数字化心电图机维修考证箱实训指导手册0911.docx

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数字化心电图机维修考证箱实训指导手册0911

数字式心电图机教学实验

第一节设计目标

为了更好的理解心电图机的原理，考核学生对心电图机的掌握程度，设计了该款心电图机。

在设计过程中参考了日本光电ECG-6951D的相关设计，同时考虑到做实验的方便性，将全部电路开放出来，便于对心电图机的内部结构和电路原理有较为直观的认识和理解。

一、该心电图机实验箱的基本性能参数如下：

1．输入电压：

AC220V

2．输入功耗：

<20W

3．导联信号输入方式：

浮地

4.输入阻抗：

≥20MΩ

5.灵敏度：

三档，分别是5mm/mV、10mm/mV、20mm/mV

6.心电噪声电平：

≤30μVp-p

7.时间常数：

≥1.5S

8.心电共模抑制比:

≥105dB

9.线性误差：

≤10%

10.心电频率响应：

0.05~100Hz

11漏电流：

<100uA

12.走纸速度：

25mm/s、50mm/s

13.肌电滤波干扰：

45Hz（-3dB）

14.耐极化电压：

±400mV

15.基线控制：

自动调整

16.记录方式：

热敏打印

二、实验箱基本配置：

1.手动/自动操作模式可选

2.使用16位MSP430F169单片机作为核心控制芯片

3.240×128分辨率液晶屏，清晰显示心电图波形与工作状态，实现先观察后打印，节约记录纸

4.十二导联同步采集，通过对心电信号的工频滤波、基线滤波和肌电滤波，十二位的采样精度可以获得更高质量的心电图谱

5.具有指示灯,用以指示打印模式、灵敏度、走纸速度、滤波器等状态，方便操作

6.具有故障设置和排除功能，同时可以进行故障编码设置

三、功能操作

（一）、实验箱硬件介绍

共由电源区、模拟区、数字区、故障区、显示和操作区等部分构成，可通过显示和操作区的按键进行功能设置和操作。

实验箱基本结构布局如下：

（心电导联线）

采集到的心电信号，通过滤波放大后送入主控制器进行处理，由液晶屏和指示灯显示处理后的波形和参数数据。

其中心电信号关键测试点和故障设置的具体说明如下表：

测试点名称

所在区域

说明

充电输出

电源区

充电输出

充电输入

电源区

充电输入

battery

电源区

电池电压

+5V

电源区

+5V电源

-5V

电源区

-5V电源

+3.3V

电源区

+3.3V电源

GND

电源区

接地

+5F

电源区

隔离电源5V

-5F

电源区

隔离电源5V

FGND

电源区

隔离区接地

TP1

模拟区

心电第一级放大

TP2

模拟区

心电第二级放大

TP3

模拟区

三角波信号输出

TP4

模拟区

心电调制信号输出

TP5

模拟区

PWM调制信号输出

TP6

模拟区

PWM滤波后信号输出

external

模拟区

外部信号输入点

ECG

模拟区

末级心电信号输出

电源部分故障

故障现象

故障点设置原理

故障点设置方法（参考注释）

直流供电异常A1

1.+5V电源输出没有，液晶屏不亮

2.液晶屏微微发亮，没有字符显示（+5V测试点为3V）

1、断开

2、反馈电阻阻值改变

1-ON正常5V电压

2-ON故障约3V电压

3-ON故障0V

充电电路异常A2

充电指示灯一直不亮

充电指示灯一直亮

改变充电器监测点电压

1-ON正常

2-ON故障充电指示灯一直不亮

3-ON故障充电指示灯一直亮

电量指示异常A3

电量过低时：

1、红色指示灯一直亮

2、红色指示灯闪烁频率太慢

改变电容容值

1-ON正常

2-ON故障闪烁太慢

3-ON故障指示灯一直亮，不闪烁

电量指示异常A4

1、红色指示灯始终不亮

2、红色指示灯亮度很低

改变电阻阻值

1-ON正常

2-ON故障红色指示灯不亮

3-ON故障红色指示灯微亮

电量指示异常A5

三个指示灯全部亮

改变MOS管导通状态

1-ON正常

2-ON故障指示灯全不亮

模拟部分故障

故障现象

故障点设置

故障点设置方法（参考注释）

部分导联切换异常

B1

1、V2~V6导联不显示波形

2、V2~V6不显示波形，关闭导联时仍显示波形

1、三极管损坏、

2、三极管换成PNP型

1-ON正常

2-ON故障V2~V6导联不显示波形

3-ONV2~V6不显示波形，关闭导联时仍显示波形

定标误差大

按下定标键定标有误差

电位器调节

封闭电路异常B2

切换导联时无法实现自动封闭：

1、导联切换时需要稳定的时间较长

2、导联切换时需要稳定的时间过长

两个三极管的基极端不接地

1-ON正常

2-ON故障导联切换时间长

3-ON故障导联切换时间长

时间常数电路异常

B3

通过定标验证：

1、时间常数过短

2、时间常数过长

2、改变电阻阻值

1-ON正常

2-ON故障时间常数过短

3-ON故障时间常数过长

光电隔离故障

B4

输出没有波形

隔离一端无法正常有高电平输入。

1-ON正常

2-ON故障无波形

3-ON故障无波形

50Hz滤波故障

选择交流滤波时会有杂波

通过电位器，改变反馈电路的电阻阻值

数字部分故障

故障现象

故障点设置

故障点设置方法（参考注释）

按键控制故障

C1

S1、S4、S7按下按键没有反应

矩阵按键的一端接地

1-ON正常

2-ON故障S1、S4、S7按下按键没有反应

步进电机故障

C2

步进电机不转

1-ON正常

2-ON故障步进电机不转

步进电机故障

C3

步进电机不转

1、断开驱动芯片前端电阻

2、断开驱动芯片后端电阻

1-ON正常

2-ON故障不进电机不转

电源A*5模拟B*4数字C*3共12处故障区

注释：

每个拨码开关都是由三个或两个单刀单掷开关组成，

每个故障区都有三个或两个拨码开关组成如下图所示：

设置故障时，每个拨码开关只能有一个单刀单掷开关拨到ON的一端。

例如：

A1_12-ON（拨码开关A1_1的1、4脚导通）-------J15----故障输出3V

A1_23-ON（拨码开关A1_1的3、6脚导通）--------J17----故障输出0V

A1_31-ON（拨码开关A1_1的2、5脚导通）-------J19-----正常输出5V

特别注意，每个故障区中拨码开关的导通设置不能重复，例如如下面是错误的

A1_12-ON（拨码开关A1_1的1、4脚导通）------J15

A1_22-ON（拨码开关A1_1的1、4脚导通）-------J17

A1_31-ON（拨码开关A1_1的2、5脚导通）-------J19

由于A1_1和A1_2在同一个故障区中，又同时设置为2-ON，所以设置错误

（二）、控制面板操作

上图为心电图机实验箱的控制面板，其中，复位按钮，可是实验箱整个系统复位，重新进行初始化运行；两个导联选择按钮可分别使系统切换到前一个导联或下一个导联，灵敏度按键可设置心电图机的放大系数在0.5,1或2之间切换；滤波按键可设置肌电滤波、交流滤波或无滤波；定标按键可在关闭导联状态下，进行定标测试或时间常数测试；走纸速度按键可设置走纸速度为25mm/s或50mm/s;显示方式按键可设置显示某一固定导联，或者每隔固定时间自动切换为下一导联波形；步进电机按键按下后，系统自动切换到步进电机演示模式，此时其他按键处于失效状态，只有再次按下步进电机退出演示模式后，才能继续对其他按键进行操作；打印按键则可以控制步进电机走纸或者不走纸。

（三）、其他旋钮电位器与拨段开关操作

如上图所示，调节定标调节旋钮，可进行1mV定标操作，对整机增益进行校准；跳线帽J1为外部信号或内部心电信号的选择端，当跳线帽切换到外部信号一端时，可从external测试点输入外部信号，并在液晶屏上显示外部信号波形，当跳线帽切换到心电信号一端时，则显示机内心电信号；50Hz滤波调节旋钮可以调节带阻滤波器的衰减程度与阻带宽度，如果调节阻值过大则出现故障现象，液晶波形杂乱；拨段开关S13为电量显示实验或充电显示实验的切换端，当拨到电量一端时，可进行电量显示实验，此时不能进行充电实验操作，同理，当拨到充电一端时，只能进行充电实验操作；电池电压调节旋钮则可以改变模拟电池的输出电压。

四、实验设计

【实验注意事项】

本试验箱故障区有较多排针，需要用跳线帽来回插拔，请用户小心缓慢操作，以免被排阵伤到以及将排阵折弯或折断。

3.1定标误差大故障——定标电路异常

1、实验目的：

（1）理解心电图机中定标的意义

（2）掌握心电放大电路定标的原理

（3）掌握定标电路的计算方法

2、实验器材：

（1）数字式心电图机一台

（2）数字万用表一台

（3）心电放大部分原理图纸

3、实验内容及步骤：

（1）插上实验箱总电源，连接心电信号模拟仪。

（2）打开左上角的电源开关，使系统通电，此时电源指示灯亮，液晶屏显示相应内容

（3）操作控制面板灵敏度调节按键，将灵敏度置为“1”（10mm/mV条件）；操作导联选择按键，将导联置为测试导联；操作“显示方式”按键，将显示方式设置为手动方式；操作“走纸速度”按键，将走纸速度设为25mm/s；连续按动定标按键，通过液晶屏观察波形的高度；然后再调节“定标调节”旋钮，观察描记波形的高度变化。

并用万用表测量CAL信号的变化，对比原理图分析高电平和低电平所起的作用。

（4）如果步骤（3）中波形高度随着“定标调节”旋钮变化，按下“打印”按键，使打印机开始走纸并打印波形，连续按动“定标”按键，记录下打印波形的偏转幅度

（代表格数）。

（5）根据误差公式：

，计算，若

大于%5，则代表心电图机定标误差过大，有故障。

（6）根据心电放大原理图分析故障原因，（电位器R146,定标调节电位器可能有误差，用来产生1mV的定标信号，‚电位器VR3可能用调整误差，用来调节心电图机整机增益），并调节相应电位器，使误差在允许的范围内（小于5%）。

4、实验任务分析及思考

（1）理解和掌握本实验所涉及的定标电路和放大电路，如下图：

其中INA128的放大倍数由R68和R80决定，为20倍，其中REF为参考端，在此引脚产生20mV的电压等效于输入端输入1mV的信号。

（2）思考定标电压的作用是什么？

（3）做电位器调整有误（阻值偏大或者偏小），分别会出现什么故障？

3.2导联转接显示正常，但部分导联波形异常

1、实验目的：

（1）了解心电图机内部心电放大电路中导联选择电路的构成

（2）熟悉导联选择电路的控制原理

（3）掌握导联切换故障的分析方法和排除故障方法

2、实验器材：

（1）数字式心电图机一台

（2）万用表一台

（3）心电模拟仪一台

（4）心电放大部分原理图纸

3、实验内容及步骤：

（1）插上实验箱总电源

（2）取出实验箱上盖的心电导联线，一端接在心电图机实验箱上，另一端接在心电模拟仪上，设置好心电模拟参数（一般选择为默认上电参数即可）

（3）打开左上角的电源开关，使系统通电，此时电源指示灯亮，液晶屏显示相应内容

（4）分别按下两个导联选择按键，观察I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1、V2、V3、V4、V5、V6导联等12个导联是否显示正常，波形是否正确。

（5）如果步骤（4）正确，找到实验箱左下角的故障区B1，将跳线帽从J44拔下，再依次将跳线帽放到J45、J46、J47上，通过导联选择按键（S1或S2）切换导联，观察显示波形是否有故障现象（例如V2~V6导联不显示波形），通过分析原理图，从J45、J46、J47中选择正确的一路，并分析另外两路出现的故障原因。

4、实验任务分析及思考：

（1）掌握实验中所涉及的导联切换电路的原理，如下图：

（2）思考NPN三极管与PNP三极管驱动方法有何不同？

（3）熟悉多路选择器CD4051的各个管脚作用及控制方法。

3.3无心电波形输出显示与描记

1、实验目的：

（1）理解心电图机内部心电模拟信号隔离的原理和作用

（2）熟悉心电图机光电隔离故障的分析和排除方法

（3）掌握心电脉宽调制的方法

2、实验器材：

（1）数字式心电图机一台

（2）数字示波器一台

（3）心电模拟仪一台

（4）心电放大部分原理图纸

3、实验内容及步骤：

（1）插上实验箱总电源

（2）取出实验箱上盖的心电导联线，一端接在心电图机实验箱上，另一端接在心电模拟仪上，设置好心电模拟参数（一般选择为默认上电参数即可）

（3）打开左上角的电源开关，使系统通电，此时电源指示灯亮，液晶屏显示相应内容

（4）操作导联选择按键，切换到测试导联以外的导联，是液晶屏显示正常心电波形（建议选择II导联），用示波器测试与心电信号隔离PWM调制的相关测试点：

TP3、TP4、TP5和TP8，参照原理图，观察和测量每个测试点得波形与周期，判断与原理图中理论波形和周期是否相符。

（测试时注意实地与虚地的不同，在实验箱上用虚线隔离）

（5）如果步骤（4）检查均正常，找到实验箱的左下角故障区B4，将跳线帽从J29拔下，依次将跳线帽放到J31、J33、J35上，分别用示波器观察相应测试点波形有无变化或故障现象，并观察液晶屏是否有故障现象，参考原理图，从J31、J33、J35中选择正确一路，并分析说明另外两路的故障原因。

（6）实验完毕，将跳线帽放回J29上。

4、实验任务分析及思考

（1）掌握本实验所涉及的PWM信号调制解调电路，如下图：

（2）理解模拟的心电信号隔离的好处和必要性：

提高心电图机的抗干扰能力；具有安全保护作用。

（3）思考有没有其他方法可以实现心电信号的隔离放大，具体该如何实现？

3.4按键操作不正常

1、实验目的：

（1）掌握心电图机中矩阵按键的控制方法

（2）学会分析心电图机按键故障和排除对应故障

（3）学会设计矩阵按键电路

2、实验器材

（1）数字式心电图机一台

（2）数字示波器一台

（3）心电模拟仪一台

（4）数字控制部分原理图

3、实验内容及步骤：

（1）插上实验箱总电源

（2）取出实验箱上盖的心电导联线，一端接在心电图机实验箱上，另一端接在心电模拟仪上，设置好心电模拟参数（一般选择为默认上电参数即可）

（3）打开左上角的电源开关，使系统通电，此时电源指示灯亮，液晶屏显示相应内容

（4）依次操作控制面板的按键，观察液晶屏或指示灯判断有没有按键故障现象（例如按键失灵；注意在步进电机模式其他按键本来就是失效的，必须退出演示模式才能有效），可参照原理图用示波器测试J20、J10、J4的左端，观察按键按下前后电平变化。

（5）如果步骤（4）测试正常，找到实验箱左下部的故障区C1，将跳线帽从J2拔下，并依次将跳线帽放在J4和J10上，

4、实验任务分析及思考

（1）掌握本次实验所涉及的矩阵按键电路，如下：

驱动方法：

判断行线：

将单片机的P2.3、P2.4、P2.5三个I/O口预先设为输入，并使能中断，P2.6、P2.7、P3.0预先设置为低电平，当某一按键按下时，则P2.3、P2.4、P2.5被拉低，触发单片机中断，在中断里判断P2.3、P2.4、P2.5的值，即可判断行线（即哪一行有按键按下），关闭中断功能。

‚判断列线：

将P2.6、P2.7、P3.0全部拉高，再依次拉低，如果在某一列拉低的过程中，刚才所判断的行输入值变为低，则表明该列为按键按下的列。

至此，行列值判断完毕。

延时一段时间后，即可恢复中断功能，等待按键按下。

（2）思考使用矩阵按键和单独按键的优缺点？

3.5马达工作异常

1、实验目的：

（1）掌握心电图机中步进电机的控制方法

（2）学会分析和解决心电图机的步进电机故障

2、实验器材：

（1）数字式心电图机一台

（2）万用表一台

（3）MCU控制部分原理图纸

3、实验内容及步骤：

（1）插上实验箱总电源；

（2）打开左上角的电源开关，使系统通电，此时电源指示灯亮，液晶屏显示相应内容；

（3）操作液晶控制面板的“步进电机”按键，使实验箱进入步进电机演示模式；

（4）观察发现步进电机不能正常转动，关掉系统电源开关，由图3-5-1可知可能的故障点有：

C2区和C3区。

依次测量C2区的J8和J11以及C3区的J12和J13对地电阻来确定当前的拨码开关的实际情况，填入表3-5-1中：

表3-5-1C2、C3故障区对地电阻测量

测量脚

J8

J11

J12

J13

对地电阻

当前短接打“√”

（5）根据步骤（3）中的表3-5-1的测量结果，以及结合“图3-5-1步进电机驱动电路及故障区原理图”将跳线帽调至正确位置。

（6）重复步骤

（1）

（2）（3），观察此时步进电机是否正常运转，测量此时步进电机的四相波形（A、B、C、D）。

表3-5-2正常状态下步进电机相位波形测量

相位

A

B

C

D

频率

Vpp

4、实验任务及分析：

（1）掌握实验涉及的步进电机驱动电路，如下：

图3-5-1步进电机驱动电路及故障区原理图

（2）熟悉步进电机驱动芯片ULN2003的使用方法。

（3）了解步进电机四相驱动的原理：

●  当某一相绕阻通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定 

子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特 

点，转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电 机旋转的原因。

●  步进电动机又称为脉冲电机，它能将电脉冲转换为相应的角位直线位移 。

步进电 

动机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转一个确定的角度，为步进电动机的步距 

角α。

它与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关。

●  从图3-5-2所示，步进电机以四相单四拍方式正转时，按A→B→C→D次序通电。

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高 。

图3-5-2步进电机四相单四拍式绕组通电方式

（4）思考并说明步进电机的其他驱动方式

3.6交流供电工作异常

1、实验目的：

学会分析和解决心电图机的交流供电工作异常故障

2、实验器材：

（1）数字式心电图机一台

（2）万用表一台

（3）电源部分原理图纸

3、实验内容及步骤：

（1）打开电源后，电量指示正常，但液晶屏显示不亮或仅微亮且无内容显示；

（2）测量电源电路各直流点（+5V、-5V、+3.3V、+5F、-5F）电压，并将测量结果填入表3-6-1中：

表3-6-1故障时各电源电压测试点测量值

测试点

+5V

-5V

+3.3V

+5F

-5F

测量值（V）

（3）若步骤

（2）测试发现+5V测试点电压偏低，导致由其作为转换源的其他供电电压（+3.3V、-5V）均偏低。

由实验分析可知：

当R2=R155=10K时，Vout=1.222*（27+3.3+10）/10V=4.92V；当R2=R51=20K时，Vout=1.222*（27+3.3+20）/20V=3.07V。

故此时故障点在系统+5V电源电压的产生电路上，应将正确的电阻（R155）接入电路。

（4）测量故障设置区的3个短路开关（J15、J17、J19）右侧引脚对地的电阻值。

表3-6-2+5V电源电压故障设置区对地电阻测量

短路开关编号

J15

J17

J19

电阻值（kΩ）

当前短路打（“√”）

（5）根据测量结果，将跳线帽调至正确的位置。

4、实验原理分析

本机各路电源电压的产生电路如下图3-6-1，图3-6-2，图3-6-3，图3-6-4所示：

-5V、+3.3V、+5F、-5F的产生电路都是在+5V电源电压产生的基础上，为其提供能量来源。

所以，若是系统的+5V电源电压产生问题，那么基于它的其他各路电压亦不能正常产生。

系统的+5V电源是+12V直流电压经过MP1583降压芯片产生的。

其输出电压的范围为4.75-23V，输出电压的范围为：

1.22-21V。

输出电压的公式为：

VOUT=1.222*（R1+R2）/R2（V）

本试验箱中，由图图3-6-1可知，R1=R151+R152=30.3KΩ。

R2取决于A1故障设置区的设置，当R2=10KΩ，输出电压约为5V。

图3-6-1+5V电源电压产生电路

图3-6-2+3.3V电源电压产生电路

图3-6-3-5V电源电压产生电路

图3-6-4-5F/+5F电源电压产生电路

3.7充电指示灯不亮

1.实验目的：

学会分析和解决心电图机的充电指示灯不亮故障

2.实验器材：

（1）数字式心电图机一台

（2）万用表一台

（3）整机电源部分原理图纸

3.实验内容及步骤：

（1）打开系统电源，S13开关投向“充电”位置，调节使电池电压不足，发现充电指示灯始终不亮。

（2）分析原理图，可能的故障有：

LED发光二级管损坏‚Q1损坏ƒUC3906工作异常等。

（3）测量“充电输出”测试点电压，发现无电压，证明不是LED的问题。

测量Q1的1、3号脚压差为零，致三极管不导通，因此亦不是Q1的问题。

把故障定位在UC3906工作异常上。

测量UC3906的13脚检测电压，发现大于2.3V，那么故障可确定。

将相关测量数据填入表3-7-1中。

表3-7-1故障时可能故障点的电压测量

测试点

充电输出

Q1的1、3脚压差

UC3906的13号脚

电压（V）

（4）如下图3-7-1所示：

测量故障区的各个短接处的对地电平，确定当前故障设置情况，填入表3-7-2中。

表3-7-2故障区短接脚对地电平测量

测试点

Battery

J42右脚

J7右脚

J9右脚

电压（V）

当前短接打“√”

（5）根据测量情况将跳线帽至于正确位置，再次调节电池电压看充电指示灯是否正常。

图3-7-1充电故障区图

4.实验任务分析及思考

（1）模拟电池：

本机采用LM317等元器件构成模拟电池电路。

LM317是输出正电压可调的三端稳压块，输出电压范围1.2~37V，输出最大电流是1A。

其输出电压仅需通过外部电阻的条件即可实现。

Uo=Vref×（1+（R16+RP1）/R13）+Iadj×（R16+Rp1）=1.25V×（1+（R16+Rp1）/R13），式中Iadj小于100uA,可忽略。

因此本机模拟电池的理论输出范围为4.69-15V，但由于输入电压为12V，最大输出理论值小于12V，LM317实际的输出范围为4-10V。

本机可通过调节Rp1来实现模拟电池电压的变化。

图3-7-2模拟电池电路

（2）充电电路：

如图3-7-3所示：

本系统采用UC3906构成模拟电池充电电路。

UC3906是铅蓄电池专用充电管理芯片，其内部集成了较好的充电管理及温度补偿等特性。

充电过程基本分成3个阶