digital Multimeters) – 量電阻
Step 1
Step 2
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NI ELVIS 電路測試板
• DMM (Digital Multimeters) – 量電阻
Step 1
Step 2
Step 4
Step 3
無極性之分
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NI ELVIS 電路測試板
• DMM (Digital Multimeters) – 量電容
Step 1
Step 2
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NI ELVIS 電路測試板
• DMM (Digital Multimeters) – 量電容
Step 1
Step 2
Step 3
Step 4
有極性之分
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NI ELVIS 電路測試板
• VPS (Variable power supply):供電
Step 1 Step 2
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NI ELVIS 電路測試板
Vcc +
Vcc -
• VPS (Variable power supply):供電
GND
Step 3
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NI ELVIS 電路測試板
• VPS (Variable power supply):供電
Step 1 Step 2
Step 4
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NI ELVIS 電路測試板
• DMM (Digital Multimeters) – 量電壓
Step 1
Step 2
Step 3
Step 4
Vcc +
Vcc +
Vcc -
GND
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NI ELVIS 電路測試板
• FGEN (Function generator):訊號產生器
Step 1
Step 3
Step 2
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NI ELVIS 電路測試板
• Scope (Oscilloscope):示波器
Step 1
Step 2
Step 4
Step 3
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NI ELVIS 電路測試板
• FGEN & Scope
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NI ELVIS 電路測試板
• FGEN & Scope
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NI ELVIS 電路測試板
• FGEN & Scope
垂直一格的寬度
水平一格的寬度
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上禮拜三(10/2)在操作上出了甚麼問題?
• 重接就好了
By 助教
By 同學
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NI ELVIS 電路測試板
• Bode (Bode plot):波德圖
Step 1
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NI ELVIS 電路測試板
• Bode (Bode plot):波德圖
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NI ELVIS 電路測試板
• Bode (Bode plot):波德圖
帶拒濾波器:截止頻率60Hz
Input Output
1. FGEN signal to the input of the circuit2. Reference point of the circuit to the GND signal on the prototyping board
GND
Step 1
Step 2
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NI ELVIS 電路測試板
• Bode (Bode plot):波德圖
3. FGEN signal to the Stimulus Channel+4. Stimulus Channel- to the GND signal on the prototyping board
Stimulus Channel:AI 0Response Channel:AI 1
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NI ELVIS 電路測試板
• Bode (Bode plot):波德圖
3. FGEN signal to the Stimulus Channel+4. Stimulus Channel- to the GND signal on the prototyping board
Stimulus Channel:AI 0Response Channel:AI 1
Step 3Step 4
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NI ELVIS 電路測試板
• Bode (Bode plot):波德圖
5. The output of the circuit to the Response Channel+6. Response Channel- to the GND signal on the prototyping board
帶拒濾波器:截止頻率60Hz
Input
GND
Output
Step 5
Stimulus Channel:AI 0Response Channel:AI 1
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NI ELVIS 電路測試板
• Bode (Bode plot):波德圖
5. The output of the circuit to the Response Channel+6. Response Channel- to the GND signal on the prototyping board
Stimulus Channel:AI 0Response Channel:AI 1
Step 6
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• Bode (Bode plot):波德圖
記得電路要供電
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NI ELVIS 電路測試板
• Bode (Bode plot):波德圖
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NI ELVIS 電路測試板
• Bode (Bode plot):波德圖
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NI ELVIS 電路測試板
• Bode (Bode plot):波德圖
CH 0:電路輸入CH 1:電路輸出
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NI ELVIS 電路測試板
• Bode (Bode plot):波德圖CH 0 (綠色):電路輸入CH 1 (藍色):電路輸出
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Simplified Layout of Detection Circuit
Signal Inputs
(3 Leads)Pre-Amplification
Filter
(LPF / HPF /
NOTCH / BPF)
Post-Amplification
Signal Output
(0V – 5V)Voltage Level Shifter
ADC
Display
~mV
Circuit
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Arduino Uno
• Microcontroller evaluation board• ATmega328 microcontroller
• Clock: 16 MHz
• 14 Digital I/O
• 6 Analog inputs
• 10 bits ADC
• Software serial function
https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
避免使用
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Analog to Digital Converter
• 如何將0~5V電壓轉換為數位訊號?
• 10 bits ADC
• 2^10=1024 → 0~1023
• 例如輸入電壓3V
• 3*1023/5=614(DEC)=00100110110(BIN)
5V
0V
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Arduino IDE
Tool
Please select the correct board and port
• https://www.arduino.cc/en/main/software
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Arduino IDE
1. Import Library
2. Define Variables/Constants
1. Setup Pins
2. Initialize Functions
Do…… until power is turned off!
1. Read ADC output
2. Send ADC result via BT module
整理訊號
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Analog to Digital Converter
• Nyquist theorem• sampling rate > 2 * wave frequency
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HC-05 Bluetooth Module
1. AT
2. AT+NAME?
3. AT+PSWD?
4. AT+UART = Baud Rate , 停止位元 , 同位(parity)位元
Enter AT Mode1. KEY: HIGH2. Push Button DownBefore power up Bluetooth Module
• https://livingtech.education/2018/06/03/arduino%E5%AF%A6%E7%94%A8-hc-05-at-mode%E4%B8%BB%E5%BE%9E%E9%85%8D%E5%B0%8D/
(The default password is 1234)
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App Inventor 2
• You need to have a Google Account
• URL: ai2.appinventor.mit.edu
Basic function:1. Bluetooth connection2. Receiving data3. Draw data into waveforms
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App Inventor 2
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App Inventor 2
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Arduino + HC-05 + App Inventor
• https://www.youtube.com/watch?v=xjtxrxVauZg
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Arduino + HC-05 + App Inventor
• https://www.youtube.com/watch?v=JQ3tDhpmSFE
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Digital filter (EEG)
• MATLAB、Python 、 etc• Built-in functions: butter / besself / cheby1 / maxflat
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評分標準
• ECG 30%、EMG 30%、APP 20%、EEG 20%
• Accuracy (Most important)• Regardless of the complexity of the detection circuit
• Compare the detected signal with the results from exp.1• ECG: PR interval / QRS interval / ST intervals … etc.
• EMG: Tonus measurement … etc.
• EEG: Frequency domain
• Teamwork situation實驗一
實驗二
APP
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行事曆
週數 日期 內容 報告繳交
5 10/09 實驗二(生醫信號量測電路之設計):簡介
6 10/16 各組自行安排完成實驗二 實驗一報告
7 10/23 實驗二:各組demo (本週任何時間都可,與助教約時間)
8 10/30 期中報告(1),五組報告 期中報告(五組)
9 11/06 期中考週停課 實驗二報告
https://docs.google.com/spreadsheets/d/1kUrHecCTJPx4GCL2CcfWx-pDcfRk4TCM/edit#gid=137118687
108_1_實驗二_時間登記表
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實驗二 demo
• 地點:明達304、截止日期:10/26(星期六)晚上6點前
• 每組約10分鐘、Q&A約8分鐘(決定個人成績)、期末專題討論• 介紹電路架構、展示實驗一紀錄的訊號、用示波器(ELVIS)展示電路輸出
的波型、展示APP 、展示EEG數位濾波的結果
• 事先跟我約時間• 10/21(星期一):6:00PM~12:00PM
• 10/22(星期二):6:00PM~12:00PM
• 10/23(星期三):9:00AM~12:00PM
• 10/24(星期四):6:00PM~12:00PM
• 10/25(星期五):9:00AM~3:00PM、6:00PM~12:00PM
• 10/26(星期六):9:00AM~6:00PM
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Additional questions (1)
1. 當所欲量測的生理信號頻譜跟60Hz的雜訊有所重疊時,請問應該怎樣去解決這個問題?
2. 要提高信號的SNR,除了使用濾波器之外,是否有其他方法可以改善?
3. 你覺得濾波器用軟體設計比較理想或者用硬體設計較佳?若各有優缺點,請問差別在哪裡?
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Additional questions (2)
4. 實驗報告的內容請描述電路的設計(附上電路圖)以及測試的結果。請跟實驗一的量測結果作比較,你覺得兩者的結果有什麼不同?你覺得自己設計的這個量測電路是否可信賴?(請試著拿出臨床的資料一起比較)
5. 請粗略計算所設計之電路的功率。請討論可以降低功率的方法,例如不同的濾波器設計或是使用其他IC (請提供IC的Part Number)等。
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器材擺放位置
• 五套 NI ELVIS 電路測試板 (用完要歸位)
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器材擺放位置
• 每一組有兩塊麵包板,上面都有標示組別
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器材擺放位置
• 每一組有一塊Arduino Uno、一個HC-05、一包杜邦線
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器材擺放位置
電容
單芯線 電阻
OPA(OP741、INA128)
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器材擺放位置
電阻直接拿庫存的,期末用完後要放回去
電阻
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組別位置
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電腦使用注意事項
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實驗二報告
• 報告繳交期限: 11月06日(三)12:20PM前
• 報告內容• Normal report format: Introduction, Method, Results,
Discussions, Conclusions
• Design/Specification: circuits, Arduino program, App
• Additional questions
• 郵件主旨:【108-1生醫工程實驗】第一組實驗二報告
• 報告名稱:108_1_第一組實驗二報告_20190909.pdf
• 請合併成一個PDF檔案寄到助教的信箱
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• 實驗一報告繳交期限: 10月15日(二)晚上11:00PM前
• 報告內容• Complete three experiment reports (三份實驗紀錄表格檔案)
• Complete additional questions
• 郵件主旨:【108-1生醫工程實驗】第一組實驗一報告
• 報告名稱:108_1_第一組實驗一報告_20190909.pdf
• 請合併成一個PDF檔案寄到助教的信箱[email protected]
注意事項
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注意事項
• 下禮拜三(10/16)不用上課
• 要記得填實驗二的時間登記表
• 有問題來前面找我
• 沒問題的同學可以下課