电子脉搏计电路设计Word.docx

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电子脉搏计电路设计

一、设计任务与要求

为提高运用电子技术基本知识进行理论设计、实践创新以及独立工作、团队合作的能力，通过实践制作一个数字频率计，学会合理的利用集成电子器件制作基于数字电路和模拟电路的课程设计与制作。

电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。

它是用来测量频率较低的小信号。

要求：

（1）实现在1min内测量脉搏数；

（2）用数码管将测得的脉搏数用数字的形式显示；

（3）测量误差小于±4次/min。

二、原理电路设计

正常人的脉搏次数是每分钟60～80次（婴儿为90～140次,老年人则为100～150次）,这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏计的用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求应该是:

（1）.要把人体的脉搏数（振动）转换成电信号,这就需要借助传感器。

（2）.对转换后的电信号要进行放大和整形处理，以保证其它电路能正常加工和处理。

（3）.在很短的时间（若干秒）内，测出经放大后的电信号频率值。

总之，脉搏计的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。

可见，脉搏计的主要组成部分是计数器和数字显示器。

1.设计方案比较

脉搏计的上述功能要求，可采用两个不同的方案来实现：

1）.把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内（一分钟或半分钟）进行计数，并用数字显示其计数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。

2）.测量脉搏跳动固定次数（比如5次，10次）所需的时间，然后转换为没分钟的脉搏数。

这两种方案比较起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；第二种方案的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。

为了使脉搏计轻巧而便宜，通常采用第一种方案。

本文进行的设计就基于这一方案。

下图为选用方案的方框图：

此电路需达到如下要求：

（1）设计一个数字脉搏计，要求用十进制数字显示被测人体脉搏每分钟跳动次数，测量范围30~160次/min。

（2）短时间内（5~15s）测出每分钟的脉搏跳动次数，误差为±4次/min。

（3）锁定每分钟的脉搏数，可以有两种方式，一种为显示计数过程，最后锁定；还有一种是不显示计数过程，直接显示结果。

（4）能够清零，两种方法，一种是手动清零，还有一种是自动清零。

（5）所有部分电路均要有仿真结果，仿真中用5p-p的正弦波来模拟人的脉搏信号，实际接线时直接用信号发生器发出的5V的方波脉冲作为测试信号，故放大整形滤波电路部分只作仿真即可。

（6）对于放大部分电路，要求差模放大倍数至少1000倍，输入电阻要求大于107欧，通频带为0.05Hz~200Hz，测试时还要测出输入输出电压的波形（即整形前后的电压波形）。

2.单元电路的设计

a.信号发生与采集

脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为响应的电冲信号。

脉搏传感器是脉象检测系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示。

目前典型的脉搏传感器有以下三种：

光电类、压阻类和压电类。

在这三种当中目前采用最多的是压电型传感器。

压电式传感器的工作原理是以某种物质的压电效应为基础。

这些物质在沿一定方向受到压力的或拉力的作用而发生变形时，其表面会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。

而具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。

常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。

b.信号放大电路

这部分电路主要完成将5mV的正弦波输入信号放大1000倍（5V），使

其可以驱动后续的CMOS数字电路。

采用运算放大器LM324构成的反相放大电路：

电路图如图3-2-1所示，在理想条件下有Vo=－R2/R1*Vi。

运放的闭环电压增益为Avf=－R2/R1，输入电阻为Rif=R1。

如果对输入电阻有要求可以先确定R1，再根据放大倍数确定R2。

为了减小输入偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接平衡电阻R3，且R3=R1∥R2。

实际电路中拟采用三级放大，总电路图如下图所示：

参数选定如下：

输入电阻要求不小于107欧，因而选定R1=10M欧，第一级电路放大10倍，因而R2=100M欧，R3=R1∥R2=9.1M欧，第二级及第三级放大电路放大倍数仍为10倍，R5=R8=10k欧，R7=R9=100k欧，R4=R6=9.1k欧。

这种电路接线简洁明了，成本较低，可靠性好。

此外，还可以采用同相放大电路，原理与反相放大电路类似，不再叙述。

c.滤波电路

首先先简单的介绍一下通频带的概念，在模拟电路中，把增益随频率升高或降低下降到中频区增益的0.707倍时所对应的频率定义为下限频率fL（在低频区）和上限频率fH（在高频区），fH与fL之间的频率范围称之为通频带，用BW表示，即：

BW=fH－fL

在本题目要求本电路的通频带是0.05Hz~200Hz，因此需设计一个滤波电路将频率高于200Hz的高频信号和频率低于0.05Hz的低频信号滤掉，这部分电路即实现了这个功能，本部分电路用的是带通滤波器，是由一个高通滤波器及一个低通滤波器串联组合而成，其原理图如下图所示：

对于滤波电路，一般来说，有源滤波电路比无源滤波电路的滤波效果要好一些，因此，本设计方案中采用了有源滤波。

其它有源滤波电路原理大同小异，不再一一列举。

参数选定如下：

C1=160μF，C2=200μF，R1=R2=5Ω，R3=R4=2kΩ。

d.信号整形电路

在放大部分电路中输入信号虽然已经被放大，电压也足以满足后续电路驱动之用，但是其波形仍为正弦波，为模拟量，必须将模拟量转换成数字脉冲之后供数字部分电路使用，这部分电路即可实现这个功能。

采用施密特触发器整形电路：

施密特触发器有多种形式，一种是由555定时器构成的，电路如下图所示

：

还有一种是用CMOS门构成的，电路图如图所示：

最后一种是集成施密特触发器，国产TTL集成施密特触发器产品有多种，具体型号不一一列举，这里只列举一种：

74LS14，与其具有相同功能的国产CMOS集成施密特触发器是CC40106。

电路原理也很简单，如下图所示：

e.倍频电路

由于在设计中要求在5~15s内完成脉搏每分钟跳动次数计数功能，而在整形电路中，整形后的信号与原信号的频率是相同的，如果要测其每分钟脉冲数，则至少应测量一分钟才可以实现，为了缩短测量时间，必须将整形后的信号的频率加倍，这样就可以满足在短时间内完成测量任务的要求。

显然，若将原信号频率变为原来的N倍，则测量时间就可以缩短为原来的1/N。

因此，若要在5s在完成测量，需将信号频率加大12倍，倍频部分应采用12倍频电路，若要在15s内完成测量，需将信号频率加大4倍，倍频部分应采用4倍频电路。

本次方案设计将利用CD4046锁相环及计数器构成的倍频电路。

电路原理图如图所示：

原理说明如下：

脉搏信号经过放大滤波整形之后，从CD4046的14脚输入，设原输入信号的频率是f0，从4脚输入一个方波信号经过一个分频器后再从3脚输入，CD4046内部将完成3脚和14脚输入信号的频率比较，使3脚的输入信号与原输入信号频率相同为f0，而4脚的输出信号的频率f1显然是3脚信号频率的N倍（如果右面的分频器为N进制分频器，在上述电路中N=4），这样f1=Nf0，从而完成将输入信号频率变为原来的N倍的目的。

在本次实验中，需要4倍频及12倍频电路两种，4倍频电路接线图如上图所示，对于12倍频电路，只需要将右面的74LS161的接线方式改变一下就可以实现，具体电路如下图所示：

说明：

图中1线为输入信号，8线为输出信号。

f.计数译码显示电路

这部分电路主要要完成对方波脉冲计数，将计数结果译码显示出来的

功能。

对于这部分电路，有很多方案都可以实现这个功能，而且电路都很相似，故不一一列举，对于计数器，选择曾在这个学期做过的电子技术实验中多次用到的十进制计数器74ls160，对这个芯片比较熟悉；对于译码器，由于74LS160输出的是8421BCD码，故应选择一个可以将8421BCD码译成7段输出信号以驱动数码管的芯片，CD4511可以满足这一要求。

74LS160的引脚图及功能表与74LS161类似，而且比较熟悉，不再列出。

CD4511的引脚图如下：

引脚功能说明如下：

BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，数码管不显示任何东西。

LE：

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出，LE=1时译码器处于锁定保持状态。

LT：

3脚是测试信号的输入端，当BI=1时，LT=0时，数码管将全部显示，这主要用于测试7段数码管有没有物理损坏。

A3,A2,A1,A0为8421BCD码输入端，高位到低位依次为A3~A0。

a，b，c，d，e，f，g为译码输出端，输出高电平有效。

这部分的电路原理图为：

g.控制信号电路

由于在题目中要求在5~15秒内测得实验结果，因而需要一个电路来控制整个电路的运行、复位、自启动等，这个任务由本部分电路实现。

采用555定时器构成的单稳态触发器：

555单稳态触发器电路原理图如图所示：

说明：

在开关合上之前，555的3脚输出端输出低电平，2脚输入高电平，合上开关后，2脚电平变成低电平，同时3脚输出变为高电平，然后再打开开关，一段时间后，3脚的输出变为低电平。

延时的时间为T=In3RC,所以为了实现定时5秒，取C1=10nF，C2=100μF，R2=45.5k欧；若要定时15s，取C1=10nF，C1=10nF，C2=100μF，R2=136.5k欧。

在电路中需要有一个555单稳态触发器来控制计数器的计数时间，还需要有一555单稳态触发器来控制其自动复位清零（如果是手动复位清零的话，只要将这部分电路用一个开关来代替就可以了，具体原理在后面有图说明），此外如果需要电路自启动的话，还需要一个555多谐振荡器来控制两个555单稳态触发器的启动（同理，如果只需要手动启动的话，只需将这部分电路用一个开关来代替就可以了，原理图具体见下）。

可自启动及自动清零电路：

在下面的电路中的参数是在定时5秒（12倍频时的参数选择）。

当倍频电路选择4倍频时，即定时15秒时，参数改动如下：

R1=67k，R2=240k，

C1=C4=C6=100μF，C2=C3=C5=10nF，R10=136.5k，R12=147k。

U9（上面的555定时器）的输出端接计数器74LS160的一个使能端EP（7脚），同时如果要不显示计数过程，则将译码器CD4511的锁存端LE（5脚）与该端也接到一起，其能够锁存的原理为，U9输出高电平时，计数器开始计数，但是CD4511却被锁存，即显示前一时刻的数字000，当U9输出有高电平变为低电平时，计数结束，74LS160停止计数，同时CD4511锁存端变为低电平，译码器开始工作，将计数器输出的8421BCD码译出显示

。

如果要显示计数过程，则把CD4511的5脚直接接地即可。

U15的输出端接74LS160的清零端RD（1脚）。

手动启动自动清零电路原理：

手动启动及手动清零

同样，参数选择不变，图中开关J1为启动开关，J2为复位清零开关，1线接计数器74LS160的清零端RD（1脚）即可。

这部分电路接线相对简单，原理清晰明了，缺点是时间基准由555外围的电阻和电容确定，所产生的时间基准不够准确，可能会有一定误差。

3.元件选择

元件名称

类型及参数

说明

运放

LM324

5

集成块

CD4046

3

集成块

LM555CM

555定时器3块

集成块

74LS161

3，与非门一块

数码管

CD4511

3

电阻

10100M/10K/10M/100K/9.1K/9.1M

若干

电容

47uf/104/104/104/203/10uf

共八个

施密特触发器

74LS14

2

开关

J1

1个

电源

VCC

直流5V

4.整体电路：

自动布线前的PCB电路：

自动布线后的PCB电路：

5.电路工作原理说明：

工作原理前面已有介绍，这里只作简单介绍。

如上图的整体电路，信号发生器发出正弦波经过放大电路放大，然后滤波整形进入计数译码显示部分电路，计数译码显示部分电路在时间控制电路的控制下工作。

五、总结和体会

通过这次对电子脉搏计电路的设计，我深刻领略到了数电和模电给我们生活带来的便利，在确定各模块电路的过程中，不但训练了我们查找资料的能力，更是一次很好考验我们用所学的模拟电子技术基础和数字电子技术基础等相关知识来判断电路正确与否的机会。

此次课程设计，让我将所学融会贯通，付诸于实际电路中进行运用及模拟，让我对模数电知识有了更加深刻的学习和掌握。

在设计过程中，我查找翻阅各种文献资料，进行课题理论基础的掌握，对protel软件的学习，让我可以对理论产生的电路图进行模拟运行。

但过程并不容易，经历了很多挫折与难题，有喜有甜的设计经历让我记忆犹新，总的来说，皇天不负有心人，只要自己努力了，再痛苦也是有收获的。

虽然设计出来的电子脉搏计还有很多地方记得改进，但总体完成了设计目标与任务。

只要灵活的掌握书本上老师所讲的知识，然后自己归纳总结，对资料进行对比研究，然后坚持不懈，我想任何难题都能迎刃而解。

（本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

请预览后才下载，期待您的好评与关注！

）