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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
量測目的
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
量測方案比較
量測選擇 
● 傳統醫療設備檢測 
● 穿戴式設備 
● Arduino自製 
● 價格比較
傳統醫療設備檢測 
b
穿戴式設備
Arduino自製
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
濾波與取樣
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
認識波
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
波長
頻率
電磁波譜
電容與電阻物理特性
認識電阻電容
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... ?
電容遇到高頻通過時
電容遇到低頻通過時
常見濾波電路與波型
常見濾波波型
高通濾波
低通濾波
帶通濾波
帶阻濾波
認識放大器
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 (1)
範例-取樣頻率(2) 
奈奎斯特頻率的正弦波範例
舉個例子
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
Q & A
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