生物医学电子学实验指导书080711

图 2a.3 在示波器显示屏下放有三个测量数据的显示区，左侧数据区表示 1 号读数指针所指信号波形的数据。T1 表示 1 号读数指针离开屏幕最
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左端（时基线零点）所对应的时间。VA1、VB1 分别表示在 1 号位置 A 通道和 B 通道的信号幅度值。
中间数据区表示 2 号指针所在位置测得的数据。T2 表示 2 号读数 指针离开时基线零点的时间值。VA2、VB2 分别表示在 2 号位置 A 通 道和 B 通道的信号幅度值。
增益；
3
R2 与 R3 失配仅影响 Ad，而不影响 CMRR、Ac。
由上可见三运放克服了基本差动放大器的不足，代价是增加为三
个运放。具体电路如图 3 所示。
20K V2
1458/1
+ -
10K V4
20K
10K
4.7K 741
-
1K
+
VO
20K V1
1K
1458/2 20K
-
+
V3
10K
100K V
10K
三、实验要求
图 3 电路图
1、在电子电路仿真设计软件 EWB/Multisim 环境下，搭建生物电 前置放大器电路；
2、测量并计算共模增益、差模增益、共模抑制比等各项特性参数； 3、从生理信号网站下载心电/脑电信号数据进行仿真观察； 4、观察三运放生物电前置放大器电路中各运放 CMRR 及电阻失配 对总 CMRR 的影响及相关特性测试。
4、连接三运放前置放大器电路图并接入信号源和虚拟示波器。如
图 2a.2 所示：
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图 2a.2 5、测量和计算共模增益、差模增益、共模抑制比等各项特性参数 (1) 共模增益测量 将 17Hz 信号源幅度（差模信号）设置为 0V，50Hz 信号源（共 模信号）幅度设置为 1V。打开模拟电源开关，双击示波器图标并点击 “expand”按钮展开示波器面板。如图 2a.3 所示
二、实验原理：
电压—频率变换器（VFC），通常简称压—频变换器，是用来将电 压变换为相应的脉冲频率的变换电路，是实现模/数转换以及电压控制 振荡（VCO）的主要工具之一。目前电压—频率变换已经广泛应用于数 据采集、磁带记录、远距离传输和遥测以及数字式仪器等许多方面。
电压—频率变换器的电路形式很多，它可以由各种集成运放、集 成时基电路以及集成函数发生器等基本电路构成。专用的压—频变换 器集成电路也已问世。按照构成压频变换器电路的方式分，有无稳态 多谐振荡器式 VFC、恢复型 VFC、和反馈式 VFC 等多种。
图 2a.1
B 通道幅度灵敏度调节
示波器的图标和面板如图 2a.1 所示。当点击面板中“expand”按
钮时，可以将面板进一步展开。示波器图标上的参考端一般与电路中
的地端相连，可以由 A 通道与 B 通道分别与相应的信号端相连，同时
观察两路信号。由时间灵敏度改变扫描速度，幅度灵敏度则控制显示
信号的幅度。
(2) 差模增益测量 将 17Hz 信号源幅度（差模信号）设置为 0.1V，50Hz 信号源（共 模信号）幅度设置为 0V。打开模拟电源开关，双击示波器图标并点击 “expand”按钮展开示波器面板。如图 2a.4 所示
图 2a.4 同上面所示方法可求出差模增益。 (3) 共模抑制比计算
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差模增益除以共模增益即可得到三运放生物电前置放大器的共模 抑制比。
生物医学电子学
实验指导书
蔺利峰 编
河南科技大学医学技术与工程学院 生物医学工程系
实验一 生物电前置放大器特性参数测量及整体调试
一、实验目的：
1、熟悉生物电前置放大器电路 2、测量共模增益、差模增益、共模抑制比等各种特性参数 3、学习调整放大器整体特性的方法。
二、实验原理：
由于生物电信号源具有幅度小，频率低，内阻高的特点，且存在 较强的背景噪声和干扰，而生物电放大器是为测量生物电位而专门设 计的放大器，其基本作用是把微弱的生物电位信号的幅度放大，以便 进一步处理、记录或显示。因此要求生物电放大器具有高输入阻抗、 高共模抑制比、高增益、低噪声、低温漂、合适的频带宽度和动态范 围等特性。而放大器的输入阻抗、噪声、漂移及共模抑制比等特性的 好坏主要由前置放大器所决定。为了克服测量生物电时伴随的较强的 共模干扰（主要为 50Hz 干扰），在生物电放大器的前置级通常采用差
右侧数据区中，T2-T1 表示 2 号读数指针所在位置与 1 号读数指 针所在位置的时间差值。VA2-VA1 表示 A 通道信号两次测量值之差。 对本实验电路来讲，为输入端峰-峰值。VB2-VB1 表示 B 通道信号两次 测量值之差。对本实验电路来讲，为输出端峰-峰值。可以求出电路的 共模增益（输出端峰-峰值除以输入端峰-峰值）。
如果 R1=R（1+δ） R3=R（1-δ）
且 δ<<1
R4=R’(1+δ) R2=R’(1-δ)
4δ
4δ
AC =
= R
1
1+ 1+
则
R'
Ad
CMRR = Ad = 1 + Ad
∴
Ac 4δ
即匹配误差δ越小，CMRR 越大。
基本差放输入电阻 Ri=2R 基本差放电路简单，但它的缺点是 Ri、CMRR、Ad 之间互相牵制， 如：若要增加 Ri 则需 R↑，Ad 不变，那么 R’↑，大电阻不易匹配，从 而δ↑，造成 CMRR↓。因此用于生物电放大器并不理想。如图 2。
图 1a.2
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★说明：连接点可以在四个方向上连线。选中某元件（如电阻）， 单击鼠标右键，弹出快捷菜单，选中元件属性，在弹出的对话框中， 可对元件参数进行设置（如电阻值）。
3、了解和熟悉 EWB 中虚拟示波器的面板和操作使用 ●示波器
参考端
外触发 A 通道 B 通道
时间灵敏度调节
A 通道幅度灵敏度调节
2
R
V2
+
-
R4(1-δ) V4
R2
R5(1+δ)
-
R1
+
VO
R3
-
R
V1
+
V3
R4(1+δ) R5(1-δ)
图 2 三运放电原理图
它由两个运放接成同相并联型放大器后连接一个基本差动运放组 成，由于是同相输入，所以输入阻抗大大提高，并决定了运放电路的 输入阻抗。
共模增益
4δ
AC
=
AC1 • AC 2
⑶点击“Chart-O-Matic”，可以选择数据库和其中的心电信号记 录在 IE 浏览器中查看。
⑷打开 PhysioBank 记录格式转化器。方法是，在 IE 地址栏输 入网址：/cgi-bin/rdsamp 。
⑸ 在 数 据 库 列 表 框 中 选 择 “ MIT-BIH Arrhythmia Database (mitdb)”项，点击“continue”按钮。
= 1• 1+
R4
R5
差模增益
Ad
= Ad1 • Ad 2
R3 = R2
(1 + 2R2 ) R5 R1 R4
共模抑制比
1 + R5 CMRR = (1 + 2R2 ) R4
R1 4δ
三运放电路的优点是：
输入阻抗高，由运放输入阻抗决定；
可适当减小 R4 与 R1，从而使δ↓及 CMRR↑而不影响输入阻抗与
图 4a.1
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（2）将图 4a.1 中的 17Hz 信号源的幅度设置为 0，50Hz 信号源 的幅度设置为 1V。测出共模增益 AO1。
（3）将第三个运放的 CMRR 改为 60。方法为选中该运放，单击 鼠标右键，选中元件属性项 “component properties”，单击“Edit”编 辑按钮，单击 cheet2 标签，将 CMRR 改为 60，单击确定。再测共模 增益 AO2。
四、实验步骤
1、了解 EWB 软件的下载和安装（计算机中已安装 EWB，仅作为 了解）
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打开 IE 浏览器，进入搜索网页，输入 ewb50c.exe，这里使用北大 天网 FTP 搜索（），如图 1a.1：
图 1a.1 在搜索到的内容主页中，选择一个下载网址，点击 ewb50c.exe 将 该软件下载到本机磁盘。这里放置到 C 盘 ewb 子目录下。 双击 ewb 子目录中的 ewb50c 文件，将 EWB 安装完毕。 2、绘制三运放生物电前置放大器电路图（图 1a.2）
四、实验注意事项：
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1、文件保存到最后一个磁盘，其他磁盘已保护，计算机重启后信 息会全部丢失。
2、波形图从波形文件中获得，不要用抓屏软件抓取示波器面板。 3、实验结束后将全部波形图拷贝到文件中，打印出来贴到实验报 告上。
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实验二 电压－频率变换电路设计
一、实验目的：
1、掌握电压-频率变换电路的工作原理、特性及设计方法 2、通过实验掌握 555 的基本应用。
图 2a.5
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6、学习从生理信号网站 上获取 MIT 心电生理数据
⑴打开 IE 浏览器，在地址栏输入“”， 进入 PhysioNet 主页。认真阅读网站的说明。
⑵点击“PhysioBank”，进入 PhysioBank 生理信号数据库，仔细 阅读 PhysioBank 介绍。
R2 R1
](V2
− V1)
= ACVCM + AdVid
1
如果满足 R1=R2=R，R2=R4=R’，即外电路完全对称，电路完全匹 配。
则：
AC
= VO VCM
Vid
=0=0
Ad
=
VO Vid
VCM
=0
=
R' R
CMRR = Ad = ∞
若运放理想，有