電子脈搏計電路設(shè)計

1、電子脈搏計電路設(shè)計.電子脈搏計電路設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)與要求為提高運用電子技術(shù)基本知識進(jìn)行理論設(shè)計、實踐創(chuàng)新以及獨立工作、團(tuán)隊合作的能力，通過實踐制作一個數(shù)字頻率計，學(xué)會合理的 利用集成電子器件制作基于數(shù)字電路和模擬電路的課程設(shè)計與制作。 電子脈搏計是用來測量一個人心臟跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分。它是用來測量頻率較低的小信號。要求：(1) 實現(xiàn)在1min內(nèi)測量脈搏數(shù)；(2) 用數(shù)碼管將測得的脈搏數(shù)用數(shù)字的形式顯示；（3） 測量誤差小于 4 次 /min 二、原理電路設(shè)計正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘 6080次（嬰兒為90140次，老年人則 為100150次）,這種頻率信號屬于低頻范疇

2、.因此，脈搏計的用來 測量低頻信號的裝置 , 它的基本功能要求應(yīng)該是 :（1）. 要把人體的脈搏數(shù) （振動） 轉(zhuǎn)換成電信號 , 這就需要借助傳感器。（2）. 對轉(zhuǎn)換后的電信號要進(jìn)行放大和整形處理，以保證其它電 路能正常加工和處理。（3）. 在很短的時間（若干秒）內(nèi)，測出經(jīng)放大后的電信號頻率 值?？傊}搏計的核心是要對低頻信號在固定的短時間計數(shù)， 最后以數(shù) 字形式顯示出來。 可見，脈搏計的主要組成部分是計數(shù)器和數(shù)字顯示器。設(shè)計方案比較 1 . 脈搏計的上述功能要求，可采用兩個不同的方案 來實現(xiàn)：把轉(zhuǎn)換為電信號的脈搏信號， 在單位時間內(nèi)（一分鐘或半分鐘）.1）進(jìn)行計數(shù)，并用數(shù)字顯示其計數(shù)值，從而

3、直接得到每分鐘的脈搏數(shù)。 次）所需的時間，然后次，10）2.測量脈搏跳動固定次數(shù)（比如5轉(zhuǎn)換為沒分鐘的脈搏數(shù)。這兩種方案比較起來，第一種更直觀，所 需的電路結(jié)構(gòu)更簡單些；第二種方案的測量誤差比較小，但實現(xiàn)起來電路要復(fù)雜些。為了使脈 搏 本文進(jìn)行的設(shè)計就基于這一方案。計輕巧而便宜，通常采用第一 種方案。下圖為選用方案的方框圖 頻信電時此電路需達(dá)到如下要求： ）設(shè)計一個數(shù)字脈搏計， 要求用十進(jìn)制數(shù)字 顯示被測人體脈搏每 1（ /min 次。分鐘跳動次數(shù)，測量范圍 30160 次4）短時間內(nèi)（515s）測出每分鐘的脈搏跳動次數(shù)，誤差為士 2（。 /min ）鎖定每分鐘的脈搏數(shù)， 可以有兩種方式， 一

4、種為顯示計數(shù)過程， 3（最后鎖定；還有一種是不顯示計數(shù)過程，直接顯示結(jié)果。（ 4）能夠清零， 兩種方法， 一種是手動清零， 還有一種是自動清零。 （5）所有部分電路均要有仿真結(jié)果， 仿真中用 5p-p 的正弦波來模擬人的脈搏信號，實際接線時直接用信號發(fā)生器發(fā)出的 5V的方波脈沖 作為測試信號，故放大整形濾波電路部分只作仿真即可。(6)對于放大部分電路，要求差模放大倍數(shù)至少 1000倍，輸入電阻 要求大于107歐，通頻帶為0.05Hz200Hz測試時還要測出輸入輸 出電壓的波形(即整形前后的電壓波形)。2.單元電路的設(shè)計a. 信號發(fā)生與采集 脈搏傳感器的作用是將脈搏信號轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的電沖信號。 脈

5、搏傳感器 是脈象檢測系統(tǒng)中重要的組成部分， 其性能的好壞直接影響到后置電 路的處理和結(jié)果的顯示。 目前典型的脈搏傳感器有以下三種： 光電類、 壓阻類和壓電類。在這三種當(dāng)中目前采用最多的是壓電型傳感器。 壓電式傳感器的工作原理是以某種物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。 這些物質(zhì) 在沿一定方向受到壓力的或拉力的作用而發(fā)生變形時， 其表面會產(chǎn)生 電荷；若將外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就 稱為壓電效應(yīng)。而具有這種壓電效應(yīng)的物體稱為壓電材料或壓電元件。 常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。信號放大電路 b.這部分電路主要完成將5mV勺正弦波輸入信號放大1000倍（5V）,使 其可以驅(qū)動后續(xù)

6、的CMO數(shù)字電路。采用運算放大器LM324構(gòu)成的反相放大電路：電路圖如圖3-2-1所示，在理想條件下有 Vo R2/R1*Vi。運放的 閉環(huán)電壓增益為Avf= R2/R1,輸入電阻為Rif=R1。如果對輸入電阻 有要求可以先確定R1,再根據(jù)放大倍數(shù)確定 R2。為了減小輸入偏置 電流引起的運算誤差，在同相輸入端應(yīng)接平衡電阻 R3,且R3二R1/ R2。R1-wv-10MQR2 -VA- 1Q0MDU1A5- LM324NVCCVCC12V實際電路中擬采用三級放大，總電路圖如下圖所示：歐，R仁10M107參數(shù)選定如下：輸入電阻要求不小于歐，因而選定歐，第二級/ R2=9.1M歐，第一級電路放大10

7、倍，因而R2=100MR3=Rt， 歐，R7=R9=100kR5=R8=10k1及第三級放大電路放大倍數(shù)仍為倍，R4=R6=9.1k歐。這種電路接線簡潔明了，成本較低，可靠性好。此 外，還可以采用同相放大電路，原理與反相放大電路類似，不再 敘述。c.濾波電路首先先簡單的介紹一下通頻帶的概念，在模擬電路中，把增益隨頻率升高或降低下降到中頻區(qū)增益的 0.707倍時所對應(yīng)的頻率定義為 下限頻率fL （在低頻區(qū)）和上限頻率fH （在高頻區(qū)），fH與fL之間 的頻率范圍稱之為通頻帶，用 BW表示，即：BW=fH- fL在本題目要求本電路的通頻帶是 0.05Hz200Hz因此需設(shè)計一個濾 波電路將頻率高于

8、200Hz的高頻信號和頻率低于0.05Hz的低頻信號 濾掉，這部分電路即實現(xiàn)了這個功能，本部分電路用的是帶通濾波器,是由一個高通濾波器及一個低通濾波器串聯(lián)組合而成，其原理圖如下對于濾波電路，一般來說，有源濾波電路比無源濾波電路的濾波效果 要好一些，因此，本設(shè)計方案中采用了有源濾波。其它有源濾波電路原理大同小異，不再列舉。R3二R4=2kQ R仁R2=5F C2=20Q F卩C仁160參數(shù)選定如下： d.信號整形電路在放大部分電路中輸入信號雖然已經(jīng)被放大，電壓也足以滿足后續(xù)電路驅(qū)動之用，但是其波形仍為正弦波，為模擬量，必須將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖之后供數(shù)字部分電路使用， 這部分電路即可實現(xiàn)這個 功

9、能。采用施密特觸發(fā)器整形電路：施密特觸發(fā)器有多種形式，一種是由555定時器構(gòu)成的，電路如下圖 所示gg_5VVCG i- LME66CM.rtR2 -VA- 5k0R1IQkQU1A405BCL_5V:門構(gòu)成的，電路圖如圖所示：還有一種是用 CMOS集成施密特觸發(fā)器產(chǎn)品有TTL最后一種是集成施密特觸發(fā)器，國產(chǎn), 與其具有相同74LS14多種，具體型號不一一列舉，這里只列舉一種:功能的國產(chǎn)CMOS!成施密特觸發(fā)器是CC40106電路原理也很簡單,如下圖所示：U2A74LS14D倍頻電路e.內(nèi)完成脈搏每分鐘跳動次數(shù)計數(shù)功能，由于在設(shè)計中要 求在515s而在整形電路中，整形后的信號與原信號的頻率是相

10、同的， 如果要測其每分鐘脈沖數(shù)，則至少應(yīng)測量一分鐘才可以實現(xiàn)，為了縮 短測量時間，必須將整形后的信號的頻率加倍，這樣就可以滿足在短時間內(nèi)完成測量倍，則測量時間就可任務(wù)的要求。顯然，若將原信號頻率變?yōu)樵瓉淼腘在完成測量，需將信號頻率加大 5s以縮短為原來 的1/N。因此，若要在內(nèi)完成測量，需將信倍頻電路，若要在15S1212 倍，倍頻部分應(yīng)采用 倍頻電路。4倍，倍頻部分應(yīng)采用4號頻率加 大電路鎖相環(huán)及計數(shù)器構(gòu)成的倍頻電路。本次方案設(shè)計將利用CD4046 原理圖如圖所示：14CD4046的原理說明如下：脈搏信號經(jīng)過放大濾波整形之后，從腳輸入一個方波信號經(jīng)過一個，從 4腳輸入，設(shè)原輸入信號的頻率是

11、f0腳輸入信號的頻14內(nèi)部將完成CD40463腳和分頻器后再從3腳輸 入，腳的輸出4腳的輸入信號與原輸入信號頻率相同為 fO ,而率比 較，使3進(jìn)制（如果右面的分頻器為 N腳信號頻率的顯然是3N倍信號的頻率fl，從而完成將輸入信號頻率f仁N f0 ）分頻器，在上述電 路中N=4,這樣 倍的目的。變?yōu)樵瓉淼腘倍頻電路接線圖4倍頻電 路兩種，在本次實驗中，需要 4倍頻及12的接線方式改74LS161倍 頻電路，對于如上圖所示，12只需要將右面的 變一下就可以實現(xiàn)， 具體電路如下圖所示：U3A 74LSOODVCC5V:_U231:74LMD -LH 74LS161D線為輸出信號。線為輸入信號，8說

12、明：圖中1f.計數(shù)譯碼顯示電路這部分電路主要要完成對方波脈沖計數(shù)，將計 數(shù)結(jié)果譯碼顯示出來的功能。對于這部分電路，有很多方案都可以實 現(xiàn)這個功能，而且電路都很相似，故不一一列舉，對于計數(shù)器，選擇 曾在這個學(xué)期做過的電子，對這個芯片比較熟悉；74IS160技術(shù)實驗中多次用到的十進(jìn)制計數(shù)器碼，故應(yīng)選擇一個可以將8421BCD74LS160 輸出的是對于譯碼器，由于可以滿足這CD4511段輸出信號以驅(qū)動數(shù)碼管的芯片，8421BCE碼譯成7類似，而且比較熟悉，的引腳圖及功 能表與74LS16174LS16C一要求。的引腳圖如下：CD4511不再列出。.A /1313B112C 110 10LLE1 J

13、4S11ULT-f15IT -314 jfS弓1腳功能說明如下：時，數(shù)碼管不顯示任何東西。4:腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=OBI時譯碼器處于LE=1:鎖定控制端，當(dāng)LE=O時， 允許譯碼輸出，LE鎖定保持狀態(tài)。時，數(shù)碼管將全部時，LT=0腳是 測試信號的輸入端，當(dāng)LT: 3BI=1 7段數(shù)碼管有沒有物理損壞。顯示， 這主要用于測試。8421BCE碼輸入端，高位到低位依次為A3A0A3,A2,A1,A0為gfedcba ,為譯碼輸出端，輸出高電平有效。這部分的電路原理圖為：g.控制信號電路因而需要一個電路來秒內(nèi)測得實驗結(jié)果，515由于在題目中要求在 控制整個電路的運行、復(fù)位、自啟動等，這個任務(wù)

14、由本部分電路實現(xiàn)。定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：采用555AV 3低宅檔左VJ Simg直電KT叫獲勺Q9*K J r十11)、1機(jī)107 J1Mt單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路原理圖如圖所示：555.腳輸入高23腳輸出端輸出低電平，的說明：在開關(guān)合上之前， 555 腳輸出變?yōu)楦唠娖剑?2腳電平變成低電平，同時電平，合上開關(guān)后， 腳的輸出變?yōu)榈碗娖健Ｑ訒r的時間為3然后再打開開關(guān)，一段時間后， 歐；，R2=45.5k, C2=100 F秒，T=In3RC,所以為了實現(xiàn)定時5取C1=10nF 歐。F, R2=136.5k, 15s,取 C仁10nF 8=10nFC2=10Q 若要定時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來控制計數(shù)器的計數(shù)時

15、間，555在電路中需要有一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來控制其自動復(fù)位清零 （如果是手動復(fù)位555還需 要有一清零的話，只要將這部分電路用一個開關(guān)來代替就可以了，具體原理在多諧振還需要一個555,后面有圖說明）此外如果需要電路 自啟動的話，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的啟動（同理，如果只需要手動啟動蕩器 來控制兩個555。的話，只需將這部分電路用一個開關(guān)來代替就可 以了，原理圖具體見下）可自啟動及自動清零電路：。當(dāng)12倍頻時的參數(shù)選擇）5在下面的電路中的參數(shù)是在定時秒（，R2=240KR仁67k 參數(shù)改動如下：秒時，15即定時倍頻時，4倍頻電路選擇.6= C4二C6=10QF, C2二C3二C5=10nFR10=136.5

16、k, R12=147k5V1r44 U =L-dDCOCv-in- nciIQCdFC31QjF的一個使能端定時器）的輸出端接計數(shù)器 74LS160U9（上面的555的 鎖存端CD45117（腳）,同時如果要不顯示計數(shù)過程，則將譯碼器 EP 輸出高電平時，腳）與該端也接到一起，其能夠鎖存的原理為，5U9LE（，000CD4511計數(shù)器開始計數(shù)，但是卻被鎖存，即顯示前一時刻的數(shù)字停止計數(shù)，同時74LS160輸出有高電平變?yōu)榈碗娖綍r，計數(shù)結(jié)束，當(dāng)U98421BC鎖存端變?yōu)榈碗娖?，譯碼器開始工作，將計數(shù)器輸出的CD4511碼譯出顯示。U15的輸如果要顯示計數(shù)過程，則把 CD4511的5腳直接接地即可

17、出端接74LS160的清零端RD（ 1腳）。手動啟動自動清零電路原理:手動啟動及手動清零6同樣，參數(shù)選擇不變，圖中開關(guān)J1為啟動開關(guān)，J2為復(fù)位清零開關(guān),1線接計數(shù)器74LS160的清零端RD（ 1腳）即可。這部分電路接線相對簡單，原理清晰明了，缺點是時間基準(zhǔn)由555外 圍的電阻和電容確定，所產(chǎn)生的時間基準(zhǔn)不夠準(zhǔn)確，可能會有一定誤 差。3. 元件選擇元件名稱類型及參數(shù)說明運放LM3245集成塊CD40463集成塊LM555CM塊555定時器3集成塊74LS1613，與非門一塊數(shù)碼管CD45113電阻100M/ 10K/10M/100K/9.1K/9.1M若干電容47uf/104/104/104

18、/203/10uf共八個施密特74LS142觸發(fā)器.開關(guān)J11個電源VCC直流5V4. 整體電路:自動布線前的PCB電路:AU.i 恥.廠計卜自動布線后的PCB電路:5. 電路工作原理說明：工作原理前面已有介紹，這里只作簡單介紹。 如上圖的整體電路，信號發(fā)生器發(fā)出正弦波經(jīng)過放大電路放大， 然后 濾波整形進(jìn)入計數(shù)譯碼顯示部分電路，計數(shù)譯碼顯示部分電路在時間控制電路的控制下工作。 五、總結(jié)和體會通過這次對電子脈搏計 電路的設(shè)計，我深刻領(lǐng)略到了數(shù)電和模電給我們生活帶來的便利，在確定各模塊電路的過程中，不但訓(xùn)練了我們查找資料的能力，更是一次很好考驗我們用所學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子 技術(shù)基礎(chǔ)等相關(guān)知識來判斷電路正確與否的機(jī)會。 此次課程設(shè)計，