医用电子学实验解析

医用电子学实验报告
班级：生物医学工程121班
姓名：xxx
学号：xxxxxxx
实验一 心电图（ECG ）前置放大器
一、 实验目地
1、掌握三运算放大器组成差动放大器的原理。

2、掌握元器件参数变化对放大器性能指标的影响。

3、加深对生物电信号和生物放大器的理解。

二、 实验设备
EWB5.12仿真软件
三、 实验原理及设计思路
下图是用三个运算放大器构成的一个实用的人体心电信号检测的前置放大器，两个氖灯作为电压限幅器。

一旦两端的电压超过其击穿电压，则氖灯迅速导通，使其两端的电压降低接近于0伏，从而保护放大器，R11用来调节电路的共模抑制比。

图2-1三电极心电前置放大器
按图2-1连接，开关置于图中位置时（输入信号为100u/50Hz 正弦信号），进行模拟仿真后，实验结果如图2-2所示：
电流表直流档 电流表交流档 图2-2
图2-1所示，是典型的三运算放大器组成的差动放大器，根据A 1、A 2、A 3的理想特性，R 5、R 6、R 7中的电流相等，得到
01112202
576
i i i i U U U U U U R R R ---==
从而导出（R 6=R 5）
5
011127
()()i i i R U U U U R -=
- 5
202127
()()i i i R U U U U R -=
- 以上二式相加得
5
0102127
2()(1)()i i R U U U U R -=+- 注意到
10
001028
()R U U U R =-- 则差模增益为
010521872(1)d i i U R R
A U U R R ==+-
只要调节R 5，就可以改变三运算放大器的增益，而不影响整个电路的对称性。

三运算放大器组成差动放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗和可变增益等一系列优点，它是目前最典型的生理参数测量用的前置放大器，且已在各类生物医学仪器中获得广泛应用。

四、实验内容及步骤
1、 用EWB 软件按图2-1三电极心电前置放大器电路图接线、设置各元件参数、创建电路，接入示波器，并保存电路。

2、 激活仿真电路，用示波器、万用表，观察波形、读取实验数据，并记录于表2-1中。

当开关连接100u/50Hz 的正弦波信号时，示波器波形如下图所示：
当开关连接0.1mV/50H/90%的矩形波信号时，示波器波形如下图所示：
当开关连接0V的正弦波信号时，示波器波形如下图所示：
表2-1三电极心电前置放大器实验记录表
3、计算放大倍数，并记录与表2-2中。

4、将模拟正弦信号调整为零（Vi=0），测量出此时的输出电压（零漂）；改变R11的数值使零点漂移最小，记录下R11的数值；将三只运算放大器设为理想运算放大器，记录有关数据、填入表2-3中。

当时，万用表显示的数值如下图所示：
实验二有源低通滤波及50Hz陷波器
一、实验目地
1、加深对有源滤波及50Hz陷波器的认识和理解。

2、认识有源滤波器生物信号处理中的意义。

二、实验设备
EWB5.12仿真软件
三、实验原理
有源低通滤波通常由RC网络和集成运放构成，利用它可以突出有用频率的信号、抑制干扰、噪声，或者衰减无用的信号，达到提高信噪比或选频的目的。

四、实验内容及步骤
1、一阶低通滤波器
图3-1一阶低通滤波器
由图3-1电路可知，电路的传递函数为
记：2
1
R
H
R
=-为通带增益，故上式可写作：
()0
2
H
H S?
1SR C
=
+
考虑到：w=w0=
2
1
R C
时，并注意到：S=jw ，则
()
2
H jw=即下降3个分贝
故一阶低通滤波器的通带截止频率为 021
2f R C
π=
1)
按图3-1接线，用波特图示仪测量通带截止频率，填入表2-1，并绘出其波特图。

一阶低通滤波器通带截止频率为100.0Hz ，其波特如图所示：
2）将电路中的理想运放改为LM741，观测并记录其波特图。

将理想运放改为LM741后，其波特图如图所示：
2、 二阶低通滤波器
图3-2二阶低通滤波及波特图
由图3-2可知，电路中 R 1和C 2构成两个反馈支路，其反馈的强弱均与信号的频率有关，图中的运放可以看作无限增益（指理想运放）的放大环节，因此被称为无限增益多路反馈滤波电路。

其输出电压与C 1上电位的关系是
()()0C132
1
U S U S SR C =-
据节点（R 1、R 2、R 3、C 1相连接的点）电流法可得
111011132
()()()()()
()0i C C C C U S U S U S U S U S U S SC R R R -----=
解以上两式组成的方程组，可得传递函数如下：
3
1
22231223
123
()111
1()R R H S SC R R S C C R R R R R -
=
++++
通带截止频率及Q 值为： 00537
0.372P f f -=
≈ 02312
2f R R C C π=
1
123232
(////)
C Q R R R R R C =
1）按图3-2接线，用波特图示仪测量通带截止频率，填入表2-2，并绘出其波特图。

表2-2
其通带截止频率为28.54Hz ，波特图如图所示：
通带截止
频率
测量值 计算值
28.54Hz 29.4Hz
2） 将电路中的理想运放改为LM741，观测并记录其波特图。

将理想运放改为LM741后，波特图如图所示：
3、
双T 带阻滤波器（陷波器）
图3-3 双T 带阻滤波器
用Y--- 变换技术，可推导出双T 网络的传递函数为 ()()2
2
1()H S 1S4RC SRC ?
SRC +=++
当
o 1
w RC
=时，H(wo)=0，即中心频率为 01
2f RC
π=
1) 按图3-3接线，用波特图示仪测中心频率、填入表2-3中，并绘出其波特图。

双T带阻滤波器中心频率为52.21Hz，波特图如图所示：
2）将电路中的理想运放改为LM741，观测并记录其波特图。

将理想运放改为LM741以后，波特图如图所示：
实验三电压--频率变换器
一、实验目的
1、认识压--频变换器在遥测系统、各种生理信号的检测中的应用价值。

2、掌握一种压—频变换器电路原理。

二、实验设备
EWB5.12仿真软件
三、实验原理
电压—频率变换电路简称压—频变换器，其输出信号的频率与输入电压成正比，压--频变换器将输入电压变换成矩形波，简写作VFC。

压—频变换器在遥测系统、各种生理信号的检测中有极广泛的应用。

实验电路如图4-1所示，整个电路共用了三只运算放大器。

图4-1三运放电压—频率变换器
A1为积分电路，积分电容的充、放电时间常数不同，且充电时间受输入电压（由电流源、可调电阻器构成）的控制。

A2是同相输入滞回比较器，它起到开关作用，其输出通过电阻，二极管反馈到积分器的输入端，当它的输出电压u02 =+Ucc时，二极管截止，输入电压经电阻R1(100K )向电容C(1000pF)充电，输出电压u02逐渐下降，当u02下降到零再
继续下降使运放A 2同相输入端的电位低于零时，u 02由+Ucc 跳变为-Ucc ，二极管由截止变为导通，电容放电。

由于放电回路的等效电阻比重点电阻R 1（1000K Ω）小得多，因此放电很快，u 02迅速上升，使A 2的u +上升很快大于零，u 02很快从-Ucc 跳回到+Ucc ，二极管又截止，输入电压经电阻R 1再向电容充电。

如此周而复始，产生震荡。

A 3是反相器，上周边的二极管、电阻电容等组成波形整形、滤波电路。

由上面分析可知，电容放电的时间很短，因此振荡周期近似等于电容充电时间T1，它可由下式求出：
1
1
011
012T m U dt U C R =⎰ 其中是A 1输出锯齿波电压得峰值，并设U 1在T 1时间为常数，则可得
1111
2O m
U T R C
U =
因此振荡频率是
1
11011112m
U f T T R C U ≈
≈= 可见震荡频率与输入电压成正比。

四、实验内容及步骤
1、按图4-1电压—频率变换器电路图接线，设置各元件参数、创建电路，接入示波器，万用表，并保存电路。

2、激活仿真电路，用示波器观察波形、读取实验数据，并记录与表4-1中。

用“Shift+R ”，每按动一下，电阻阻值则增大5%。

3、 将可调电阻置于50%，测量出锯齿波的U01m ，计算出振荡频率f, 并与表4-1中的实测数据进行比较；
测出U01m 为19.8991mV ，根据
111011112m
U f T T R C U ≈≈=
带入数值计算出f=125.6Hz
4、根据实验数据画出电压—频率曲线。