沈曉燕，章國安，張士兵

(南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇南通 226019)

“醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計”是工科生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程［1］，其課程設(shè)計是加強(qiáng)專業(yè)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識解決醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計中的實(shí)際問題，提高設(shè)計技能和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。

NI公司的電子學(xué)教育平臺(以下簡稱 NI平臺)，可應(yīng)用于“醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計”的課程設(shè)計中。該平臺包括Multisim 11.0軟件和ELVIS虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件。ELVIS是NI公司于2004年推出的一套基于LabVIEW設(shè)計和原型創(chuàng)建的實(shí)驗(yàn)裝置。是一個將硬件和軟件組合成一體的完整的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件，主要包括數(shù)據(jù)采集硬件和LabVIEW測量軟件。該裝置集成了多個實(shí)驗(yàn)室通用儀器的功能，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)儀器、數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)設(shè)計一體化，可以進(jìn)行電子線路設(shè)計、信號處理及系統(tǒng)分析與設(shè)計［2］。

1 基于NI平臺的課程設(shè)計流程

基于NI平臺的課程設(shè)計硬件需要一臺可運(yùn)行LabVIEW的計算機(jī)、一根電纜和集成了多功能數(shù)據(jù)采集卡NI ELVIS的教學(xué)實(shí)驗(yàn)操控工作臺;軟件則包括LabVIEW開發(fā)環(huán)境和一個基于LabVIEW設(shè)計虛擬儀器軟件包。基于NI平臺的醫(yī)學(xué)電子儀器課程設(shè)計一般包括以下幾個環(huán)節(jié)。

(1)學(xué)習(xí)和熟悉使用NI平臺;

(2)學(xué)生根據(jù)設(shè)計要求，通過查閱資料確定總體設(shè)計方案，確定電路結(jié)構(gòu)，選擇合適的元器件，估算元器件的相關(guān)參數(shù)，并利用Multisim仿真軟件畫出電路原理圖;

(3)進(jìn)行原理圖仿真，根據(jù)仿真結(jié)果和系統(tǒng)性能指標(biāo)微調(diào)元器件參數(shù);

(4)根據(jù)仿真分析電路圖，領(lǐng)取電路用元器件，在ELVIS提供的面包板上搭建電路，用LabVIEW虛擬儀器對電路進(jìn)行性能測試;

(5)撰寫醫(yī)學(xué)電子儀器課程設(shè)計報告;

(6)參加答辯。

2 帶通濾波器設(shè)計舉例

帶通濾波器是生物醫(yī)學(xué)電子儀器設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到能否有效采集到期望的生物電信號。如生物神經(jīng)峰電位信號的頻率范圍是50Hz-10kHz，所以在神經(jīng)信號采集系統(tǒng)中有必要設(shè)計一個通帶范圍為50Hz-10kHz的帶通濾波器。

我們采用如下的設(shè)計步驟。

(1)確定一個高通濾波器和一個低通濾波器電路結(jié)構(gòu)，并通過理論計算初步確定元器件參數(shù);

(2)利用Multisim創(chuàng)建帶通濾波器電路圖。平臺的顯示屏幕上方是元器件模型庫，右側(cè)是儀器儀表庫，屏幕中央用于創(chuàng)建電路圖。將元器件從元件模型庫中拖至屏幕中央，連接形成電路圖。再加上從儀器表庫選出的輸入信號源、監(jiān)測示波器和觀察帶寬的波特儀。帶通濾波器電路如圖1所示;

圖1 Multisim中帶通濾波器電路圖

(3)設(shè)置信號發(fā)生器中正弦信號的幅值和頻率參數(shù)(如圖2a)，用示波器查看仿真輸出波形(如圖2b)，用波特儀測帶通濾波器的頻率響應(yīng)特性曲線(如圖2c)。驗(yàn)證元器件參數(shù)設(shè)置是否合理，使得帶通頻率范圍為50Hz-10kHz;

圖2 Multisim中帶通濾波器仿真設(shè)置及結(jié)果

(4)列出原器件清單，在ELVIS提供的面包板上搭建硬件電路。對電路進(jìn)行性能測試的結(jié)果如圖3所示。

圖3基于LabVIEW的頻率特性測試結(jié)果

3 結(jié)語

本文介紹NI平臺可幫助學(xué)生高效、快速進(jìn)行電路分析與設(shè)計。該平臺與其他EDA仿真不同的是，既可避免只用硬件不用仿真技術(shù)造成的設(shè)計周期長，也避免了只用仿真技術(shù)不做實(shí)際電路造成的脫離實(shí)際的缺點(diǎn)。

［1］ 余學(xué)飛，醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計［M］.廣州，華南理工大學(xué)出版社，2000:14-68

［2］ 楊智，袁媛，賈延江.虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)簡明教程—基于Lab-VIEW的NI ELVIS［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2008.3