电子脉搏计设计.docx

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电子脉搏计设计

电子脉搏计设计

1.设计思路

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。

2.方案设计

2.1选用方案原理方框图：

图1：

原理框图

3.单元电路的设计

3.1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。

3.1.1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：

在理想条件下有

运放的闭环电压增益为

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。

图2：

放大电路

实际电路中拟采用三级放大，电路图如图2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。

3.1.2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

表示，即：

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，其原理图如图3所示：

图3：

滤波电路

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。

3.1.3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，电路如图4所示

图4：

整形电路

还有一种是用CMOS门构成的，电路图如图4所示：

图5：

CMOS门组成的整形电路

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，如图6所示：

图6：

国产CMOS集成施密特触发器

3.1.4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。

图7:

倍频电路

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，具体电路如图8所示：

图8：

实际应用倍频电路

说明：

图中1线为输入信号，8线为输出信号。

3.1.5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的引脚图如下图9：

图9：

CD4511的引脚图

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图10：

图10：

计数译码电路

3.1.6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11所示：

图11：

555单稳态触发器电路

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12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，原理图具体见图13）。

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。

图12：

控制电路

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图：

图13：

手动启动自动清零电路

手动启动及手动清零原理图：

图14：

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。

3.2整体电路图：

图15：

总电路图

3.3电路工作原理说明：

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。

4.小结

过这经次课程设计再次对之前学的数电和模电加深了理解，通过网上查阅相关资料了解了脉搏计的基本制造流程和方法，对以后的学习有很大的帮助，不仅有利于我们的实践而且有助于我们思维的开拓，加强了我们对专业知识的理解和巩固，使我们对脉搏计的设计有了比较清楚的定位，这次设计的脉搏计具有自动清零和自启动的优点，此外电路中加入了倍频电路能够在3-15秒内测量出一分钟脉搏跳动次数。

这个过程锻炼了我们动手的能力，通过在老师的指导下顺利的完成了此次设计，在此感谢老师指导以及同学的帮助。