生物医学电子学实验指导书080711
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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）。
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
AC
实际外电路难以做到完全匹配，总会存在误差。
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。
四、实验注意事项：
13
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。
14
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。
(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
8
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。
图 2a.5
9
6、学习从生理信号网站 http://www.physionet.org 上获取 MIT 心电生理数据
⑴打开 IE 浏览器，在地址栏输入“http://www.physionet.org”， 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。
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
7
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
20源自文库 V1
1K
1458/2 20K
-
+
V3
10K
100K V
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）
4
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（http://bingle.pku.edu.cn），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）
共模增益 差模增益 共模抑制比（CMRR）
(4) 保存输出波形 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 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，查看显示波形。 点“Analysis”分析菜单，选择“Display Graphs”显示图形项， 弹出如图 2a.5 所示窗口。单击属性按钮可进行适当设置，当显示波形 满意后，单击保存按钮，可将输出波形保存为.gra 类型文件。
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。
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：
6
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
图 4a.1
12
（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。
图 1a.2
5
★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
恢复型 VFC 电路通常是由积分器、电压比较器、恢复单元等几部 分组成。
由电路可知，积分器 A1 充电时间：
T1
=
（4）将第三个运放的 CMRR 恢复为 90。将第 1、2 运放的 CMRR 设置为 60，方法同上。测共模增益 AO3。
（5）恢复原设置。将运放三的某一外接电阻增加 10%，如图 4a.2。 测共模增益 AO4。
图 4a.2 （6）恢复原设置。将外接的两个 20K 电阻中的一个改为 25KΩ。 测共模增益 AO5。 （7）同时更改运算放大器共模抑制比和电阻值。测共模增益 AO。 （8）图 4a.1 中的 17Hz 信号源换为实验三中的分段线性源，第 3 个放大器中 10K 电阻改为 1K。重复以上步骤的元件设置，用示波器 分别观察输出波形。 （9）计算以上步骤中电路的 CMRR 并分析是否与理论一致。
= 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
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：http://www.physionet.org/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。
生物电前置放大器的输入信号（图 3a.2）。打开模拟电源开关，观察 示波器显示的输入输出波形。（图 3a.3）
图 3a.2
图 3a.3 打开 analysis 菜单，单击 display graphs 项，弹出图形显示窗口
11
如图 3a.3，单击保存按钮，将示波波形存为.gra 文件。
图 3a.3 8、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。 （1）绘制电路如图 4a.1 所示。将第三个运放选中（此时显示为 红色）。单击鼠标右键，选择元件属性项“component properties”，在 模式标签“Models”下选择 haxxxx 库中的 HA-2500，以便在后面的步 骤中可以选择与 741 运放不同的 CMRR。测差模增益。
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
⑹在“record”栏选择“100”，如图 3a.1。点击“show samples” 按钮。
图 3a.1 ⑺选中显示的数据，复制到文档编辑器（如写字板或 Word）中，
10
并保存为 txt 文本格式文件，例如 ecg_show100.txt 备用。 7、使用 EWB 中的分段线性源，加载下载的心电数据，作为三运放
R2
R’
V1 R1
-
VO R1=R3=R V1 R
-
VO
V2 R3
+
R4
+
R2=R4=R V2 R R’
图 1 基本差动放大器
动放大以提高共模抑制比。基本的差动放大器如图 1：
V0
=
R4 R1 − R3 R2 R1 (R1 + R4 )
• V1
+ V2 2
+
1 [(1+ 2
R2 )( R4 ) + R1 R3 + R4
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
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。
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
AC
实际外电路难以做到完全匹配，总会存在误差。
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。
四、实验注意事项：
13
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。
(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
8
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。
图 2a.5
9
6、学习从生理信号网站 http://www.physionet.org 上获取 MIT 心电生理数据
⑴打开 IE 浏览器，在地址栏输入“http://www.physionet.org”， 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。
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
7
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
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+ -
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20K
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20源自文库 V1
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1458/2 20K
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100K V
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）
4
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（http://bingle.pku.edu.cn），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）
共模增益 差模增益 共模抑制比（CMRR）
(4) 保存输出波形 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 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，查看显示波形。 点“Analysis”分析菜单，选择“Display Graphs”显示图形项， 弹出如图 2a.5 所示窗口。单击属性按钮可进行适当设置，当显示波形 满意后，单击保存按钮，可将输出波形保存为.gra 类型文件。
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。
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：
6
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
图 4a.1
12
（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。
图 1a.2
5
★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
恢复型 VFC 电路通常是由积分器、电压比较器、恢复单元等几部 分组成。
由电路可知，积分器 A1 充电时间：
T1
=
（4）将第三个运放的 CMRR 恢复为 90。将第 1、2 运放的 CMRR 设置为 60，方法同上。测共模增益 AO3。
（5）恢复原设置。将运放三的某一外接电阻增加 10%，如图 4a.2。 测共模增益 AO4。
图 4a.2 （6）恢复原设置。将外接的两个 20K 电阻中的一个改为 25KΩ。 测共模增益 AO5。 （7）同时更改运算放大器共模抑制比和电阻值。测共模增益 AO。 （8）图 4a.1 中的 17Hz 信号源换为实验三中的分段线性源，第 3 个放大器中 10K 电阻改为 1K。重复以上步骤的元件设置，用示波器 分别观察输出波形。 （9）计算以上步骤中电路的 CMRR 并分析是否与理论一致。
= 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
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：http://www.physionet.org/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。
生物电前置放大器的输入信号（图 3a.2）。打开模拟电源开关，观察 示波器显示的输入输出波形。（图 3a.3）
图 3a.2
图 3a.3 打开 analysis 菜单，单击 display graphs 项，弹出图形显示窗口
11
如图 3a.3，单击保存按钮，将示波波形存为.gra 文件。
图 3a.3 8、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。 （1）绘制电路如图 4a.1 所示。将第三个运放选中（此时显示为 红色）。单击鼠标右键，选择元件属性项“component properties”，在 模式标签“Models”下选择 haxxxx 库中的 HA-2500，以便在后面的步 骤中可以选择与 741 运放不同的 CMRR。测差模增益。
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
⑹在“record”栏选择“100”，如图 3a.1。点击“show samples” 按钮。
图 3a.1 ⑺选中显示的数据，复制到文档编辑器（如写字板或 Word）中，
10
并保存为 txt 文本格式文件，例如 ecg_show100.txt 备用。 7、使用 EWB 中的分段线性源，加载下载的心电数据，作为三运放
R2
R’
V1 R1
-
VO R1=R3=R V1 R
-
VO
V2 R3
+
R4
+
R2=R4=R V2 R R’
图 1 基本差动放大器
动放大以提高共模抑制比。基本的差动放大器如图 1：
V0
=
R4 R1 − R3 R2 R1 (R1 + R4 )
• V1
+ V2 2
+
1 [(1+ 2
R2 )( R4 ) + R1 R3 + R4
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
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。