本教材的編寫立足于工程教育的原則,以“設(shè)計(jì)”能力和“性能(精度)”為準(zhǔn)則,系統(tǒng)、全面、詳細(xì)地介紹了生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的基本原理、常用電路及其設(shè)計(jì)、典型醫(yī)學(xué)儀器的原理和構(gòu)成。從元器件的參數(shù)到單元電路的特點(diǎn)與性能,從電路的前、后級(jí)電路的連接關(guān)系到系統(tǒng)的設(shè)計(jì),從原理性電路到現(xiàn)時(shí)較先進(jìn)的SoC器件,力求為讀者提供生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)從細(xì)節(jié)到宏觀的,系統(tǒng)、全面、深入的認(rèn)識(shí)。本教材可用于本科生物醫(yī)學(xué)工程、電子技術(shù)應(yīng)用和機(jī)電一體化等專業(yè)的相關(guān)課程。
李剛,天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師(生物醫(yī)學(xué)工程、儀器科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)學(xué)科)。主要研究領(lǐng)域:生物醫(yī)學(xué)工程、信息檢測(cè)與處理、嵌入式計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用。主持和參與了30多項(xiàng)國(guó)際合作、國(guó)家自然科學(xué)基金、省部委以及企業(yè)合作項(xiàng)目。在國(guó)際和國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)刊物與會(huì)議上發(fā)表論文700多篇,其中EI檢索280多篇、SCI檢索158篇。獲得國(guó)家發(fā)明專利100多項(xiàng)和已申請(qǐng)130多項(xiàng)。主編并出版教材和著作36本。已培養(yǎng)畢業(yè)博士近40名和碩士150多名,在學(xué)博士研究生15名和碩士研究生8名。獲天津市\(zhòng)"51”勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)、中?guó)儀器儀表學(xué)會(huì)創(chuàng)新獎(jiǎng)和天津市先進(jìn)教師稱號(hào)等各種獎(jiǎng)勵(lì)50多項(xiàng)。 天津市精品課程《生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)》負(fù)責(zé)人和主講教師,國(guó)家精品課程《測(cè)控電路》主講者之一。
目 錄
第1章 概述\t1
1.1 電子學(xué)在生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)中的作用\t1
1.2 醫(yī)學(xué)電子儀器的一般結(jié)構(gòu)\t2
1.3 醫(yī)學(xué)電子儀器的設(shè)計(jì)\t4
1.4 醫(yī)學(xué)電子儀器中的噪聲、干擾與誤差\t5
1.4.1 干擾及其抑制\t6
1.4.2 電路噪聲\t7
1.4.3 人體內(nèi)部的噪聲與人機(jī)界面的噪聲\t11
1.5 醫(yī)學(xué)電子儀器的整體設(shè)計(jì)\t12
1.6 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的學(xué)習(xí)方法和要求\t13
思考題與習(xí)題\t13
第2章 信號(hào)放大\t15
2.1 概述\t15
2.1.1 運(yùn)算放大器的主要直流參數(shù)\t16
2.1.2 運(yùn)算放大器的主要交流參數(shù)\t20
2.2 同相放大器\t23
2.3 反相放大器\t24
2.4 基本差動(dòng)放大器\t25
2.5 儀用放大器\t27
2.6 可變?cè)鲆娣糯笃鱘t29
2.7 隔離放大器\t31
思考題與習(xí)題\t33
第3章 信號(hào)濾波\t36
3.1 引言\t36
3.2 濾波器的主要特性指標(biāo)\t37
3.3 濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性\t39
3.4 有源濾波器的設(shè)計(jì)\t41
3.4.1 濾波器的公式法設(shè)計(jì)\t42
3.4.2 濾波器的歸一化設(shè)計(jì)\t51
3.4.3 濾波器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)\t67
3.4.4 濾波器的類比設(shè)計(jì)\t73
思考題與習(xí)題\t73
第4章 信號(hào)運(yùn)算\t75
4.1 引言\t75
4.2 加減運(yùn)算電路\t75
4.2.1 加法運(yùn)算電路\t75
4.2.2 減法運(yùn)算電路\t76
4.3 對(duì)數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路\t77
4.3.1 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路\t77
4.3.2 指數(shù)運(yùn)算電路\t79
4.4 乘除與乘方、開(kāi)方運(yùn)算電路\t80
4.4.1 乘除運(yùn)算電路\t80
4.4.2 乘方和開(kāi)方運(yùn)算電路\t82
4.5 微分與積分運(yùn)算電路\t82
4.5.1 積分運(yùn)算電路\t82
4.5.2 微分運(yùn)算電路\t86
4.5.3 PID電路\t87
4.6 特征值運(yùn)算電路\t92
4.6.1 采樣/保持電路\t92
4.6.2 絕對(duì)值運(yùn)算電路\t95
4.6.3 均值運(yùn)算電路\t96
4.6.4 峰值運(yùn)算電路\t97
4.6.5 有效值運(yùn)算電路\t97
思考題與習(xí)題\t98
第5章 信號(hào)變換\t100
5.1 概述\t100
5.2 電壓-電流變換器(VCC)和電流-電壓變換器(CVC)\t101
5.2.1 電壓-電流變換器(VCC)\t101
5.2.2 電流-電壓變換器(CVC)\t106
5.3 波形變換\t112
5.3.1 三角波-正弦波的變換方法\t112
5.3.2 三角波或正弦波-方波的變換方法\t113
5.3.3 方波-三角波或正弦波的變換方法\t113
5.4 電壓-頻率變換與頻率-電壓變換\t113
5.4.1 電壓-頻率變換電路\t114
5.4.2 頻率-電壓變換電路\t116
5.4.3 電壓-頻率變換與頻率-電壓變換集成電路\t117
思考題與習(xí)題\t121
第6章 信號(hào)非線性處理\t124
6.1 引言\t124
6.2 電壓比較器\t124
6.2.1 比較器的輸入電路\t125
6.2.2 比較器的反饋電路\t126
6.2.3 比較器的輸出鉗位\t128
6.3 限幅放大器\t129
6.4 死區(qū)電路\t131
思考題與習(xí)題\t132
第7章 模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換與數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換\t134
7.1 引言\t134
7.2 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)\t134
7.2.1 并行比較型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器\t135
7.2.2 逐次逼近比較型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器\t136
7.2.3 積分型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器\t137
7.2.4 壓頻變換型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器\t139
7.2.5 流水線型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器\t139
7.2.6 ∑-?型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器\t140
7.2.7 ADC的選用\t145
7.3 數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)\t146
7.3.1 DAC的原理\t146
7.3.2 DAC的主要性能\t150
7.3.3 專用集成DAC簡(jiǎn)介\t151
思考題與習(xí)題\t152
第8章 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)\t155
8.1 引言\t155
8.2 生物電測(cè)量電極\t158
8.2.1 引導(dǎo)電極的種類\t158
8.2.2 生物電極基本知識(shí)\t159
8.2.3 電極的電性能與等效電路\t160
8.2.4 微電極及其等效電路\t162
8.3 心電信號(hào)檢測(cè)與心電圖機(jī)\t163
8.3.1 心臟電傳導(dǎo)系統(tǒng)和心電圖\t163
8.3.2 心電圖機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能\t165
8.3.3 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)\t166
8.3.4 心電檢測(cè)中的干擾及對(duì)策\(yùn)t168
8.4 神經(jīng)系統(tǒng)電信號(hào)檢測(cè)與腦電圖機(jī)\t174
8.4.1 神經(jīng)系統(tǒng)概述\t174
8.4.2 神經(jīng)系統(tǒng)的電活動(dòng)\t174
8.4.3 腦電圖術(shù)\t175
8.4.4 腦電圖機(jī)系統(tǒng)\t180
8.5 生物電檢測(cè)前置放大器的設(shè)計(jì)\t181
8.5.1 生物電檢測(cè)前置放大器的要求\t181
8.5.2 生物電檢測(cè)前置放大器的設(shè)計(jì)舉例\t182
8.6 集成生物電檢測(cè)芯片―AFE\t184
8.6.1 ADAS1000系列心電AFE\t185
8.6.2 用于脈搏血氧儀的集成模擬前端AFE4490\t206
思考題與習(xí)題\t213
第9章 傳感器接口電路\t215
9.1 概述\t215
9.2 無(wú)源阻抗型傳感器接口電路\t218
9.2.1 伏安法阻抗測(cè)量\t219
9.2.2 半橋測(cè)量電路\t219
9.2.3 橋式測(cè)量電路\t220
9.2.4 四線制阻抗(電阻)型傳感器測(cè)量電路\t221
9.2.5 無(wú)源阻抗型傳感器的集成接口電路\t223
9.3 有源傳感器接口電路\t246
9.3.1 光電二極管接口電路\t246
9.3.2 壓電晶體(傳感器)接口電路\t249
9.3.3 pH電極接口電路\t251
9.3.4 熱電(熱釋電型與熱電堆型)紅外探測(cè)(傳感)器接口電路\t254
9.4 電化學(xué)生物傳感器接口電路\t259
9.4.1 電流法電化學(xué)生物傳感器接口電路\t260
9.4.2 近紅外氣體傳感器接口電路\t262
9.5 特殊傳感器接口電路\t265
9.5.1 體重與體成分測(cè)量模擬前端AFE4300\t265
9.5.2 集成液位傳感器LM1042\t270
9.5.3 基于16位RISC微控制器的超聲波測(cè)距系統(tǒng)MAXQ7667\t273
9.5.4 高性能Σ-?型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7768-1\t275
思考題與習(xí)題\t278
第10章 功率驅(qū)動(dòng)與電源\t279
10.1 引言\t279
10.2 功率驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)處理電路的對(duì)比\t280
10.3 功率驅(qū)動(dòng)電路與電源的兩種電路形式―線性與開(kāi)關(guān)\t282
10.4 開(kāi)關(guān)功率驅(qū)動(dòng)電路與電源的電路形式\t285
10.4.1 開(kāi)關(guān)功率驅(qū)動(dòng)電路\t285
10.4.2 開(kāi)關(guān)電源(直流-直流變換器)\t291
10.5 單電源供電中的信號(hào)地\t305
10.5.1 作為電源的“信號(hào)地”\t305
10.5.2 “信號(hào)地”的產(chǎn)生\t306
10.5.3 “虛地發(fā)生器”集成電路\t307
10.6 能量收獲\t308
思考題與習(xí)題\t320