李昌鋒

（福建生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350007）

心電圖機(jī)作為醫(yī)用電子儀器的典型代表，在醫(yī)療器械類專業(yè)課程醫(yī)用電子儀器分析與維護(hù)中常作為重要的學(xué)習(xí)載體，對(duì)于心電圖機(jī)典型故障分析、定位與維修是課程重要的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容[1]。本文結(jié)合上海珺淼電子科技有限公司研發(fā)的智能化數(shù)字心電圖機(jī)維修系統(tǒng)（YD-TH001），以導(dǎo)聯(lián)選擇異常為典型故障進(jìn)行模擬，從電路原理、故障定位、故障解決等方面闡述心電圖機(jī)維修的實(shí)踐教學(xué)過程。

1 智能化數(shù)字心電圖機(jī)維修系統(tǒng)介紹

智能化數(shù)字心電圖機(jī)維修系統(tǒng)是一個(gè)可用于醫(yī)用電子儀器課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、維修模擬的平臺(tái)。該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)是一套基于ECG-6951D型完整的數(shù)字化心電圖機(jī)，如圖1所示；PC上位機(jī)軟件是實(shí)驗(yàn)過程控制系統(tǒng)，可進(jìn)行故障設(shè)置、模擬訓(xùn)練、考試出題等，如圖2所示。系統(tǒng)采用軟硬件互聯(lián)的模式，可實(shí)現(xiàn)心電圖機(jī)典型故障的自動(dòng)設(shè)置、智能切換、故障恢復(fù)、故障解決評(píng)分、實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成等功能。

圖1 智能化數(shù)字心電圖機(jī)維修硬件系統(tǒng)

圖2 PC端軟件故障實(shí)驗(yàn)設(shè)置界面

該系統(tǒng)可提供多達(dá)40種的心電圖機(jī)故障維修模擬實(shí)驗(yàn)，包括出廠參數(shù)的設(shè)置與校正、導(dǎo)聯(lián)選擇電路異常、調(diào)制解調(diào)電路異常、后級(jí)放大電路異常、設(shè)備按鍵操作異常、交流供電異常、充電電路指示異常、電池電量指示異常等實(shí)驗(yàn)?zāi)K，每個(gè)模塊故障可包含4種不同的故障實(shí)驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置。該系統(tǒng)提供的實(shí)驗(yàn)豐富靈活、針對(duì)性強(qiáng)、操作便捷，可適用于高職醫(yī)療器械類專業(yè)學(xué)生課堂使用。

2 導(dǎo)聯(lián)選擇異常故障分析與處理

做心電波檢測(cè)時(shí)，電極安放的位置及導(dǎo)線與放大器的連接方式，稱為心電圖的導(dǎo)聯(lián)。從人體表面可以引出無數(shù)個(gè)導(dǎo)聯(lián)，但在臨床中常用的導(dǎo)聯(lián)為十二導(dǎo)聯(lián)：標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）、加壓?jiǎn)螛O肢體導(dǎo)聯(lián)（aVR、aVL、aVF）和胸導(dǎo)聯(lián)（V1、V2、V3、V4、V5、V6）。

導(dǎo)聯(lián)選擇的作用是在不改變?nèi)梭w電極連接線的情況下，將接觸在人體各部位電極的導(dǎo)聯(lián)線和心電放大器之間的連接方式，按需要切換組合成某一種導(dǎo)聯(lián)方式[2]。導(dǎo)聯(lián)切換可以是自動(dòng)模式，每切換一次導(dǎo)聯(lián)都需按順序進(jìn)行，不能跳換；也可以是手動(dòng)模式，根據(jù)需要選擇相應(yīng)導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行心電圖描記。如果導(dǎo)聯(lián)選擇模塊出現(xiàn)故障，那么將無法讓指定導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)進(jìn)入到后續(xù)的電路處理，會(huì)造成所有導(dǎo)聯(lián)都無波形顯示或者只有部分導(dǎo)聯(lián)有波形顯示的故障現(xiàn)象。

2.1 電路原理分析

本導(dǎo)聯(lián)選擇電路包含了按鍵模塊、CPU控制模塊、TLP521-4光電耦合模塊、三極管Q202取反模塊、CD4051單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)模塊，電路原理圖如圖3所示。

圖3 導(dǎo)聯(lián)選擇電路原理圖

其中，TLP521-4是可控制的光電耦合器件。該器件一般由3部分組成：光的發(fā)射、光的接收和信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出，完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入輸出隔離的作用。TLP521-4隔離性能優(yōu)越，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸效率高，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備中的高低壓電隔離、生物電信號(hào)的隔離傳輸、無接觸控制等各個(gè)方面[3]。

三極管Q202進(jìn)行信號(hào)的取反，實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。當(dāng)LD0為低電平時(shí)，Q202的基極和發(fā)射極的電壓差為0 V，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，LD1直接連接到+5 V，所以為高電平；當(dāng)LD0為高電平時(shí)，Q202的基極和發(fā)射極的電壓差超過導(dǎo)通電壓，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，LD1變成接地，所以為低電平。

CD4051是單端8通道多路開關(guān)，它有3個(gè)通道選擇輸入端C、B、A和1個(gè)禁止輸入端INH。該器件相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼C、B、A來決定，當(dāng)INH禁止端等于1時(shí)，各通道均不接通，其真值表見表1[4]。

表1 CD4051的真值表

該導(dǎo)聯(lián)電路的信號(hào)傳遞流程如圖4所示。由按鍵按下發(fā)出導(dǎo)聯(lián)選擇切換控制命令，CPU接收到按鍵輸入信號(hào)后發(fā)出導(dǎo)聯(lián)切換控制信號(hào)LAR、LBR、LCR、LDR，經(jīng)過光電耦合模塊TLP521-4，4個(gè)信號(hào)由實(shí)地端傳送到浮地端，相應(yīng)輸出為L(zhǎng)A0、LB0、LC0、LD0，其中LA0、LB0、LC0這3個(gè)信號(hào)分別加到4片CD4051芯片的A、B、C引腳，而LD0信號(hào)只加到U207和U210這2片芯片的INH引腳，同時(shí)LD0信號(hào)通過三極管Q202取反后成為L(zhǎng)D1信號(hào)，加到另外2片芯片U219、U223的INH引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)包括測(cè)試導(dǎo)聯(lián)在內(nèi)的13個(gè)導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行選擇切換的功能。

圖4 導(dǎo)聯(lián)電路的信號(hào)傳遞流程圖

2.2 故障分析與解決

2.2.1 故障案例1

故障現(xiàn)象：開機(jī)后，按下導(dǎo)聯(lián)切換按鍵，發(fā)現(xiàn)液晶顯示屏上并沒有顯示任何導(dǎo)聯(lián)的心電波形。

故障分析與定位：根據(jù)導(dǎo)聯(lián)切換按鍵不起作用的故障現(xiàn)象，從信號(hào)流程出發(fā)，直接比較快速的故障定位方法是測(cè)試光電耦合兩側(cè)的導(dǎo)聯(lián)切換信號(hào)是否正常。用萬用表電壓檔位測(cè)試光電耦合芯片U224的1、3、5、7四個(gè)腳的電壓，發(fā)現(xiàn)4個(gè)腳的電壓均為低電平，意味著導(dǎo)聯(lián)選擇的信號(hào)是測(cè)試信號(hào)，無法切換為心電導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，所以沒有任何心電波形顯示。故障點(diǎn)非常大的可能在于按鍵老化斷路了，通過萬用表的蜂鳴檔測(cè)試，確認(rèn)導(dǎo)聯(lián)切換的S1和S2按鍵均為斷路，更換按鍵，導(dǎo)聯(lián)切換功能恢復(fù)正常。

2.2.2 故障案例2

故障現(xiàn)象：依然還是開機(jī)后，按下導(dǎo)聯(lián)切換按鍵，液晶顯示屏上并沒有任何的心電波形。

故障分析與定位：同樣的，故障定位點(diǎn)首先還是定位在光耦前后，用萬用表電壓檔位測(cè)試光電耦合芯片U224的1、3、5、7四個(gè)腳的電壓，發(fā)現(xiàn)信號(hào)是正確的，也就是光耦前實(shí)地端的導(dǎo)聯(lián)切換信號(hào)正常，但是測(cè)量U224的9、11、13、15四個(gè)腳的電平，發(fā)現(xiàn)都為低電平，即光耦后浮地端的導(dǎo)聯(lián)切換信號(hào)異常，那么故障點(diǎn)很明顯應(yīng)該是光耦，更換同類型的光耦，導(dǎo)聯(lián)切換功能恢復(fù)正常。

2.2.3 故障案例3

故障現(xiàn)象：開機(jī)后，按下導(dǎo)聯(lián)切換按鍵，發(fā)現(xiàn)部分導(dǎo)聯(lián)（I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1）顯示正常，其他導(dǎo)聯(lián)無法正常顯示。

故障分析與定位：故障定位點(diǎn)首先從光耦后開始，用萬用表電壓檔位測(cè)試光電耦合芯片U224的9、11、13、15四個(gè)腳的電壓，發(fā)現(xiàn)信號(hào)LA0、LB0、LC0、LD0是正確的，導(dǎo)聯(lián)切換信號(hào)已經(jīng)正確地傳送到了光耦后浮地端，根據(jù)信號(hào)流程中可知LA0、LB0、LC0 3個(gè)信號(hào)分別加到4片CD4051芯片的A、B、C引腳，而LD0信號(hào)需要被取反之后變成LD1信號(hào)，可以推出問題的關(guān)鍵很可能在于LD1信號(hào)異常。通過萬用表測(cè)試驗(yàn)證，無論導(dǎo)聯(lián)按鍵如何切換，LD1信號(hào)一直處于高電平，可以推斷三極管Q202并沒有實(shí)現(xiàn)取反的功能，更換三極管Q202，所有導(dǎo)聯(lián)切換功能恢復(fù)正常。

2.2.4 故障案例4

故障現(xiàn)象：開機(jī)后，按下導(dǎo)聯(lián)切換按鍵，發(fā)現(xiàn)部分導(dǎo)聯(lián)（V2-V6）顯示正常，但其他導(dǎo)聯(lián)無法正常顯示。

故障分析與定位：此故障現(xiàn)象和故障案例3恰好是互補(bǔ)型現(xiàn)象，可以初步推斷和三極管Q202是沒有關(guān)系的，通過測(cè)試定位發(fā)現(xiàn)信號(hào)LA0、LB0、LC0、LD0、LD1和真值表完全是匹配的，即導(dǎo)聯(lián)切換信號(hào)正確地傳輸?shù)搅?片CD4051芯片上，而波形顯示異常的導(dǎo)聯(lián)是I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1，正好是芯片U207和U210控制，經(jīng)過上電檢查發(fā)現(xiàn)其中的U207芯片損壞，更換后所有導(dǎo)聯(lián)切換功能恢復(fù)正常。

2.3 故障排除方法小結(jié)

2.3.1 參數(shù)測(cè)量法

這是最基本的故障排除方法[5]。利用萬用表、示波器等檢測(cè)設(shè)備，通過測(cè)試電壓、電流、電阻、電容、波形和頻率來確定故障部位，這個(gè)方法的重點(diǎn)是積累電子元器件的識(shí)別檢測(cè)知識(shí)和掌握相關(guān)的數(shù)據(jù)和方法。例如通過測(cè)量輸入輸出電阻、負(fù)載電阻、絕緣電阻、電容器的漏電電阻、放大器的輸入輸出電壓，各種晶體管的管腳電壓、電阻，各種芯片的電源電壓、工作電位，交流放大電路的波形等。一般情況下，在測(cè)量完有關(guān)的數(shù)據(jù)后，便可大概判斷出故障所在和元件的好壞。

2.3.2 電路分割法

通過把電路按模塊進(jìn)行分開測(cè)試，一般情況選擇從電路中間開始，先測(cè)試信號(hào)是否有正確傳送到位，確定其中的一半電路沒有故障，同時(shí)就得出另一半電路存在故障，然后循環(huán)用此方法進(jìn)行分割，便可以不斷縮小故障范圍，從而確定故障所在。此方法的重點(diǎn)在于對(duì)電路原理框架要十分熟悉、才可以精準(zhǔn)地進(jìn)行分割測(cè)試。該方法是縮小故障范圍的有效途徑。

2.3.3 示波法分析

電壓法主要是指在檢查電路故障過程中，選用電壓表測(cè)試直流電中的非動(dòng)態(tài)電源、集成電路電壓，通過測(cè)試電壓值是否正常來判斷電路是否存在問題。但是在測(cè)試過程中必須要注意電路內(nèi)阻與電容是否受到影響。示波法則是在檢查電路信號(hào)時(shí)通過動(dòng)態(tài)驗(yàn)證形式，檢測(cè)電路各個(gè)分點(diǎn)信號(hào)、各部分運(yùn)轉(zhuǎn)及傳輸狀況是否正常，從而準(zhǔn)確判斷電路故障位置，但是必須在電路靜態(tài)電位條件下進(jìn)行該故障檢測(cè)方法。

2.3.4 元器件替代法

此方法是將懷疑有故障的元器件替代為完好的元器件，如果調(diào)換以后電路系統(tǒng)正常運(yùn)作，那么表明元器件有故障，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)定。對(duì)于集成電路，對(duì)于電路被懷疑有故障的部分，可在同一芯片上使用相同的電路來代替。對(duì)于多個(gè)輸入端的集成器件，在具體運(yùn)作中有剩余輸入端時(shí)，可通過換用剩余輸入端進(jìn)行故障檢測(cè)，判斷原輸入端的故障問題。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)智能化數(shù)字心電圖機(jī)維修系統(tǒng)中導(dǎo)聯(lián)選擇電路原理進(jìn)行詳細(xì)分析，著重闡述了該模塊常見的4種故障類型以及故障排除的方法。通過導(dǎo)聯(lián)故障排除過程總結(jié)得出：故障排除需要一定的經(jīng)驗(yàn)做基礎(chǔ)，更需要理論聯(lián)系實(shí)踐。在故障解決過程中需要加強(qiáng)電路原理的學(xué)習(xí)，通過查閱電路原理圖資料對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)全面了解，抓住信號(hào)流程走向，了解各個(gè)信號(hào)模塊之間的互聯(lián)關(guān)系，這樣才能更好地通過故障現(xiàn)象進(jìn)行分析推導(dǎo)，定位出故障發(fā)生點(diǎn)。只有在了解系統(tǒng)整體的基礎(chǔ)上才能深入地掌握每個(gè)模塊部分，系統(tǒng)框架掌握得越深對(duì)于故障排除工作越有利。故障排除不能靠蠻干，不能靠碰運(yùn)氣，要靠嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)推理分析，這樣故障排除工作才能得心應(yīng)手。