三、信号调节系统

（一）前置放大器 在生理学实验中，无论是直接引导的电信号，还是经过换能器而间接得到的电信号，都是极其微弱的，一般都是 mV 级，有的甚至是μV 级，必须经过放大器的放大，才能在示波器或记录仪上显示或记录变化的波形。前置放大器的作用是将微弱的生物电信号进行初步放大，供主放大器再放大。

放大器的种类繁多，按其用途可分为电压、电流和功率放大器；依其放

大的频率可分为直流（呼吸、脉搏等）、低频（动作电位等）、高频及视频放大器；按其耦合方法可分为直流耦合、阻容耦合和变压器耦合放大器等。这里仅就正确使用放大器的有关性能指标作一简单介绍。

放大器的主要性能指标：

1. 频率响应 放大器对不同频率的信号具有不同的放大倍数，只能对某一范围内的频率有基本相同的放大作用。其上限频率与下限频率之间的频率范围，就是放大器的频率响应范围，称为放大器的通频带。在选择放大器时， 必须适合所要放大的生理信号的频率范围。一般生物放大器要求频率响应范围是：交流放大器 10—15kHz；直流放大器 0—10kHz。

2. 时间常数 时间常数的正确与否对图形的清晰、正确、不失真起着极其重要的作用。在电生理学实验中，为了适合记录各种快变化或慢变化电位， 特在前置放大器的输入端或前极和后极放大器之间加装时间常数选择（即高、低频补偿或衰减）电路。在记录快变化电位时，时间常数可选小些（如0.001s）；而记录慢变化电位时，时间常数则需加大（一般为 2s）。记录中枢神经系统电活动时，时间常数不应小于 0.1s。时间常数的选择可参考表1-2。

3. 放大倍数 表示放大器放大信号的能力，说明放大器灵敏度的高低。前置放大器主要是进行电压放大，可用电压放大倍数 Ku 表示。

Ku（电压增益） = 输出电压

输入电压

可见，电压放大倍数是放大器输出电压与输入电压的比值，一般可用直接测量法测出输出与输入电压的大小来计算。在电生理实验中，放大器放大倍数的选择需根据所研究的生物电信号的大小而定。如在记录神经或心肌纤维的跨膜电位时，灵敏度可调节在 5-10mV/cm；而在记录在体神经的电活动时，则灵敏度应调至 50—100μV/cm。记录各种生物电活动时灵敏度的选择参考表 1-2。

表 1—2 放大器灵敏度与时间常数调整表

1. 信噪比任何一个放大器，除把有用的生物电信号放大外，还同时把一些无规则变化的电压或电流加以放大。这样杂乱无规则的电压或电流叫做放大器的噪声。在电子学上，常用信号噪声比（信噪比）来表示放大器放大微弱信号时的这一性能。

信噪比 = 信号功率

噪声功率

可见，只有信噪比大于 1 或甚大于 1 时，微弱信号才能有效地加以放大。否则，放大器的放大倍数再高也无济于事，因为信号和噪声都以同样的放大倍数放大。例如，人的脑电只有几十μV，如果脑电图机的噪声等效到输入端的噪声电压为 100μV 以上，那么脑电波就被淹没在噪声之中，无法分辨。所以信噪比也是放大器性能的重要指标。一个良好的生物放大器，必须信噪比和放大倍数都大。

放大器的噪声来源有内源性噪声和外源性噪声两种。内源性噪声是放大器本身的器体或附属设施所产生的，如晶体管和电阻等由于电子的热运动而产生的热噪声。外源性噪声来自外周的交变电磁场或电磁波辐射，一般把这种噪声称为干扰。区别放大器噪声和干扰的方法是将输入端接地，示波器上留下的噪声电平是放大器噪声，而接地后所消除的噪声部分为外界干扰信号。

在电子设备中，抑制噪声和排除干扰的有效措施是屏蔽和接地。如对干扰源施加屏蔽，屏蔽实验仪器、特别是实验对象等均可有效地排除干扰。一般电生理实验最好在屏蔽室或屏蔽箱内进行，所用仪器均应为金属机壳，各仪器间的连接线都应用屏蔽线，特别是对放大器的输入线以及前放与主放之间的连接线更应做好屏蔽，尽量缩小接头处的裸露部分。所有屏蔽都应良好接地。接地就是将某个点和一个等电位点或等电位面用低电阻导体连接起来，以构成电路和系统的基准电位。因此该点电位即为大地电位。电生理实验均应采取接地系统，以保证安全并为信号电压提供基准电位。对于接地的方式，一般认为电生理实验以采用并联一点接地的方式为宜。噪声与干扰是电生理实验的大敌，在实际工作中往往需要花费很大的气力和很长的时间去解决。但是，妥善地把屏蔽和接地结合起来，并对接地方式认真地加以考虑， 就可以解决大部分噪声和干扰问题。

1. 输入阻抗与输出阻抗阻抗匹配在放大器放大过程中也占有很重要的地位，也是保证放大器从信号源将信号顺利地检出、放大和显示的一项主要指标。放大器的阻抗匹配关系好象电池的内阻一样，如果内阻很低，接上相应的灯泡就会很亮；内阻增大，灯泡变暗；内阻很高时，灯泡几乎不亮。在放大器中，也存在输入阻抗与输出阻抗之间的搭配关系。

一般说来，对于一个多级放大器，特别是生物放大器，要求较高的输入阻抗（1MΩ以上），这样可以减小信号源的负担，减少生物信号的损失。在微电极的研究工作中，由于微电极尖端极细（一般 0.5—1μm），内阻很高

（一般 10—20MΩ或更高），这就要求微电极放大器具有特别高的输入阻抗

（一般高达 10000MΩ），否则，信号源内阻很高，引起输出的微弱生物信号的电压大都降落在这个电阻上，使放大器真正得到的输入信号极小。所以必须进行阻抗变换，使放大器的输入阻抗提高并远远大于微电极的输入阻抗才行。此外，还要求输出级的输出阻抗比较低，以便能够带动更大的负载。因此，放大器的输入和输出阻抗常常是其性能优劣的标志。

（二）生理学实验中的传动装置在经典的器官生理学实验中，信号调节系统包括各种传动装置及有关杠杆。它们不仅能够传动生物信号（主要是位移和压力信号），而且也具有一定的放大作用。这里主要介绍肌槽杠杆、等长杠杆、万能杠杆、检压计以及马利氏气鼓。

1. 肌槽杠杆肌槽杠杆（图 1—38）是肌肉收缩的传动和描记装置，有槽式和平板式两种。

肌槽或平板由电木制成，用以放置和固定神经肌肉标本，肌槽的一侧附有固定股骨的螺丝。肌槽一端有可以移动的等张杠杆，另一端附有乏极化电极的固定支架，肌槽内附有两对刺激电极。在等张杠杆之两端，一端附有杠杆垂直柱，通过棉线连接肌肉，另一端装有笔尖。肌肉收缩时，杠杆被拉动，可把肌肉的收缩描记于记纹鼓上。调节杠杆的长度，可以调节放大的倍数。

1. 等长杠杆可固定于肌槽上。肌肉收缩时可拉动连有杠杆的弹簧片，以测其张力

变化。

1. 万能杠杆万能杠杆（图 1—39）有一随意调节的关节，杠杆可做各个方向的移动，较为灵活。多用于描记心肌和平滑肌的活动。

2. 检压计属于液体传动装置。可以通过密闭的液导系统，记录血压、胸内压以及胃、肠内压的变化。可分为水银检压计和水检压计两种（图 1—40）， 均为一“U”形玻璃管，内装水银

或水。在检压计的一端，即水银或水面上加一浮标，其上有伸出管外的铅丝， 铅丝上有垂直的杠杆，其上装有笔尖。另一端通过密闭的液导系统与机体连接。当其压力发生变化时，则浮标上、下活动，这样可通过杠杆上的笔尖记录在记纹鼓上。

1. 马利氏气鼓马利氏气鼓（图 1—41）属于气体传动装置。可通过密闭的气导系统，记录呼吸及胃肠运动。马利氏气鼓为一金属的，带有侧管的浅圆皿，其上蒙以薄橡皮膜，侧管通过密闭的气导系统与机体连接。当机体内的某一压

A.水银检压计；B.水检压计

力发生变化时，马利氏气鼓内的压力也随之变动，推动其上的薄橡皮膜发生起落变化，带动膜上的杠杆和笔尖上下移动，便可将压力记录于记纹鼓上。

以上几种传动装置均可通过不同形式的压电换能器，将机械活动或压力变化转变为电信号，输入生理记录仪进行记录，或通过前置放大器输入示波器进行观察与测量。