Aan de totstandkoming van dit boekje hebben meegewerkt: HET ELEKTROCARDIOGRAM (ECG)

HET ELEKTROCARDIOGRAM (ECG). Zoals iedere spier die beweegt in ons lichaam een elektrische spanning afgeeft, geeft ook het hart bij iedere hartslag een elektrische spanning af. Deze spanning, die door het hart wordt afgegeven, heeft een kenmerkende vorm en is bij iedereen ongeveer gelijk. De spanning ziet eruit zoals is aangegeven in figuur 1.

Aan de totstandkoming van dit boekje hebben meegewerkt: •

Hans Bosch

•

Herman Ossevoort

•

Wim Leliveld

Adres:

Figuur 1. Het verloop in de tijd van het ECG. Het is deze spanning die we nodig hebben om verder mee te werken in de hartslagmeter. De hoge piek in het ECG van figuur 1 (aangeduid met R) wordt in de hartslagmeter gedetecteerd en verder verwerkt. Doordat ons bloed een goede geleider is voor elektriciteit hoeft de spanning afkomstig van het hart niet in de onmiddellijke omgeving van het hart te worden afgenomen, maar is het mogelijk om de spanning af te nemen bij de beide polsen en op een van beide onderbenen. Het opnemen van het ECG gebeurt met elektroden. Elektroden zorgen voor een goed contact met de huid, zodat de spanning van het ECG kan worden afgenomen. Om dit goede contact te bewerkstelligen wordt tussen de elektrode en de huid een sponsje met wat keukenzout oplossing aangebracht. Aan iedere elektrode is een draad bevestigd. Deze draden gaan naar de hartslagmeter en voeren zo de spanning, afkomstig van het hart, naar de meter. De aansluiting van deze drie draden is weergegeven in figuur 2.

2

Technische Universiteit Eindhoven Faculteit Elektrotechniek Leerstoel SPS (Signal Processing Systems)/ medische elektrotechniek E-hoog, vloer 3 Den Dolech 2 5612 AZ, Eindhoven Website: http://www.sps.ele.tue.nl

Voor inlichtingen kun je terecht bij: •

Herman Ossevoort, tel. 040-247 3292, email [email protected]

•

Hans Blom, tel. 040-247 3287, email [email protected]

•

Geert v. d. Boomen, tel. 040-2473570, email [email protected]

•

Harrie Kuipers, tel. 040-247 3547, email [email protected]

19

IC1 zorgt ervoor dat de spanning waarop de schakeling werkt constant op 5 volt blijft ook al verliest de batterij wat spanning. Alleen als de batterij bijna leeg is zal de hartslagmeter niet meer correct kunnen werken. In het totaalschema zijn ook een drietal meetpunten gegeven, die je kunt bekijken met een oscilloscoop. Mocht je na deze uitleg nog vragen hebben, dan kun je terecht bij de mensen die op bladzijde 19 vermeld staan.

Figuur 2. Aansluiting van de drie elektroden aan de hartslagmeter. Voordat de werking van de hartslagmeter verklaard kan worden moet je eerst wat eenvoudige basiskennis hebben van elektronica. Deze basiskennis bestaat uit het globaal begrijpen van de volgende zaken: elektrische spanning, weerstand, elektrische stroom, Wet van Ohm, condensator en operationele versterker. De laatste term zal in het vervolg worden afgekort tot “op-amp”, afkomstig van het Engelse “operational amplifier”, De genoemde zaken zullen nu een voor een besproken worden.

ELEKTRISCHE SPANNING, STROOM, WEERSTAND EN DE WET VAN OHM. Een weerstand is een onderdeel waar de elektrische stroom moeilijk doorheen kan lopen. In figuur 3 is een weerstand getekend en tevens is aangegeven hoe een weerstand in een (elektronisch) schema wordt aangegeven. In zo'n schema geeft men alle onderdelen aan met behulp van symbolen. Deze symbolen zijn gemakkelijk te tekenen en voor iedereen duidelijk omdat ze internationaal zijn. Door gebruik te maken van symbolen die iedereen kent wordt verwarring voorkomen. Ieder type elektronisch onderdeel heeft zijn eigen symbool.

Figuur 3. Afbeelding van een weerstand (links) en het symbool van een weerstand zoals dat gebruikt wordt in een schema. 18

3

De gekleurde ringen op een weerstand vormen een code waarmee men de waarde van de weerstand vastlegt. De manier waarop je met deze code de waarde van een weerstand kunt bepalen vind je in de “Handleiding bij de bouw van de hartslagmeter”. Een weerstand kun je vergelijken met een dunne buis of een halfopen kraan waar water doorheen stroomt. Het water wordt in de buis rondgepompt door een waterpomp, zoals is aangegeven in figuur 4.

Figuur 4, Watercircuit, De pomp P zorgt ervoor dat het water door de buis blijft stromen. Daartoe moet de pomp het water door het dunne stuk buis heen persen. Om het water door het dunne stuk buis heen te persen is het nodig dat de waterdruk links van het dunne stuk buis hoger is dan de waterdruk rechts van het dunne stuk buis. Omdat het water niet vanzelf door de dunne buis stroomt maar er door geduwd moet worden door de pomp, zeggen we dat de dunne buis weerstand levert tegen de waterstroom. Het dikke stuk buis is zo dik dat dit praktisch geen weerstand biedt tegen de doorgang van het water. Alle zojuist genoemde dingen in het watercircuit van figuur 4 (pomp, waterstroom, druk, dunne buis en dikke buis) kun je ook herkennen in het elektrische circuit van figuur 5.

Figuur 5. Elektrisch circuit

4

Een waterbak waar via een nauwe uitgang water uit kan stromen heeft dus de eigenschap om stoten water om te zetten in een min of meer gelijkmatige stroom water. Dit doet iedere waterbak. Met z'n drieën achter elkaar zorgen de waterbakken ervoor dat van de losse emmers water die in de linker bak worden geworpen aan de uitgang van de rechter bak een constante stroom water is gemaakt. Ook is te begrijpen, dat de stroom uit de bakken groter zal worden als je meer emmers per minuut erin leeggooit. Doordat de waterstroom die uit de rechter bak stroomt constant is, moet ook het waterniveau in de rechter bak constant zijn. Dat betekent dat ook de waterdruk op de bodem van het rechter vat constant is. Door iedere condensator van de “teller” voor te stellen als een waterbak en iedere weerstand als een dunne buis is de “teller” te zien als het systeem van drie bakken die pulsen van elektrische stroom omzetten in een constante stroom. De constante druk die in de rechter bak aanwezig is kunnen we nu “vertalen” in een constante elektrische (gelijk-) spanning. Met deze spanning wordt het afleesmetertje aangestuurd. “Versterker 2” (op-amp IC4.4) is toegepast omdat de spanning die de “teller” geeft niet geschikt is om het afleesmetertje direct op de “teller” aan te sluiten. De weerstanden R23, R24, R25 en R26 bepalen wat de maximale en de minimale waarde van de hartslag is die op het metertje kan worden weergegeven. De werking van het alarm voor een te hoge hartslag is als volgt. De gelijkspanning die uit de “teller” komt wordt toegevoerd aan de + aansluiting van op-amp IC4.1 (“vergelijker 1”). Op de ─ aansluiting van deze op-amp heb je met behulp van R20 de spanning Vref1 ingesteld die overeenkomt met de waarde van de hartslag die je te hoog vindt. Als nu de gemeten hartslag zo hoog wordt dat de gelijkspanning, die uit de “teller” komt, hoger wordt dan de spanning die met R20 is ingesteld op de - aansluiting van de op-amp, dan zal de uitgang van opamp IC4.1 5 volt afgeven; dat is uitgelegd bij de beschrijving van de operationele versterker hierboven. Via weerstand R27 zal dan het rode lampje met nummer D1 branden. Het alarm voor een te lage hartslag werkt op overeenkomstige wijze. Nu wordt de gelijkspanning uit de “teller” toegevoerd aan de + aansluiting van op-amp IC4.2 (“vergelijker 3”). Op de ─ aansluiting van deze op-amp is met behulp van R22 de spanning ingesteld die overeenkomt met een hartslag die je te laag vindt. Als de gemeten hartslag zo laag is dat de gelijkspanning uit de “teller” lager is dan de spanning die ingesteld is op de ─ aansluiting dan zal de uitgang van de op-amp 0 Volt afgeven. Via de weerstand R28 zal dan het rode lampje met nummer D3 branden. De functie van IC1 (een spanningsregelaar) is de spanning waarmee de gehele schakeling werkt constant te houden. Deze spanning bedraagt 5 volt zoals in het totale schema van de hartslagmeter is aangegeven. De constante spanning is nodig omdat het metertje alleen dan zinvol geijkt kan worden als de schakeling op een constante spanning werkt. Dit kun je niet bereiken door het apparaat aan te sluiten op alleen maar een batterij omdat iedere batterij leeg loopt en langzaam zijn spanning verliest. 17

In figuur 19 zijn alleen de voor de uitleg belangrijke onderdelen weergegeven. IC3 is een geïntegreerde schakeling, een zogenaamde “timer”. De werking van deze timer is als volgt. De puls, die door “pulsvormer 1” gemaakt wordt, telkens wanneer er een hartslag door de elektroden wordt opgenomen van de huid, wordt aan de ingang van de timer (aansluiting 2 van IC3) doorgegeven. De uitgang van de timer (aansluiting 3) is normaal 0 Volt (laag). Merkt de timer echter, dat zijn ingang laag wordt (dus dat er een puls begint op zijn ingang), dan maakt hij onmiddellijk zijn uitgang 5 Volt (hoog). Tegelijkertijd begint hij de condensator C6 via weerstand R15 op te laden. Als hij merkt dat de condensator “vol” is, maakt hij zijn uitgang weer 0 Volt. Zoals bij de beschrijving van de condensator hierboven is uitgelegd, hangt de oplaadtijd van een condensator alleen af van de waarde van de weerstand en de condensator. Die waarden hebben wij zo gekozen dat de oplaadtijd ongeveer 0,2 seconde is. Op de uitgang van de timer ontstaan dus pulsen met een vaste duur van 0,2 seconde. De lengte van de puls op de ingang is onbelangrijk, omdat de timer alleen op het begintijdstip van de puls reageert. Zolang de puls op de ingang korter is dan de puls op de uitgang (en dat is in ons geval zeker zo, als “pulsvormer 1” goed is ingesteld) heeft de duur van de puls op de ingang geen enkele invloed. Op de uitgang van “pulsvormer 2” is zo een puls ontstaan waarvan de duur exact bekend is. Dit herhaalt zich bij iedere hartslag zodat bij iedere hartslag dezelfde puls door IC3 wordt afgegeven. Daarmee is de werking van “pulsvormer 2” verklaard. Het volgende blokje uit het blokschema is de “teller” die de identieke pulsen uit “pulsvormer 2” omzet in een gelijkspanning. De “teller” is opgebouwd uit drie weerstanden en drie condensatoren en is weergegeven in figuur 20 samen met een “waterbak-voorstelling ” van de “teller”.

Het elektrische circuit van figuur 5 is in wezen hetzelfde als het watercircuit van figuur 4. Het enige dat veranderd is, is de naamgeving van de onderdelen, maar alle onderdelen in het elektrische circuit doen hetzelfde met elektrische stroom als de onderdelen in het watercircuit doen met de waterstroom. De verandering van de namen van de onderdelen vind je in onderstaande tabel.

Figuur 20. De “teller” uit het blokschema met de “waterbak-voorstelling ”ervan.

Stroom =

De verklaring van de “teller” is het eenvoudigst te begrijpen door eerst alleen naar de waterbak-voorstelling te kijken. Als in de linker waterbak een emmer water wordt gegooid dan zal het water door de dunne buis naar de middelste bak lopen en vandaar naar de rechter bak. De manier waarop het water uit de linker bak loopt is redelijk constant. Er wordt dus op een pulsvormige manier (nl. afzonderlijke emmers) water in de linker bak geworpen terwijl het water al veel geleidelijker uit deze bak stroomt. 16

ELEKTRISCH CIRCUIT

WATERCIRCUIT Waterpomp Waterstroom Waterdruk Dunne buis Dikke buis

→ → → → →

Elektrische pomp (batterij) Elektrische stroom (I) Elektrische druk (spanning V) Weerstand (R) Geleider (= doorverbinding, hetgeen inhoudt dat de weerstand praktisch nul is.)

In deze tabel zijn ook de afkortingen gegeven die men gebruikt voor de elektrische grootheden. Deze zijn: voor de stroom de hoofdletter I; voor de spanning de hoofdletter V en voor de weerstand de hoofdletter R. De aansluiting van de batterij waar de (elektrische) stroom uit komt wordt de positieve pool van de batterij genoemd. De aansluiting waar de stroom de batterij ingaat wordt de negatieve pool van de batterij genoemd. Deze twee polen van de batterij zijn op de batterij zelf aangegeven met een + teken respectievelijk een ─ teken. In het watercircuit zegt men dat er over de dunne buis druk staat die het water door de dunne buis duwt. De druk wordt in stand gehouden door de pomp. In het elektrische circuit zegt men dit over de weerstand een spanning staat die er voor zorgt dat de elektrische stroom door de weerstand kan blijven lopen. Hier zorgt de batterij ervoor dat de spanning gehandhaafd wordt. Er blijkt een eenvoudig verband te bestaan tussen de elektrische grootheden spanning, weerstand en stroom. Deze relatie wordt de Wet van Ohm genoemd en luidt:

Spanning Weerstand

Of als we gebruik maken van de zojuist ingevoerde afkortingen:

I=

V R

(Wet van Ohm)

5

In de Wet van Ohm moet je de stroom, spanning en weerstand invullen in de juiste eenheden die voor deze grootheden gelden. Deze eenheden zijn: voor de spanning voor de stroom voor de weerstand

: Volt (V) : Ampère (A) : Ohm (Ω)

Voorbeeld (zie figuur 6).

Figuur 6. Eenvoudig elektrisch circuit bestaande uit een batterij verbonden met een weerstand. De stroom die in dit circuit door de weerstand loopt berekenen we met de Wet van Ohm:

I=

9V = 0,001 A = 1 mA 9000

waar de letter m staat voor milli en een duizendste voorstelt. Een iets ingewikkelder circuit vind je in figuur 7. Dit circuit komt veel voor in de hartslagmeter en het is daarom van belang het goed te begrijpen.

Figuur 18. Instelling van de waarde van de spanning op de─aansluiting van de op-amp met nummer IC4.3. Op deze manier ingesteld zorgt de op-amp ervoor dat zijn uitgang alleen 0 V is wanneer de R-top van het ECG uit “versterker 1” aanwezig is. De rest van de tijd is hij 5V. Dit volgt immers uit de werking van de op-amp. Zoals uitgelegd bij de bespreking van de op-amp: is de spanning op de negatieve ingang hoger dan die op de positieve, dan is de uitgangsspanning laag, en andersom. Je kunt nu ook begrijpen hoe je R21 moet instellen: stel je de spanning Vref2 te laag in met R2I, dan zal de R-top van het ECG nooit beneden de ingestelde spanning komen en ontstaan er geen pulsen. Het groene lampje D2 zal dan nooit branden. Stel je de spanning Vref2 te hoog in met R21, dan komen er ook andere toppen van het ECG beneden de ingestelde spanning en ontstaan er teveel pulsen. Het groene lampje zal dan meerdere keren opflitsen per hartslag of continu branden. Is de spanning goed ingesteld, dan zal het groene lampje keurig een keer per hartslag kort opflitsen. De pulsen zijn aanwezig op de uitgang van op-amp IC4.3. Dat is aansluiting 8 van IC4. Op deze plaats in het totale schema zijn de pulsen aanwezig zoals beschreven bij het blokschema. Deze pulsen duren niet alle even lang. Het volgende gedeelte van het totale schema zorgt ervoor dat er pulsen gemaakt worden die alle even lang duren. Dit volgende gedeelte is dus “pulsvormer 2” uit het blokschema. Hoe het er uit ziet in het totale schema is aangegeven in figuur 19.

Figuur 19. “Pulsvormer 2”. Figuur 7. Elektrisch circuit bestaande uit een batterij en twee weerstanden. 6

15

De functie van een schema is om op een overzichtelijke manier te laten zien uit welke onderdelen een elektronisch apparaat is opgebouwd en op welke manier die onderdelen met elkaar zijn verbonden. Het schema kan goede diensten bewijzen bij reparaties, mocht er onverhoopt later eens iets stuk gaan. Je kunt dan in het schema zien hoe je het apparaat moet repareren en met welke onderdelen. De bespreking van het totale schema starten we bij de plaats waar de drie elektroden aan de hartslagmeter bevestigd worden. Dat is de plaats die in het blokschema overeenkomt met “versterker 1”. “Versterker 1” uit het blokschema bevindt zich in IC2 en bestaat uit 4 op-amps. We bespreken deze versterker verder niet maar nemen aan dat hij het ECG zoveel versterkt dat het verder in de hartslagmeter verwerkt kan worden. Aan de uitgang van “versterker 1” is dan het versterkte ECG aanwezig. Deze uitgang van “versterker 1” is de uitgang van op-amp IC2.3 en komt overeen met de aansluiting van het kastje van IC2 met nummer 8. Voor de verklaring van “pulsvormer 1” uit het blokschema, zie figuur 17. Figuur 17 is een klein stukje uit het totale schema. Dit stukje volgt onmiddellijk na de uitgang van “versterker 1”.

Het is nu van belang in te zien hoe de spanning berekend wordt die is aangegeven met V uit . Dit gaat als volgt in zijn werk. Eerst reken je de stroom uit die in de draad loopt. Dat doe je met de Wet van Ohm: de totale weerstand die op de batterij is aangesloten bedraagt 8000 Ω + 10.000 Ω en is dus 18.000 Ω. De stroom die dan door de draad loopt is 0,5 mA. Ga dit voor jezelf na. Door beide weerstanden loopt dus dezelfde stroom. Als we de Wet van Ohm in een andere vorm schrijven krijgen we:

Spanning = Stroom • Weerstand waarin het * teken vermenigvuldigen betekent. Gebruik makend van de afkortingen krijgen we:

V = I • R (Wet van Ohm) Nu kun je de waarde van V uit in figuur 7 berekenen. Immers de stroom die door R2 loopt heb je daarnet berekend en deze is 0,5 mA groot. De waarde van de weerstand R2, waar deze stroom doorheen loopt is l0.000 Ω De spanning die nu over deze weerstand staat bedraagt: Vuit.

= 0,5 mA • 10.000 Ω = 0,0005 A • 10.000 Ω

= 5V

De waarde van de spanning Vuit is dus 5 Volt. De schakeling van figuur 7 wordt een “spanningsdeler” genoemd, omdat Vuit altijd een vaststaand deel van de ingangsspanning is. Figuur 17. Opbouw van de “pulsvormer 1” uit het blokschema. Het versterkte ECG komt de op-amp (IC4.3) binnen op de aansluiting met het + teken. Op de aansluiting met het ─ teken staat een spanning Vref2 die bepaald wordt door de instelling van de potentiometer R21. Hoe deze spanning op de ─ aansluiting van de op-amp ontstaat is verklaard bij de Wet van Ohm, waar we de ”spanningsdeler” beschreven. De weerstand R21 is in feite een instelbare spanningsdeler. Door met een schroevendraaier aan weerstand R21 te draaien kun je de spanning op de - aansluiting van de op-amp veranderen tussen 0 Volt en 2,5 Volt. De hartslagmeter werkt correct als de spanning op de ─ aansluiting van de op-amp zo groot is dat alleen de top R van het ECG beneden de spanning op de ─ aansluiting kan komen. Dit is weergegeven in figuur 18.

14

DE CONDENSATOR Een condensator is een onderdeel dat je kunt opladen en ontladen. In de figuur hieronder zijn de typen condensatoren getekend die in de hartslagmeter worden gebruikt. Tevens is het symbool van een condensator getekend.

Figuur 8. De typen condensatoren die in de hartslagmeter gebruikt worden en het symbool van een condensator. 7

Een condensator kun je vergelijken met een waterbak die een bepaalde inhoud heeft. Zie figuur 9.

HET TOTALE SCHEMA Nu kunnen we overgaan tot de verklaring van het totale schema van de hartslagmeter. Het totale schema vind je in figuur 16.

Figuur 9. Een condensator kan vergeleken worden met een waterbak. De hoeveelheid elektriciteit die in een condensator kan worden opgeslagen komt overeen met de inhoud van de waterbak. Zoals de inhoud van een waterbak wordt aangegeven met het volume van de bak, zo wordt de “inhoud” van een condensator (dat is de hoeveelheid elektriciteit die erin kan) aangegeven met de capaciteit van de condensator. De capaciteit wordt aangegeven met de eenheid “micro-Farad” en wordt afgekort tot µF. Een condensator kun je ontladen door de beide aansluitdraadjes van de condensator met elkaar te verbinden. In dat geval sluit je de condensator kort en zal de elektriciteit die er in zit direct weglopen. Je kunt een condensator ook ontladen met een weerstand zoals aangegeven in figuur 10.

Figuur 10. Ontladen van een condensator met een weerstand. Merk op dat het ontladen van een condensator met een kortsluiting niet echt verschilt van het ontladen met een weerstand. Immers een kortsluiting is een weerstand met de waarde nul Ω. Het ontladen van de condensator komt overeen met het leeglopen van de waterbak. De snelheid waarmee de waterbak leegloopt wordt bepaald door stand van de kraan. Omdat de snelheid waarmee de condensator zich ontlaadt afhangt van de waarde van de weerstand die wordt aangesloten, kun je de kraan aan de waterbak vergelijken met de weerstand aan de condensator.

8

Figuur 16. Totale schema van de hartslagmeter

13

allemaal precies even lang duren. Het blokje dat is aangegeven met “pulsvormer 2” zorgt ervoor dat de pulsen allemaal een gelijke duur krijgen en dus identiek zijn aan elkaar. “Pulsvormer 2” wordt gevormd door IC3; als op de ingang van deze geïntegreerde schakeling een puls verschijnt van een willekeurige lengte, geeft hij aan zijn uitgang een puls af van een vaste lengte. De identieke pulsen gaan vervolgens een “teller” in die de pulsen omzet in een gelijkspanning. Dat gebeurt in feite door het gemiddelde te bepalen. Als er veel pulsen zijn, is het gemiddelde hoog, zijn er weinig pulsen, dan is het gemiddelde laag. Dit wordt verduidelijkt in figuur 15.

Je krijgt dan de volgende overeenkomst: Kleine weerstand, kraan ver open Grote weerstand, kraan bijna dicht

→ →

waterbak snel leeg. waterbak loopt langzaam leeg.

Als een condensator wordt opgeladen via een weerstand zoals in figuur 11 is Aangegeven, dan wordt de snelheid waarmee de condensator zich oplaadt alleen bepaald door de waarde van de weerstand en de condensator.

Figuur 11. Het opladen van een condensator via een weerstand.

Figuur 15. Het tellen van het aantal pulsen (= het aantal hartslagen) per minuut. Het principe is dus dat de gelijkspanning in waarde afhangt van het aantal pulsen dat per minuut de “teller” binnen komt. Door deze gelijkspanning via “versterker 2” toe te voeren aan een metertje dat geijkt is kan de hartslag worden afgelezen. De gelijkspanning die uit de "teller" komt wordt vergeleken met een andere spanning die je zelf kunt instellen door te draaien aan R20. De spanning die je zelf kunt instellen (Vref1) komt overeen met een bepaalde hartslag waarvan je vindt dat die te hoog is voor jou. Het vergelijken van de twee spanningen gebeurt in het blokje dat is aangegeven met “vergelijker 1”. Als de gelijkspanning uit de “teller” hoger wordt dan de spanning die je zelf hebt ingesteld dan zorgt “vergelijker 1” ervoor dat het rode lampje nummer D1 gaat branden. Zo wordt aangegeven dat de gemeten hartslag te hoog is. Het alarm voor een te lage hartslag werkt net zo. Met dien verstande dat nu het andere rode lampje (D3) gaat branden als de gelijkspanning die uit de “teller” komt lager is, dan de door jou met R22 ingestelde spanning Vref3. Het blokje “vergelijker 3” zorgt ervoor dat dit gebeurd. Het instellen van de spanningen die overeenkomen met de hartslagen per minuut waarbij een van beide rode lampjes moet gaan branden heb je op de bouwmiddag met een schroevendraaier gedaan. 12

Denk maar aan de vergelijking met de waterbak. Deze heeft een zekere inhoud (vergelijk: de waarde van de condensator) en wordt gevuld door een kraan waarvan je weet hoever die open staat (vergelijk de waarde van de weerstand) en dus hoeveel water hij doorlaat. Als je de inhoud van de waterbak en de stand van de kraan weet, dan weet je ook wanneer de bak vol zal zijn. Zo kun je ook uitrekenen wanneer de condensator vol zal zijn.

DE OPERATIONELE VERSTERKER (OP-AMP). Een op-amp is in feite een ingewikkeld elektrisch circuit, dat is samengesteld uit vele weerstanden, condensatoren en andere elementen. De werking van de op-amp wordt hieronder beschreven. Dit elektrisch circuit is uitgevoerd als “geintegreerde schakeling”, wat wil zeggen dat hij zeer sterk verkleind is en op een minuscuul plaatje van het materiaal silicium (een zogenaamde “chip”) is ondergebracht. Vier op-amps zitten op een “chip” die weer in een kastje zit. De “chip” zit in een kastje om hem te beschermen als je ermee werken moet. Zo'n kastje is getekend in figuur 12. De aansluitdraden van de op-amps bevinden zich aan de buitenkant van het kastje. Om precies vast te leggen welke aansluiting welke is, worden de aansluitingen genummerd van 1 tot en met 14. Aansluiting 1 wordt aangegeven doormiddel van een klein rondje op het kastje. Ook deze nummering is in figuur 12 aangegeven. 9

Figuur 12. Kastje waarin zich vier op-amps bevinden. De nummering van de aansluitingen begint bij het rondje en loopt verder rondom het kastje. Het symbool van een op-amp is weergegeven in figuur 13.

Figuur 13. Symbool van een op-amp. De op-amp doet het volgende: Wanneer de spanning op de aansluiting waar een + teken bij staat hoger is dan de spanning op de aansluiting waar een - teken bij staat, dan is de uitgangsspanning van de op-amp 5V. Omgekeerd, als de spanning op de + aansluiting lager is dan de spanning op de - aansluiting , dan is de uitgangsspanning van de op-amp 0 volt. De op-amp vergelijkt dus de spanningen op de + en de ─ aansluitingen en aan deuitgangspanning kun je zien welke van de twee het grootst is, en wordt comparator genoemd.

BLOKSCHEMA VAN DE HARTSLAGMETER We beginnen met de verklaring van het “blokschema” van de hartslagmeter. Een blokschema laat alleen de principes zien waar een apparaat mee werkt zonder dit de details aan bod komen. De bestudering van een blokschema is een goed middel om er achter te komen hoe een apparaat in hoofdlijnen werkt. Als je deze hoofdlijnen eenmaal begrepen hebt is het niet moeilijk meer om de werking van de hartslagmeter in zijn geheel te begrijpen. Het blokschema van de hartslagmeter is getekend in figuur 14. 10

Figuur 14. Het blokschema van de hartslagmeter. Het hartslagsignaal (ECG) zoals de elektroden dit van de huid opnemen, heeft de vorm zoals gegeven in figuur 1. Deze spanning heeft een waarde Vin ongeveer 1 mV (0,001 Volt) en is veel te klein om mee verder te werken. Daarom wordt het ECG eerst versterkt tot een spanning van enkele Volts waarmee verder te werken is in de schakeling. Het gedeelte van de hartslagmeter dat voor deze versterking zorgt is in het blokschema weergegeven met “versterker 1”. Op de print zit deze versterker in het kastje dat met lC2 is aangegeven. Tevens wordt in deze versterker het ECG-signaal op zijn kop gezet, zodat de grootste piek in het signaal naar beneden wijst. Dat is nodig voor de verdere verwerking van het signaal. Vervolgens wordt er een puls gemaakt van het ECG Een puls is een spanningsvorm, zoals weergegeven in het blokschema rechts van het blokje “pulsvormer 1”. In feite is “pulsvormer 1” een vergelijker, net als de twee vergelijkers die hieronder beschreven staan. Vandaar dat er tussen haakjes “vergelijker 2” bij staat. Hoe deze vergelijker pulsen vormt, wordt verderop beschreven. “Pulsvormer 1” zorgt er dus voor dat het ECG in een puls wordt omgezet. Bij elke puls flitst het groene lampje (D2) even op. De pulsen die “pulsvormer1” maakt, telkens wanneer een hartslag wordt opgenomen met de elektroden, duren niet alle even lang. Voor een juiste werking van het tweede deel van de hartslagmeter hebben we echter pulsen nodig die 11