医用电子学实验

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A1、A2、A3的理想特性，R5、R6、R7中的电流相等，得到01112202576iiiiUUUUUURRR从而导出（R6=R5）5011127()()iiiRUUUUR5202127()()iiiRUUUUR以上二式相加得501021272()(1)()iiRUUUUR注意到10001028()RUUUR则差模增益为010521872(1)diiURRAUURR只要调节R5，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模拟输入输出示波器（波形）万用表交流档直流档正弦波100u/50Hz2.2990mv1.7990mv0V0.000mv1.7990mv矩形波0.1mV/50H/90%689.1mv-270.1mv3、计算放大倍数，并记录与表2-2中。表2-2模拟输入输出（万用表交流档）放大倍数放大倍数计算值正弦波100uV/50Hz2.2990mv22.99234、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。表2-3模拟输入为零（Vi=0）输出（万用表直流档）R11=10KR11=10.00825K理想运放正弦波0V/50Hz1.7990mv-6.6075uV0当R11取10.00825K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：201RHR为通带增益，故上式可写作：02H  HS?1SRC考虑到：w=w0=21RC时，并注意到：S=jw，则0()2HHjw即下降3个分贝故一阶低通滤波器的通带截止频率为0212fRC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：表2-1通带截止频率测量值计算值100.0Hz97.08Hz2）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R1和C2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C1上电位的关系是0C1321USUSSRC据节点（R1、R2、R3、C1相连接的点）电流法可得111011132()()()()()()0iCCCCUSUSUSUSUSUSSCRRR解以上两式组成的方程组，可得传递函数如下：3122231223123()1111()RRHSSCRRSCCRRRRR通带截止频率及Q值为：005370.372Pfff0231212fRRCC1123232(////)CQRRRRRC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：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：通带截止频率测量值计算值28.54Hz29.4Hz3、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221()HS1S4RCSRC?SRC当o1wRC时，H(wo)=0，即中心频率为01 2fRC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。表2-3中心频率测量值计算值52.21Hz51.75Hz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A2同相输入端的电位低于零时，u02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R1（1000K）小得多，因此放电很快，u02迅速上升，使A2的u+上升很快大于零，u02很快从-Ucc跳回到+Ucc，二极管又截止，输入电压经电阻R1再向电容充电。如此周而复始，产生震荡。A3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：11011012TmUdtUCR其中是A1输出锯齿波电压得峰值，并设U1在T1时间为常数，则可得11112OmUTRCU因此振荡频率是111011112mUfTTRCU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。表4-1可调电阻（%）102030405060708090100万用表（mV）49.9599.8149.6199.2248.8298.2347.6396.8446.0495.0测量周期T(ms)40.389820.101913.445810.07768.06615.85015.82135.07694.50013.6505频率Hz=1/T25507499124171172197222274注：可调电阻，按照缺省的设定，每按动一下热键“R”，电阻值减小5%，若使用“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111011112mUfTTRCU带入数值计算出f=125.6Hz4、根据实验数据画出电压—频率曲线。2550749912417117219722227405010015020025030049.9599.8149.6199.2248.8298.2347.6396.8446495频率（Hz）电压（mV）