医学电子仪器实验指导书重庆邮电大学主.docx
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医学电子仪器实验指导书重庆邮电大学主
医学电子仪器
实验指引书
（第一版）
生物信息学院
生物医学工程教学部版权所有
.8
前言
实验教学是工科院校三大教学环节之一，通过实验不但可以巩固、加深对基本理论知识理解，并且可以培养学生独立分析问题、解决问题能力和严谨工作作风，以适应将来工作需要。
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迅速发展，必要深化教学改革，加强实践性教学环节，加强对学生动手能力培养。
结合本专业规定，以及实验独立设课特点，咱们编写这本教材时加强了当代信息技术在生物医学中应用，注重实验内容典型性、实用性、设计性和新颖性。
力求在原理阐述上进一步浅出，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能力。
本书在编写过程中参照了许多同行研究成果，编者在此表达感谢。
由于编者水平有限和时间仓促，难免有局限性之处，但愿读者提出宝贵意见，批评指正。
编者
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构造培养必要教学环节，也是培养合格人才重要环节。
学生应通过科学实验努力培养自己独立工作能力、动手能力、观测能力、分析能力和创造能力；培养严肃认真科学态度，理论联系实际和求真务实作风；努力通过实验教学深化对所学理论知识结识。
为了严肃认真地完毕教学所规定所有任务，特作如下规定，必要认真执行。
1．实验前认真预习，经指引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要严肃认真、倡导创新，听从教师指引。
严格按操作规程进行操作，认真观测分析实验现象，如实记录实验数据，不得捏造数据或抄袭她人成果。
3．不得迟到，保持环境安静、整洁，禁止吸烟、随处吐痰和丢弃垃圾废弃物。
4．爱护公共财物，未经允许，不得随意动用别组仪器、工具、材料。
损坏公物，照价补偿。
5．注意安全，如遇异常状况，应及时切断电源、熄灭火源、关闭水源，防止事故蔓延扩大。
并保持现场，及时报告指引教师作好善后解决。
6．实验结束，应切断仪器电源，数据交指引教师评阅合格后，再整顿好仪器设备、工具、器材、桌椅等。
7．认真完毕实验报告，准时交指引教师评阅。
二、实验报告规定
实验报告是实验工作全面总结和最后成果，要能完整和真实地反映实验成果。
编写实验报告也是一种基本训练，必要以严肃认真态度来对待。
撰写实验报告要遵守一定规范和规定。
实验报告应书写简洁、文理通顺、数据、图表齐全。
报告重要内容应涉及：
1有设计性实验先要作好预设计工作。
2实验名称。
3实验目。
4实验设备与器件。
（实际使用设备、器件名称及型号）
5对设计性实验，规定有设计整个过程。
6记录实验数据，填写表格、画出图形。
原始数据必要用铅笔填写，由指引教师签字，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。
实验报告没有准时上交及报告中原始数据没有指引教师签字或伪造指引教师签字，都无效。
实验一、差动放大器调试与测量
【实验目】
（1）掌握差动放大器工作原理与性能特点，着重理解差模放大和共模抑制作用。
（2）学习差动放大器性能指标测试办法。
【实验原理】
图1.1是差动放大器基本构造，VT1和VT2对称相应电路元件规定参数一致。
当开关K拨向左边时，构成基本差动放大器。
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管静态电流有所变化。
Ree为两管共用发射极电阻，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负反馈作用，故可以有效抑制零漂和稳定静态工作点。
当开关拨向右边时，构成具备恒流源差动放大器。
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能力。
1.静态工作点估算
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，在抱负状况下
（1－9）
3.共模抑制比CMRR
对共模信号抑制时差动放大器一种重要特点，为表征差动放大器对共模信号抑制能力，引入共模抑制比CMRR，其定义式为
或
（1－10）
CMRR越大，表达电路对称性越好，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。
调节规定仔细、精确。
②测量静态工作点
调好零点后来，测出VT1、VT2管各电极电位及射极电阻Ree两端电压VRe登记表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状况下，用交流毫伏表测Vi，Vc1，Vc2，记入表1.2中，并观测Vi，Vc1，Vc2之间相位关系及VRe随Vi变化而变化状况（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状况下，测量Vc1、Vc2值，记入表1.2中，并观测Vi、Vc1、Vc2之间相位关系及VRe随Vi变化而变化状况。
2.具备恒流源差动放大电路性能测试
将图1.1中开关K拨向右边，构成具备恒流源差动放大电路。
重复上面内容
（2）和（3）规定，记入表1.2。
【实验记录】
实验名称：
实验者姓名：
指引教师：
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
具备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
/
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/
实验二、心电图机性能指标测试
【实验目】
通过实验，进一步加深对心电图机性能指标理解，并熟悉掌握其测试办法
【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）绝缘电阻测试
用500V以上兆欧表测试心电图机交流电源插头零线与相对机壳之间电阻值，这两个电阻值均应不不大于20M。
注意再测试前，切勿将电源插头与交流电接通；心电图机电源开关应接通；若交流电动机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测试
实验线路如图1所示，其中V为输入阻抗不不大于1M电压表、R为10＋10％M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，依照电压表读数V（伏），算出漏电流，规定机壳漏电流不大于100A，导联线漏电流不大于10A。
这里电阻R是作为人体等效电阻（涉及皮肤接触电阻和身体电阻）。
2.走纸速度测试
心电图机原则走纸速度时25mm/s，此外机器还应有50mm/s速度，测试时将心电图导联接近市电交流电源线附近，使心电图记录下一段50Hz信号，然后观测所记波形，在纸速25mm/s档，50mm长记录纸上应有100个波；在纸速50mm/，应有50个波，其误差应不大于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畴内重复突变适应能力，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，这个值应不大于＋1mm。
此外在220V时，走线记录10秒钟，测量其最大基线漂移值，这个值也应不大于＋1mm。
4.敏捷度
心电图机敏捷度定义为输入1mv电压时，描笔偏转多少毫米，原则敏捷度为10mm/mv。
5.阻尼
用以制止记录器产生自身振荡作用力叫阻尼，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，普通在＋20mm范畴内打定标信号，描笔振幅过冲量应不大于1小格，不得有圆头浮现，也不应见到明显回冲（见图2）。
6.线性
心电图机在描笔处在各种位置时，若输入相似信号，记录波形幅度相差很小，则称该机线性良好，普通在描笔偏转＋20mm范畴内，敏捷度误差应不大于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，其中任一处波幅不得不大于9mm，并且各处阻尼大小均应符合前述规定。
7.频率特性
按下定标信号键并始终保持，观测描记波形从10mm下降到3.7mm所需时间T（图4），这个即为心电图机时间常数值，再依照公式
，即可得到心电图机下限频率响应。
【实验报告规定】
1.实验时作好原始记录，在报告单上写出所测各项指标数值及计算过程。
2.如有指标不符合规定，试分析其也许各种因素。
【实验记录】
实验名称：
实验者姓名：
指引教师：
实验时间：
评语：
实验三、人体脉搏测量系统设计
【实验目】
（1）掌握应用数字电路系统进行电路设计办法。
【实验原理】
图3.1是脉搏测试系统构成方框图，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，从而得到每分钟脉搏数。
1.放大与整形电路
普通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，完毕整形功能。
为使G1和G2工作非门处在传播特性线性区，需恰当选用反馈电阻R1阻值。
注意：
R1阻值不能太小，否则非门输出与输入之间信号直接馈通。
普通R1值比非门输出电阻Ro大两个数量级（非门Ro=8~15k），但R1阻值也不能太大，否则将使工作点稳定性变差，甚至有也许偏离出线性区。
因而，R1值应比非门输入电阻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，普通先拟定电阻R3，可依照
拟定R3值。
当R3选定后，即可拟定电阻R2值，普通按R2=（0.01~0.1）R3关系来选用电阻R2值。
2.计数器电路
计数器是脉搏测试系统重要构成某些，若选用有选通脉冲输出控制计数器，可使得电路设计中采用动态扫描显示方式，将大大简化电路，节约器件。
本次实验采用CD4553作为计数器。
CD4553是3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完毕3位输出，采用扫描输出方式，通过它选通脉冲信号，依次控制3位十进制输出，从而实现扫描显示方式。
3.译码和显示电路
译码器功能使把计数器CD4553输出计数成果（BCD）码转换成七段字形码，以驱动数码管，实现数字或符号显示。
CD4511是常用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，各位数码管共阴极分别被计数器CD4553输出扫描时序脉冲控制，从而实现各位分时选通显示。
但为了显示稳定，应使扫描时序脉冲频率适当。
扫描频率与显示数码管位数关于，位数越多扫描频率越高，普通扫描频率取几百赫兹，可通过调节CD4553电容Cs值来决定。
数码管限流电阻需依照数码管电流容许值进行计算。
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输出高电平，UD为LED正向工作电压（约为1.5V~2V）,IS为数码管每段电流（约为5～10mA），UCE是三极管VT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
时基电路应产生一种方波定期脉冲，用来控制计数器CD4553计数容许INH端，以便使计数器在定期脉冲宽度固定期间内进行对脉搏电脉冲计数，固定期间为1min或30s。
为得到精准定期信号，采用振荡、分频办法，在实验中选用CD4060组件来完毕这种功能。
为得到60s脉宽定期信号，RC振荡器输出脉冲需经214次分频得到，电路若如图3.4所示，则RC振荡器脉冲频率
。
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值应不不大于1kΩ，电容CT应不不大于或等于100pF。
普通可先选定电容CT容量，再依照上式估算出电阻RT值。
电阻RS是为了改进振荡器稳定性，减少由于器件参数差别而引起振荡周期变化而接入，RS值应尽量不不大于RT，普通可取RS=10RT，此时振荡周期变化可大大减小。
为了得到精确振荡频率值，事实上RT和RS均应采用电位器，以便调节。
【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
【实验参照电路】
由以上各单元电路可组合出脉搏测量系统总体电路，如图3.5所示。
【实验内容】
1.分析实验参照电路，运用Protel99SE软件将各个单元电路某些绘制出来，并进行PCB印制电路板设计；
2.依照自己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功能及其在设计中需要注意问题；
2.阐明在装配过程中浮现问题及解决办法；
3.设计一种采用运算放大器放大薄弱脉冲信号放大电路。
实验四、人体脉搏测量系统调试和使用
【实验目】
培养学生对完整系统调试能力，锻炼她们解决实际问题能力。
【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
●上次实验搭建人体脉搏测量系统
【实验内容】
1.总体观测
以低频可调脉冲发生器输出作为脉搏传感器输出信号，接通电源开关S2，如数码管显示无规则信号，表白电路基本工作正常，而后按下清零按钮S1，对计数器和定期器清零，则显示计数值应不断增长，进一步阐明电路工作是正常，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，正常状况下应有100倍以上放大，整形电路应输出抱负电压波形，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，可改换两个此外非门，或者再加入一、两级电压放大器。
3.计数译码和显示电路调试
用低频脉冲信号发生器输出信号作为计数器输入（加至CD453312引脚），从LED数码管上去读数字，观测个、十、百位计数器与否都能完毕逢十进一功能，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个数码管排列顺序与否与选通脉冲DS1、DS2、DS3相应，它们应分别相应个、十、百位才对，连线不要搞错，此外应检查译码器各输出端与数码管相应引脚连接与否对的。
4.时基信号电路调试
定期电路CD4060振荡频率应为136Hz，可用脉冲示波器观测CD40609脚振荡波形，并调节10脚和11脚所接电位器RW1和RW2，使振荡频率为规定值，然后用示波器观测CD4060Q14（引脚3）输出波形，它应完毕214＝16384次分频，即其周期应为（1/136）×16384≈120s（相应正负脉冲宽度均为60s）。
此时，再以低频脉冲发生器输出作为计数器CD4553计数脉冲，按下清零按钮S1，使计数器和定期器同步清零，用秒表记下此时时间，随着计数脉冲输入，数码管计数值不断增长，当计数值停止增长或稳定不动时，记下此时时间，先后应刚好相差1min，否则尚需重复调电位器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跳到而持续增长，直至数值稳定不动，读下此计数值，即为每分钟脉搏次数。
【实验报告】
1.写出调试过程，记录下调试过程中发生各项问题和自己采用解决办法；
2.用自己设计脉搏测量系统测量2人以上脉搏次数；
3.谈谈对实验体会。
实验五、手指血压容积波测试
【实验目】
通过实验，理解无创手指血压计工作原理，并掌握其测试办法。
【实验原理】
手指血压计使依照人体血压与手指血流容积波地变化关系而研制，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浮现时，所相应压力值为PS。
3.继续减压，手指血流容积波浮现极大值时，所相应压力值为PD。
4.重复环节1—3，并记录PS、PD值。
5.先后以公式间接推算出被测试者平均压PM。
实验六、设计ECG浮地放大器
【实验目】
理解ECG浮地放大器工作原理与设计思路，掌握浮地放大器设计、制作、调试办法。
【实验原理】
浮地放大器，又名隔离放大器，这种放大器前置级与主机放大器是绝缘，既减小了共模干扰，又杜绝了漏电危险，国外已生产了隔离放大器组件，其漏电流不会超过2μA。
浮地放大器涉及输入级、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】
●心电模仿器或函数发生器
●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，频率范畴0.1～200Hz总增益A＝倍。
2.测量心电浮地放大器幅频特性。
用函数发生器产生不同频率正弦波信号，输入道放大器输入端，测量放大器在不同频率下差模增益。
（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，用示波器观测，并用生理记录仪记下心电波形。
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