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医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部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医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部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月医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部实验须知一、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：医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部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。医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部实验一、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。VT1VT2Rp100ΩRc110kΩRc210kΩRb10kΩRb10kΩ510Ω510ΩIC1IC2+－Vo+－ViABRee10kΩVT3Re35.1kΩR236kΩR168kΩ+Vcc(+12V)－VEE(－12V)图1.1差动放大器实验电路K1.静态工作点的估算基本电路分析，当输入端短接时22PeebeEEEERRVVI（1－1）EECCIII2121（1－2）医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部恒流源电路321233)(ebeEECCECRVVVRRRII（1－3）32121CCCIII（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。PbcbciovdRrRRVVA)1(21（1－5）单端输出时vdicvdAVVA2111（1－6）vdicvdAVVA2122（1－7）当输入共模信号时，若为单端输出，则有eeceePbebcicvcvcRRRRrRRVVAA2)221)(1(121（1－8）若为双端输出，在理想情况下0iovcVVA（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vcvdAACMRR或vcvdAAdBCMRRlog20)(（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交流毫伏表医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部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。医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部【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/VVB1/VVE1/VVc2/VVB2/VVE2/VVRe/V计算值IC/mAIB/mAVCE/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Vi100mV1V100mV1VVc1/VVc2/VicVdVVA11//ioVdVVA//icVCVVA11//ioVCVVA//11vcvdAACMRR医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部实验二、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）。VRK21心电图机机壳导联线图1漏电流测试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。医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部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）。阻尼适当阻尼过大阻尼过小图2阻尼测试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。图3线性测试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Tf21，即可得到心电图机下限频率响应。T图4时间常数测试【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。医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部【实验记录】实验名称：实验者姓名：指导教师：实验时间：评语：医学电子仪器实验指导书——生物医学工程教学部实验三、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