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医学电子仪器.doc

医学电子仪器

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2011-11-05 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《医学电子仪器doc》,可适用于高等教育领域

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。编者年月实验须知一、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。.​ 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。.​ 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。.​ 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。.​ 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。.​ 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。.​ 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。.​ 认真完成实验报告按时交指导教师评阅。、​ 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:有设计性的实验先要作好预设计工作。​ 实验名称。​ 实验目的。​ 实验设备与器件。(实际使用的设备、器件名称及型号)​ 对设计性的实验要求有设计的整个过程。​ 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。​ 故障现象、分析及解决方案。​ 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】()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。()学习差动放大器性能指标的测试方法。【实验原理】图是差动放大器的基本结构VT和VT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=时双端输出电压Vo=。RP为调零电位器当两管对称性不好时可以调节RP使VT、VT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。静态工作点的估算基本电路分析当输入端短接时(-)(-)恒流源电路(-)(-)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=kΩRP在中心位置。(-)单端输出时(-)(-)当输入共模信号时若为单端输出则有(-)若为双端输出在理想情况下(-)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(-)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​ 晶体三极管、电位器、电阻、电容等元器件若干【实验内容】典型差动放大器性能测试按图连接实验电路开关K拨向左边构成基本差动放大器电路()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=。调节要求仔细、准确。②测量静态工作点调好零点以后测出VT、VT管各电极电位及射极电阻Ree两端电压VRe记录表。()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=kHz的正弦信号输出旋钮至零用示波器监视输出端(集电极C或C与地之间)。接通电源逐渐增大输入电压Vi(约mV)在输出波形不失真地情况下用交流毫伏表测ViVcVc记入表中并观察ViVcVc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)。()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=kHzVi=V在输出电压不失真地情况下测量Vc、Vc的值记入表中并观察Vi、Vc、Vc之间的相位关系及VRe随Vi变化而变化的情况。具有恒流源的差动放大电路性能测试将图中的开关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()和()的要求记入表。【实验记录】实验名称:实验者姓名:指导教师:实验时间:评语:表测量值VcVVBVVEVVcVVBVVEVVReV计算值ICmAIBmAVCEmV表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VimVVmVVVcVVcV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】绝缘性能测试()绝缘电阻的测试用V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M。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。()机壳漏电流及导联线漏电流的测试实验线路如图所示其中V为输入阻抗大于M的电压表、R为+%M的无感测试电阻。开关K打向时测机壳漏电打向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A导联线漏电流小于A。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)。走纸速度测试心电图机的标准走纸速度时mms另外机器还应有mms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Hz信号然后观察所记波形在纸速mms档mm长的记录纸上应有个波在纸速mm应有个波其误差应小于%。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V和V(即V+%)来回切换秒内切换次记录所得基线漂移值这个值应小于+mm。另外在V时走线记录秒钟测量其最大基线漂移值这个值也应小于+mm。灵敏度心电图机灵敏度定义为输入mv电压时描笔偏转多少毫米标准灵敏度为mmmv。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mv定标电压一般在+mm范围内打定标信号描笔振幅的过冲量应小于小格不得有圆头出现也不应见到明显回冲(见图)。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+mm范围内灵敏度误差应小于%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mm打一组mv定标信号如图所示其中任一处的波幅不得小于mm并且各处的阻尼大小均应符合前述的要求。频率特性按下定标信号键并一直保持观察描记波形从mm下降到mm所需的时间T(图)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】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。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】()掌握应用数字电路系统进行电路设计的方法。【实验原理】图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。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所示其中非门G和G构成两级放大器G和G构成施密特触发器完成整形功能。为使G和G工作非门处于传输特性的线性区需适当选取反馈电阻R的阻值。注意:R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R值比非门的输出电阻Ro大两个数量级(非门Ro=~k)但R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R值应比非门的输入电阻Ri小~个数量级。G和G通过正反馈构成施密特触发器电阻比值RR影响其回差值一般先确定电阻R可根据确定R的值。当R选定后即可确定电阻R的值通常按R=(~)R的关系来选取电阻R的值。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CD作为计数器。CD是位十进制计数器但只有个输出端要完成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位十进制的输出从而实现扫描显示方式。译码和显示电路译码器的功能使把计数器CD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。CD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mA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CD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CD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(如图所示)限流电阻可按下式进行估算:。式中UOH为CD的输出高电平UD为LED正向工作电压(约为V~V),IS为数码管的每段电流(约为~mA)UCE是三极管VT的管压降(约为V)则可求得R~R约为kΩ。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CD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min或s。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CD组件来完成这种功能。为得到s脉宽的定时信号RC振荡器的输出脉冲需经次分频得到电路若如图所示则RC振荡器的脉冲的频率。当CD接成RC振荡器时振荡频率f与RC之间有近似关系:。电阻RT的值应大于kΩ电容CT应大于或等于pF。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=RT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、CD串行计数器、CD计数器、CD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所示。【实验内容】分析实验参考电路运用ProtelSE软件将各个单元电路部分绘制出来并进行PCB印制电路板设计根据自己的印制电路板设计安装实验电路。【实验报告】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说明在装配过程中出现的问题及解决方法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】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S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S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。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。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CD的引脚)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个数码管的排列顺序是否与选通脉冲DS、DS、DS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。时基信号电路的调试定时电路CD的振荡频率应为Hz可用脉冲示波器观察CD的脚振荡波形并调节脚和脚所接电位器RW和RW使振荡频率为要求值然后用示波器观测CD的Q(引脚)输出波形它应完成=次分频即其周期应为()×≈s(对应的正负脉冲宽度均为s)。此时再以低频脉冲发生器的输出作为计数器CD的计数脉冲按下清零按钮S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min否则尚需反复调电位器RW和RW。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S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S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】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用自己设计的脉搏测量系统测量人以上的脉搏次数谈谈对实验的体会。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】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。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。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。重复步骤并记录PS、PD值。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μA。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DCDC直流变换器输入级与输出级间的阻抗很大彼此间耐压>kV故漏电流很小。光耦合隔离放大器原理框图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LM、电容、电阻、电线【实验内容】设计、制作ECG浮地放大器频率范围~Hz总增益A=倍。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=VoVi)fAd绘出幅频特性曲线。测量共模抑制比CMRR:()测共模增益Ac=VoVi()计算共模抑制比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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