以 Arduino 探討生理訊號量測

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

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

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

量測選擇
● 傳統醫療設備檢測
● 穿戴式設備
● Arduino自製
● 價格比較

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

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

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

當電阻遇到高頻或低頻時... ?

就像是.....
Nothing Happened

當電容遇到高頻或低頻時... ?

OPAMP
開迴路OPAMP
市售 741
OPAMP

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

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

OPAMP 負回授
反向放大電路
非反向放大電路

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?

先放大再濾波
Before After

先過濾再放大
Before After

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

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

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

範例-取樣頻率(2)
奈奎斯特頻率的正弦波範例

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

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