電子脈搏計(jì)電路設(shè)計(jì)

1、一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求為提高運(yùn)用電子技術(shù)基本知識(shí)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)、實(shí)踐創(chuàng)新以及獨(dú)立工作、團(tuán)隊(duì)合作的能力，通過(guò)實(shí)踐制作一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)，學(xué)會(huì)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(jì)與制作。電子脈搏計(jì)是用來(lái)測(cè)量一個(gè)人心臟跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分。它是用來(lái)測(cè)量頻率較低的小信號(hào)。 要求： (1)實(shí)現(xiàn)在1min內(nèi)測(cè)量脈搏數(shù)；(2)用數(shù)碼管將測(cè)得的脈搏數(shù)用數(shù)字的形式顯示； (3)測(cè)量誤差小于±4次/min。二、原理電路設(shè)計(jì)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(hào)屬于低頻范疇.因此,脈搏計(jì)的用來(lái)測(cè)量低頻信號(hào)的裝置

2、,它的基本功能要求應(yīng)該是:（1）.要把人體的脈搏數(shù)(振動(dòng))轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這就需要借助傳感器。 （2）.對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)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(shí)間（若干秒）內(nèi)，測(cè)出經(jīng)放大后的電信號(hào)頻率值?？傊?，脈搏計(jì)的核心是要對(duì)低頻信號(hào)在固定的短時(shí)間計(jì)數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來(lái)?？梢?jiàn)，脈搏計(jì)的主要組成部分是計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器。1 .設(shè)計(jì)方案比較 脈搏計(jì)的上述功能要求，可采用兩個(gè)不同的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)： 1）.把轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的脈搏信號(hào)，在單位時(shí)間內(nèi)（一分鐘或半分鐘）進(jìn)行計(jì)數(shù)，并用數(shù)字顯示其計(jì)數(shù)值，從而直接得到每分鐘的脈搏數(shù)。 2）.測(cè)量脈搏跳動(dòng)固定次數(shù)（比如5次，10次

3、）所需的時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換為沒(méi)分鐘的脈搏數(shù)。 這兩種方案比較起來(lái)，第一種更直觀，所需的電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單些；第二種方案的測(cè)量誤差比較小，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)電路要復(fù)雜些。為了使脈搏計(jì)輕巧而便宜，通常采用第一種方案。本文進(jìn)行的設(shè)計(jì)就基于這一方案。下圖為選用方案的方框圖：信號(hào)發(fā)生與采集信號(hào)放大整形電路 路倍頻電路計(jì)數(shù)譯碼顯 示控制時(shí)間信號(hào)此電路需達(dá)到如下要求：（1）設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字脈搏計(jì)，要求用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)人體脈搏每分鐘跳動(dòng)次數(shù)，測(cè)量范圍30160次/min。（2）短時(shí)間內(nèi)（515s）測(cè)出每分鐘的脈搏跳動(dòng)次數(shù)，誤差為±4次/min。（3）鎖定每分鐘的脈搏數(shù)，可以有兩種方式，一種為顯示計(jì)數(shù)過(guò)程，最后鎖定；

4、還有一種是不顯示計(jì)數(shù)過(guò)程，直接顯示結(jié)果。（4）能夠清零，兩種方法，一種是手動(dòng)清零，還有一種是自動(dòng)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(lái)模擬人的脈搏信號(hào)，實(shí)際接線時(shí)直接用信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的5V的方波脈沖作為測(cè)試信號(hào)，故放大整形濾波電路部分只作仿真即可。（6）對(duì)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(cè)試時(shí)還要測(cè)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(jì)脈搏傳感器的作用是將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的電沖信號(hào)。脈搏傳感器是脈象檢測(cè)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)

5、果的顯示。目前典型的脈搏傳感器有以下三種：光電類(lèi)、壓阻類(lèi)和壓電類(lèi)。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(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為壓電效應(yīng)。而具有這種壓電效應(yīng)的物體稱(chēng)為壓電材料或壓電元件。常見(jiàn)的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。這部分電路主要完成將5mV的正弦波輸入信號(hào)放大1000倍（5V），使其可以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的CMOS數(shù)字電路。采用運(yùn)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

6、 。運(yùn)放的閉環(huán)電壓增益為Avf=R2/R1，輸入電阻為Rif=R1。如果對(duì)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(yùn)算誤差，在同相輸入端應(yīng)接平衡電阻R3，且R3=R1R2。實(shí)際電路中擬采用三級(jí)放大，總電路圖如下圖所示：歐。這種電路接線簡(jiǎn)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(lèi)似，不再敘述。首先先f(wàn)L（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(chēng)之為通頻帶，用BW表示，即：BW=fHfL在本題目要求本電路的通頻帶是0.05Hz200Hz，因此需設(shè)計(jì)一個(gè)濾波電路將頻率高于200Hz的高頻信號(hào)和頻率低于

7、0.05Hz的低頻信號(hào)濾掉，這部分電路即實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能，本部分電路用的是帶通濾波器，是由一個(gè)高通濾波器及一個(gè)低通濾波器串聯(lián)組合而成，其原理圖如下圖所示：對(duì)于濾波電路，一般來(lái)說(shuō)，有源濾波電路比無(wú)源濾波電路的濾波效果要好一些，因此，本設(shè)計(jì)方案中采用了有源濾波。其它有源濾波電路原理大同小異，不再一一列舉。參數(shù)選定如下：C1=160F，C2=200F，R1=R2=5，R3=R4=2k。在放大部分電路中輸入信號(hào)雖然已經(jīng)被放大，電壓也足以滿足后續(xù)電路驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。采用施密特觸發(fā)器整形電路：施密特觸發(fā)器

8、有多種形式，一種是由555定時(shí)器構(gòu)成的，電路如下圖所示：還有一種是用CMOS門(mén)構(gòu)成的，電路圖如圖所示：最后一種是集成施密特觸發(fā)器，國(guó)產(chǎn)TTL集成施密特觸發(fā)器產(chǎn)品有多種，具體型號(hào)不一一列舉，這里只列舉一種：74LS14，與其具有相同功能的國(guó)產(chǎn)CMOS集成施密特觸發(fā)器是CC40106。電路原理也很簡(jiǎn)單，如下圖所示：由于在設(shè)計(jì)中要求在515s內(nèi)完成脈搏每分鐘跳動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)功能，而在整形電路中，整形后的信號(hào)與原信號(hào)的頻率是相同的，如果要測(cè)其每分鐘脈沖數(shù)，則至少應(yīng)測(cè)量一分鐘才可以實(shí)現(xiàn)，為了縮短測(cè)量時(shí)間，必須將整形后的信號(hào)的頻率加倍，這樣就可以滿足在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量任務(wù)的要求。顯然，若將原信號(hào)頻率變?yōu)樵瓉?lái)的

9、N倍，則測(cè)量時(shí)間就可以縮短為原來(lái)的1/N。因此，若要在5s在完成測(cè)量，需將信號(hào)頻率加大12倍，倍頻部分應(yīng)采用12倍頻電路，若要在15s內(nèi)完成測(cè)量，需將信號(hào)頻率加大4倍，倍頻部分應(yīng)采用4倍頻電路。本次方案設(shè)計(jì)將利用CD4046鎖相環(huán)及計(jì)數(shù)器構(gòu)成的倍頻電路。電路原理圖如圖所示：原理說(shuō)明如下：脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波整形之后，從CD4046的14腳輸入，設(shè)原輸入信號(hào)的頻率是f0，從4腳輸入一個(gè)方波信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)分頻器后再?gòu)?腳輸入，CD4046內(nèi)部將完成3腳和14腳輸入信號(hào)的頻率比較，使3腳的輸入信號(hào)與原輸入信號(hào)頻率相同為f0，而4腳的輸出信號(hào)的頻率f1顯然是3腳信號(hào)頻率的N倍（如果右面的分頻器為N進(jìn)制分

10、頻器，在上述電路中N=4），這樣f1=N f0，從而完成將輸入信號(hào)頻率變?yōu)樵瓉?lái)的N倍的目的。在本次實(shí)驗(yàn)中，需要4倍頻及12倍頻電路兩種，4倍頻電路接線圖如上圖所示，對(duì)于12倍頻電路，只需要將右面的74LS161的接線方式改變一下就可以實(shí)現(xiàn)，具體電路如下圖所示：說(shuō)明：圖中1線為輸入信號(hào)，8線為輸出信號(hào)。這部分電路主要要完成對(duì)方波脈沖計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果譯碼顯示出來(lái)的功能。對(duì)于這部分電路，有很多方案都可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，而且電路都很相似，故不一一列舉，對(duì)于計(jì)數(shù)器，選擇曾在這個(gè)學(xué)期做過(guò)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中多次用到的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls160，對(duì)這個(gè)芯片比較熟悉；對(duì)于譯碼器，由于74LS160輸出的是8421B

11、CD碼，故應(yīng)選擇一個(gè)可以將8421BCD碼譯成7段輸出信號(hào)以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的芯片，CD4511可以滿足這一要求。74LS160的引腳圖及功能表與74LS161類(lèi)似，而且比較熟悉，不再列出。CD4511的引腳圖如下：引腳功能說(shuō)明如下：BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0時(shí)，數(shù)碼管不顯示任何東西。LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出，LE=1時(shí)譯碼器處于鎖定保持狀態(tài)。LT：3腳是測(cè)試信號(hào)的輸入端，當(dāng)BI=1時(shí)，LT=0時(shí)，數(shù)碼管將全部顯示，這主要用于測(cè)試7段數(shù)碼管有沒(méi)有物理?yè)p壞。A3,A2,A1,A0為8421BCD碼輸入端，高位到低位依次為A3A0。a，b，c，d，e，f，g為譯碼輸出端，

12、輸出高電平有效。這部分的電路原理圖為：由于在題目中要求在515秒內(nèi)測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因而需要一個(gè)電路來(lái)控制整個(gè)電路的運(yùn)行、復(fù)位、自啟動(dòng)等，這個(gè)任務(wù)由本部分電路實(shí)現(xiàn)。采用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路原理圖如圖所示：說(shuō)明：在開(kāi)關(guān)合上之前，555的3腳輸出端輸出低歐。在電路中需要有一個(gè)555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間，還需要有一555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)控制其自動(dòng)復(fù)位清零（如果是手動(dòng)復(fù)位清零的話，只要將這部分電路用一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)代替就可以了，具體原理在后面有圖說(shuō)明），此外如果需要電路自啟動(dòng)的話，還需要一個(gè)555多諧振蕩器來(lái)控制兩個(gè)555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的啟動(dòng)（同理，如果只需要手動(dòng)啟動(dòng)

13、的話，只需將這部分電路用一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)代替就可以了，原理圖具體見(jiàn)下）?？勺詥?dòng)及自動(dòng)清零電路：在下面的電路中的參數(shù)是在定時(shí)5秒（12倍頻時(shí)的參數(shù)選擇）。當(dāng)倍頻電路選擇4倍頻時(shí)，即定時(shí)15秒時(shí)，參數(shù)改動(dòng)如下：R1=67k，R2=240k，C1=C4=C6=100F，C2=C3=C5=10nF，R10=136.5k，R12=147k。U9（上面的555定時(shí)器）的輸出端接計(jì)數(shù)器74LS160的一個(gè)使能端EP（7腳），同時(shí)如果要不顯示計(jì)數(shù)過(guò)程，則將譯碼器CD4511的鎖存端LE（5腳）與該端也接到一起，其能夠鎖存的原理為，U9輸出高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，但是CD4511卻被鎖存，即顯示前一時(shí)刻的數(shù)字00

14、0，當(dāng)U9輸出有高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，計(jì)數(shù)結(jié)束，74LS160停止計(jì)數(shù)，同時(shí)CD4511鎖存端變?yōu)榈碗娖?，譯碼器開(kāi)始工作，將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼譯出顯示。如果要顯示計(jì)數(shù)過(guò)程，則把CD4511的5腳直接接地即可。U15的輸出端接74LS160的清零端RD（1腳）。手動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)清零電路原理：手動(dòng)啟動(dòng)及手動(dòng)清零同樣，參數(shù)選擇不變，圖中開(kāi)關(guān)J1為啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，J2為復(fù)位清零開(kāi)關(guān)，1線接計(jì)數(shù)器74LS160的清零端RD（1腳）即可。這部分電路接線相對(duì)簡(jiǎn)單，原理清晰明了，缺點(diǎn)是時(shí)間基準(zhǔn)由555外圍的電阻和電容確定，所產(chǎn)生的時(shí)間基準(zhǔn)不夠準(zhǔn)確，可能會(huì)有一定誤差。3.元件選擇元件名稱(chēng)類(lèi)型及參數(shù)說(shuō)明運(yùn)放LM32

15、45集成塊CD40463集成塊LM555CM555定時(shí)器3塊集成塊74LS1613，與非門(mén)一塊數(shù)碼管CD45113電阻10若干電容47uf/104/104/104/203/10uf共八個(gè)施密特觸發(fā)器74LS142開(kāi)關(guān)J11個(gè)電源VCC直流5V4.整體電路：自動(dòng)布線前的PCB電路：自動(dòng)布線后的PCB電路：5.電路工作原理說(shuō)明：工作原理前面已有介紹，這里只作簡(jiǎn)單介紹。如上圖的整體電路，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出正弦波經(jīng)過(guò)放大電路放大，然后濾波整形進(jìn)入計(jì)數(shù)譯碼顯示部分電路，計(jì)數(shù)譯碼顯示部分電路在時(shí)間控制電路的控制下工作。五、總結(jié)和體會(huì)通過(guò)這次對(duì)電子脈搏計(jì)電路的設(shè)計(jì)，我深刻領(lǐng)略到了數(shù)電和模電給我們生活帶來(lái)的便利，在確定各模塊電路的過(guò)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(yàn)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(shí)來(lái)判斷電路正確與否的機(jī)會(huì)。此次課程設(shè)計(jì)，讓我將所學(xué)融會(huì)貫通，付諸于實(shí)際電路中進(jìn)行運(yùn)用及模擬，讓我對(duì)模數(shù)