电子行业企业管理医学电子仪器实验指导书重庆邮电大学主.docx
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电子行业企业管理医学电子仪器实验指导书重庆邮电大学主
医学电子仪器
实验指导书
（第一版）
生物信息学院
生物医学工程教学部版权所有
2005.8
前言
实验教学是工科院校三大教学环节之一，通过实验不仅可以巩固、加深对基础理论知识的理解，而且可以培养学生独立分析问题、解决问题的能力和严谨的工作作风，以适应未来工作的需要。
由于知识更新周期大大地缩短，为了顺应生物医学工程学科的快速发展，必须深化教学改革，加强实践性教学环节，加强对学生动手能力的培养。
结合本专业要求，以及实验独立设课的特点，我们编写这本教材时加强了现代信息技术在生物医学中的应用，注重实验内容的典型性、实用性、设计性和新颖性。
力求在原理阐述上深入浅出，通过对仪器、仪表操作、电路器件设计制作、数据测试和软件编写，达到培养学生分析问题和解决实际问题的能力。
本书在编写过程中参考了许多同行的研究成果，编者在此表示感谢。
由于编者水平有限和时间仓促，难免有不足之处，希望读者提出宝贵意见，批评指正。
编者
2005年8月
实验须知
一、学生实验守则
实验教学是对学生进行最佳智能结构培养的必要教学环节，也是培养合格人才的重要环节。
学生应通过科学实验努力培养自己的独立工作能力、动手能力、观察能力、分析能力和创造能力；培养严肃认真的科学态度，理论联系实际和求真务实的作风；努力通过实验教学深化对所学理论知识的认识。
为了严肃认真地完成教学所规定的全部任务，特作如下规定，必须认真执行。
1．实验前认真预习，经指导教师质疑不合格者不应盲目进行实验操作。
2．学生在实验室工作必须严肃认真、提倡创新，听从教师指导。
严格按操作规程进行操作，认真观察分析实验现象，如实记录实验数据，不得捏造数据或抄袭他人结果。
3．不得迟到，保持环境安静、整洁，严禁吸烟、随地吐痰和丢弃垃圾废弃物。
4．爱护公共财物，未经许可，不得随意动用别组的仪器、工具、材料。
损坏公物，照价赔偿。
5．注意安全，如遇异常情况，应立即切断电源、熄灭火源、关闭水源，防止事故蔓延扩大。
并保持现场，及时报告指导老师作好善后处理。
6．实验结束，应切断仪器电源，数据交指导教师评阅合格后，再整理好仪器设备、工具、器材、桌椅等。
7．认真完成实验报告，按时交指导教师评阅。
二、实验报告要求
实验报告是实验工作的全面总结和最终成果，要能完整和真实地反映实验结果。
编写实验报告也是一种基本训练，必须以严肃认真的态度来对待。
撰写实验报告要遵守一定的规范和要求。
实验报告应书写简洁、文理通顺、数据、图表齐全。
报告主要内容应包括：
1有设计性的实验先要作好预设计工作。
2实验名称。
3实验目的。
4实验设备与器件。
（实际使用的设备、器件名称及型号）
5对设计性的实验，要求有设计的整个过程。
6记录实验数据，填写表格、画出图形。
原始数据必须用铅笔填写，由指导教师签字，否则实验无效。
7故障现象、分析及解决方案。
8原始数据不能代替报告数据。
实验报告没有按时上交及报告中的原始数据没有指导教师签字或伪造指导教师签字，都无效。
实验一、差动放大器的调试与测量
【实验目的】
（1）掌握差动放大器的工作原理与性能特点，着重了解差模放大和共模抑制的作用。
（2）学习差动放大器性能指标的测试方法。
【实验原理】
图1.1是差动放大器的基本结构，VT1和VT2对称对应的电路元件要求参数一致。
当开关K拨向左边时，构成基本的差动放大器。
当输入信号Vi＝0时，双端输出电压Vo＝0。
RP为调零电位器，当两管对称性不好时，可以调节RP，使VT1、VT2管的静态电流有所改变。
Ree为两管共用的发射极电阻，它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用，故可以有效的抑制零漂和稳定静态工作点。
当开关拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。
它用晶体管恒流源代替发射极电阻Ree，可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。
1.静态工作点的估算
基本电路分析，当输入端短接时
（1－1）
（1－2）
恒流源电路
（1－3）
（1－4）
2.差模电压放大倍数和共模电压放大倍数
当差动电压放大器的射极电阻Ree足够大，或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数Avd由输出端连接方式决定，而与输入连接方式无关。
双端输出时，Ree＝10kΩ，RP在中心位置。
（1－5）
单端输出时
（1－6）
（1－7）
当输入共模信号时，若为单端输出，则有
（1－8）
若为双端输出，在理想情况下
（1－9）
3.共模抑制比CMRR
对共模信号的抑制时差动放大器的一个重要特点，为表征差动放大器对共模信号的抑制能力，引入共模抑制比CMRR，其定义式为
或
（1－10）
CMRR越大，表示电路对称性越好，对漂移等共模信号抑制能力越强。
【实验设备与器件】
●示波器
●函数信号发生器
●电源
●交流毫伏表
●面包板
●万用表
●9013晶体三极管、电位器、电阻、电容等元器件若干
【实验内容】
1.典型差动放大器性能测试
按图1.1连接实验电路，开关K拨向左边构成基本差动放大器电路
（1）测量静态工作点
①调节放大器零点
信号源不接入，将放大器输入端A、B与地短接。
接通电源，用万用表测量输出电压Vo，调节调零电位器Rp，使Vo＝0。
调节要求仔细、准确。
②测量静态工作点
调好零点以后，测出VT1、VT2管各电极电位及射极电阻Ree两端电压VRe记录表1.1。
（2）测量差模电压放大倍数
断开直流电源，将函数信号发生器地输出端接放大器输入A端，地端接放大器输入B端，构成双端输入方式（此时信号源浮地）。
调节输入信号频率f＝1kHz的正弦信号，输出旋钮至零，用示波器监视输出端（集电极C1或C2与地之间）。
接通电源，逐渐增大输入电压Vi（约100mV），在输出波形不失真地情况下，用交流毫伏表测Vi，Vc1，Vc2，记入表1.2中，并观察Vi，Vc1，Vc2之间的相位关系及VRe随Vi变化而变化的情况（测Vi时因浮地会有干扰，可分别测A点和B点对地间电压，两者之差为Vi）。
（3）测量共模电压放大倍数
将放大器A、B短接，信号接A端与地之间，构成共模输入方式。
调节输入信号f＝1kHz，Vi＝1V，在输出电压不失真地情况下，测量Vc1、Vc2的值，记入表1.2中，并观察Vi、Vc1、Vc2之间的相位关系及VRe随Vi变化而变化的情况。
2.具有恒流源的差动放大电路性能测试
将图1.1中的开关K拨向右边，构成具有恒流源的差动放大电路。
重复上面内容
（2）和（3）的要求，记入表1.2。
【实验记录】
实验名称：
实验者姓名：
指导教师：
实验时间：
评语：
表1.1
测量值
Vc1/V
VB1/V
VE1/V
Vc2/V
VB2/V
VE2/V
VRe/V
计算值
IC/mA
IB/mA
VCE/mV
表1.2
典型差动放大电路
具有恒流源差动放大电路
双端输入
共模输入
双端输入
共模输入
Vi
100mV
1V
100mV
1V
Vc1/V
Vc2/V
/
/
/
/
/
/
/
/
实验二、心电图机性能指标测试
【实验目的】
通过实验，进一步加深对心电图机性能指标的理解，并熟悉掌握其测试方法
【实验器材】
心电图机、兆欧表、万用表、交流调压器
【实验原理与实验内容】
1.绝缘性能测试
（1）绝缘电阻的测试
用500V以上的兆欧表测试心电图机交流电源插头的零线与相对机壳之间的电阻值，这两个电阻值均应大于20M。
注意再测试前，切勿将电源插头与交流电接通；心电图机的电源开关应接通；若交流电动机的线圈接在电源变压器初级，测量时还应接通记录开关。
（2）机壳漏电流及导联线漏电流的测试
实验线路如图1所示，其中V为输入阻抗大于1M的电压表、R为10＋10％M的无感测试电阻。
开关K打向1时测机壳漏电，打向2时测导联线漏电，根据电压表读数V（伏），算出漏电流，要求机壳漏电流小于100A，导联线漏电流小于10A。
这里的电阻R是作为人体的等效电阻（包括皮肤接触电阻和身体电阻）。
2.走纸速度测试
心电图机的标准走纸速度时25mm/s，另外机器还应有50mm/s的速度，测试时将心电图导联靠近市电交流电源线附近，使心电图记录下一段50Hz信号，然后观察所记波形，在纸速25mm/s档，50mm长的记录纸上应有100个波；在纸速50mm/，应有50个波，其误差应小于5％。
3.基线稳定性
这个指标时用来衡量心电图机自身稳定性和它对电源电压在正常范围内反复突变的适应能力的，用交流调压器，在198V和242V（即220V＋10％）来回切换，2秒内切换5次，记录所得基线漂移值，这个值应小于＋1mm。
另外在220V时，走线记录10秒钟，测量其最大基线漂移值，这个值也应小于＋1mm。
4.灵敏度
心电图机灵敏度定义为输入1mv电压时，描笔偏转多少毫米，标准灵敏度为10mm/mv。
5.阻尼
用以阻止记录器产生自身振荡的作用力叫阻尼，阻尼过大或过小都会使波形失真，测试时用机内1mv定标电压，一般在＋20mm范围内打定标信号，描笔振幅的过冲量应小于1小格，不得有圆头出现，也不应见到明显回冲（见图2）。
6.线性
心电图机在描笔处于各种位置时，若输入相同信号，记录波形的幅度相差很小，则称该机的线性良好，一般在描笔偏转＋20mm范围内，灵敏度误差应小于10％，测试时线用调基线旋钮将描笔移至记录纸最下端，然后每向上移动5mm打一组1mv定标信号，如图3所示，其中任一处的波幅不得小于9mm，并且各处的阻尼大小均应符合前述的要求。
7.频率特性
按下定标信号键并一直保持，观察描记波形从10mm下降到3.7mm所需的时间T（图4），这个即为心电图机的时间常数值，再根据公式
，即可得到心电图机下限频率响应。
【实验报告要求】
1.实验时作好原始记录，在报告单上写出所测各项指标的数值及计算过程。
2.如有指标不符合要求，试分析其可能的各种原因。
【实验记录】
实验名称：
实验者姓名：
指导教师：
实验时间：
评语：
实验三、人体脉搏测量系统的设计
【实验目的】
（1）掌握应用数字电路系统进行电路设计的方法。
【实验原理】
图3.1是脉搏测试系统组成方框图，借助压电陶瓷将脉搏信号转换为电信号，在单位时间被进行计数，并用数字显示其计数值，从而得到每分钟的脉搏数。
1.放大与整形电路
通常采用运算放大器对微小电脉冲信号进行放大，但在数字电路系统中可采用非门构成线性放大器。
由门电路的转换特性可知，如果使它工作在线性区，它就有电压放大能力。
放大与整形电路如图3.2所示，其中非门G1和G2构成两级放大器，G3和G4构成施密特触发器，完成整形功能。
为使G1和G2工作非门处于传输特性的线性区，需适当选取反馈电阻R1的阻值。
注意：
R1阻值不能太小，否则非门的输出与输入之间的信号直接馈通。
一般R1值比非门的输出电阻Ro大两个数量级（非门Ro=8~15k），但R1的阻值也不能太大，否则将使工作点稳定性变差，甚至有可能偏离出线性区。
因此，R1值应比非门的输入电阻Ri小1～2个数量级。
G3和G4通过正反馈构成施密特触发器，电阻比值R2/R3影响其回差值，一般先确定电阻R3，可根据
确定R3的值。
当R3选定后，即可确定电阻R2的值，通常按R2=（0.01~0.1）R3的关系来选取电阻R2的值。
2.计数器电路
计数器是脉搏测试系统的重要组成部分，若选用有选通脉冲输出控制的计数器，可使得电路设计中采取动态扫描显示方式，将大大简化电路，节省器件。
此次实验采用CD4553作为计数器。
CD4553是3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完成3位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。
3.译码和显示电路
译码器的功能使把计数器CD4553输出的计数结果（BCD）码转换成七段字形码，以驱动数码管，实现数字或符号的显示。
CD4511是常见的BCD码七段显示译码器，译码显示采用扫描方式，输出最大电流可达25mA，可直接驱动共阴极LED数码管。
电路显示采用扫描方式，各位数码管的共阴极分别被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲控制，从而实现各位的分时选通显示。
但为了显示稳定，应使扫描时序脉冲的频率合适。
扫描频率与显示数码管的位数有关，位数越多扫描频率越高，通常扫描频率取几百赫兹，可通过调整CD4553的电容Cs值来决定。
数码管限流电阻需根据数码管电流的允许值进行计算。
若把某位显示电路单独画出来（如图3.3所示），限流电阻可按下式进行估算：
。
式中，UOH为CD4511的输出高电平，UD为LED正向工作电压（约为1.5V~2V）,IS为数码管的每段电流（约为5～10mA），UCE是三极管VT的管压降（约为1V），则可求得R1~R7约为0.5kΩ。
4.时基信号产生电路
时基电路应产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD4553的计数允许INH端，以便使计数器在定时脉冲宽度固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数，固定时间为1min或30s。
为得到精确的定时信号，采用振荡、分频的方法，在实验中选用CD4060组件来完成这种功能。
为得到60s脉宽的定时信号，RC振荡器的输出脉冲需经214次分频得到，电路若如图3.4所示，则RC振荡器的脉冲的频率
。
当CD4060接成RC振荡器时，振荡频率f0与RC之间有近似关系：
。
电阻RT的值应大于1kΩ，电容CT应大于或等于100pF。
一般可先选定电容CT的容量，再根据上式估算出电阻RT的值。
电阻RS是为了改善振荡器的稳定性，减少由于器件参数差异而引起的振荡周期的变化而接入的，RS的值应尽量大于RT，一般可取RS=10RT，此时振荡周期的变化可大大减小。
为了得到准确的振荡频率值，实际上RT和RS均应采用电位器，以便调整。
【实验设备与器件】
●示波器
●电源
●面包板
●万用表
●压电陶瓷HTD、CD4060串行计数器、CD4553计数器、CD4511译码器、电位器、电阻、电容等元器件若干
【实验参考电路】
由以上各单元电路可组合出脉搏测量系统的总体电路，如图3.5所示。
【实验内容】
1.分析实验参考电路，运用Protel99SE软件将各个单元电路部分绘制出来，并进行PCB印制电路板设计；
2.根据自己的印制电路板设计安装实验电路。
【实验报告】
1.分析各个电路单元块的功能及其在设计中需要注意的问题；
2.说明在装配过程中出现的问题及解决方法；
3.设计一个采用运算放大器放大微弱脉冲信号的放大电路。
实验四、人体脉搏测量系统的调试和使用
【实验目的】
培养学生对完整系统调试的能力，锻炼他们解决实际问题的能力。
【实验设备与器件】
●示波器
●电源
●低频可调脉冲发生器
●秒表
●万用表
●上次实验搭建的人体脉搏测量系统
【实验内容】
1.总体观察
以低频可调脉冲发生器的输出作为脉搏传感器的输出信号，接通电源开关S2，如数码管显示无规则信号，表明电路基本工作正常，而后按下清零按钮S1，对计数器和定时器清零，则显示的计数值应不断增加，进一步说明电路工作是正常的，否则要进行逐级检查。
2.检查放大电路
仍用脉冲信号发生器做输入信号源，用脉冲示波器观测放大电路和整形电路输出端电压波形，正常情况下应有100倍以上的放大，整形电路应输出理想的电压波形，否则可以改动一下整形电路外界电阻值。
如果电压放大倍数较小，可改换两个另外的非门，或者再加入一、两级电压放大器。
3.计数译码和显示电路的调试
用低频脉冲信号发生器的输出信号作为计数器的输入（加至CD4533的12引脚），从LED数码管上去读数字，观察个、十、百位计数器是否都能完成逢十进一的功能，然后按下清零按钮，使两个计数器均清零，重新开始计数，数码管应能反映这个一状态。
如果读书出错，要检查3个数码管的排列顺序是否与选通脉冲DS1、DS2、DS3对应，它们应分别对应个、十、百位才对，连线不要搞错，另外应检查译码器各输出端与数码管相应引脚的连接是否正确。
4.时基信号电路的调试
定时电路CD4060的振荡频率应为136Hz，可用脉冲示波器观察CD4060的9脚振荡波形，并调节10脚和11脚所接电位器RW1和RW2，使振荡频率为要求值，然后用示波器观测CD4060的Q14（引脚3）输出波形，它应完成214＝16384次分频，即其周期应为（1/136）×16384≈120s（对应的正负脉冲宽度均为60s）。
此时，再以低频脉冲发生器的输出作为计数器CD4553的计数脉冲，按下清零按钮S1，使计数器和定时器同时清零，用秒表记下此时的时间，随着计数脉冲的输入，数码管计数值不断增加，当计数值停止增加或稳定不动时，记下此时时间，前后应刚好相差1min，否则尚需反复调电位器RW1和RW2。
5.测量脉搏信号
调试成功后，开始测量实际脉搏信号。
用松紧带将压电陶瓷片紧压在手腕的脉搏处，而后接通电源开关S2，数码显示管将显示无规则数字，这是接通瞬间电源的干扰脉冲所为。
紧接着按下清零按钮S1，则数码管计数值将随着脉搏的跳到而持续增加，直至数值稳定不动，读下此计数值，即为每分钟的脉搏次数。
【实验报告】
1.写出调试过程，记录下调试过程中发生的各项问题和自己采取的解决方法；
2.用自己设计的脉搏测量系统测量2人以上的脉搏次数；
3.谈谈对实验的体会。
实验五、手指血压容积波测试
【实验目的】
通过实验，了解无创手指血压计的工作原理，并掌握其测试方法。
【实验原理】
手指血压计使根据人体血压与手指血流容积波地变化关系而研制的，并间接应用计算公式推算出平均压。
式中：
PM为平均压，PD为舒张压，PS为收缩压。
检测电路框图如下：
【实验设备】
●特制传感器
●直流电源
●生理记录仪
【实验内容】
1.先将左手食指插入装有红外光电传感器的指套内，再用空针筒加压，使手指血流阻断，其容积波消失。
2.然后均匀缓慢减压，此时注意：
当手指血流容积波刚出现时，所对应的压力值为PS。
3.继续减压，手指血流容积波出现极大值时，所对应的压力值为PD。
4.重复步骤1—3，并记录PS、PD值。
5.先后以公式间接推算出被测试者的平均压PM。
实验六、设计ECG浮地放大器
【实验目的】
了解ECG浮地放大器的工作原理与设计思路，掌握浮地放大器的设计、制作、调试方法。
【实验原理】
浮地放大器，又名隔离放大器，这种放大器的前置级与主机放大器是绝缘的，既减小了共模干扰，又杜绝了漏电的危险，国外已生产了隔离放大器组件，其漏电流不会超过2μA。
浮地放大器包括输入级、隔离级和输出级，输出级电源取自主机，输入级电源取自浮地放大器内部隔离DC-DC直流变换器，输入级与输出级间的阻抗很大，彼此间耐压＞1kV，故漏电流很小。
1.光耦合隔离放大器原理框图
2.电磁耦合隔离放大器原理框图
【实验设备】
●心电模拟器或函数发生器
●光耦合器件或电磁耦合器件
●超低频示波器
●生理记录仪
●直流电源
●面包板、运算放大器LM324、电容、电阻、电线
【实验内容】
1.设计、制作ECG浮地放大器，频率范围0.1～200Hz总增益A＝2000倍。
2.测量心电浮地放大器的幅频特性。
用函数发生器产生不同频率的正弦波信号，输入道放大器的输入端，测量放大器在不同频率下的差模增益。
（Ad=Vo/Vi）
f
0.1
0.5
1
5
10
20
50
80
100
150
200
Ad
绘出幅频特性曲线。
3.测量共模抑制比CMRR：
（1）测共模增益Ac＝Vo/Vi
（2）计算共模抑制比
4.实测人体肢体心电图，用示波器观察，并用生理记录仪记下心电波形。
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