数字化心电图机维修考证箱实训指导手册0911.docx

1、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：AC220V2输入功耗：20W3导联信号输入方式：浮地4. 输入阻抗：20M5. 灵敏度：三档，分别是5mm/mV、10mm/mV、20mm/mV6. 心电噪声电平：30Vp-p7. 时间常数：1.5S8. 心电共模抑制比:1

2、05dB 9. 线性误差：10%10. 心电频率响应：0.05100Hz11 漏电流：100uA12. 走纸速度：25mm/s、50mm/s13. 肌电滤波干扰：45Hz(-3dB)14. 耐极化电压：400mV15. 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. 240128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

3、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

4、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5VFGND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 A11.+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 A

5、2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 A41、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

6、释 )部分导联切换异常B11、V2V6导联不显示波形2、V2V6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 V2V6导联不显示波形3-ON V2V6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

7、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C1S1、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

8、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_1 2-ON (拨码开关A1_1的1、4脚导通) -J15-故障输出3VA1_2 3-ON (拨码开关A1_1的3、6脚导通)-J17-故障输出0VA1_3 1-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_1 2-ON (拨码开关A1_1的1、4脚导通) -J15A1_2 2-

9、ON (拨码开关A1_1的1、4脚导通)-J17A1_3 1-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

10、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

11、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

12、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

13、，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

14、）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

15、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V2V6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PN

16、P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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、： 表3-5-1 C2、C3故障区对地电阻测量测量脚J8J11J12J13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ABCD频率Vpp4、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

23、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。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ABCD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。

24、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

25、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)/10 V= 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J15J17J19电阻值（k）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

26、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=30.3K。R2取决于A1故障设置区的设置，当

27、R2=10K，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 UC3906工作异常等。（3）测量“充电输出”测试点电压，

28、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BatteryJ42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

29、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1.237V，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