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数字电子技术课程设计

课题名称：

数字脉搏测量仪

学院：

电气工程及其自动化

专业：

电子信息工程

姓名：

高天阳

指导老师：

刘海波

学号：

310908030107

摘要：

随着科学技术的快速发展，电子产品也逐步走入了人们的生活。

人类工作在高科技、高效率的环境中，其身体健康状况也显得日益重要并备受关注，而数显式脉搏测试仪就为社会的医疗保健提供了方便。

采用数显式脉搏计测量心脏跳动频率，不但精确，而且使用很方便，显示结果醒目。

而这里设计的脉搏测量仪又具有轻巧灵便、经济实惠的特点，因而具有良好的应用前景和广阔的市场。

脉搏是指单位时间内动脉搏动的次数。

正常人脉搏数为60~80次/分钟，老年人为100~150次/分钟，婴儿为90~140次/分钟，显然这种信号属于低频范畴。

脉搏即心率作为血液循环机能的重要生理指标而在运动中广泛地应用。

运动中，心率随机体代谢需要而增加，在一定范围内可反映运动强度和机体代谢水平，在有氧运动中常用作为控制运动强度的指标。

运动后，心率的恢复又可作为评定运动负荷适宜与否以及心肌机能状态的指标和依据。

安静状态时基础心率的测定，在医务监督中则可作为判断某一时段机体是否有过度疲劳和评定运动员训练程度的指标。

现代的医学电子仪器已不再是单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而应该是基于电子技术，计算机技术，数字信号处理技术的生理量检测和分析系统，本课题把生理量的测量和生物信号处理技术融为一体。

本课题所设计的脉搏测量仪属于一种集轻化，一体化和可视化等优点的便携式测试仪。

1.设计指标

2.单元设计与计算

3.整体电路分析

4.脉搏测量仪的调试

5.结束语

6.心得体会

7.参考文献

8.附录

1.设计指标：

1.1脉搏信号属于低频范畴，因此，脉搏计是来测量低频信号的装置，其基本功能要求是：

（1）要把人体的脉搏信号（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等处理，以保证其他电路正常工作。

（3）在很短的时间内，测量出经放大后的电信号频率值。

总之，脉搏计的核心是在固定的短时间内对低频电脉冲计数，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。

1.2确定总体设计方案：

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所需时间，然后换算为每分钟的脉搏数。

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；第二种方法的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。

为了使脉搏计轻巧而且便宜，通常采用第一种方案，其方框图如图1。

图1脉搏测试仪组成方框图

2.单元设计与计算：

2.1放大与整形电路

放大与整形电路如图所示，其中非门G1与G2构成两级放大器，G3和G4构成施密特触发器，完成整形功能。

为了使用G1与G2非门处于传输特性的线性区，应适当选取反馈电阻R1的阻值。

一般可选1.5MΩ。

图2放大整形电路

由非门构成的放大电路，其放大倍数约为20倍，一般是不可调的，如放大倍数不够，可采用多级放大器级联来增大放大倍数。

G3和G4门通过正反馈构成施密特触发器，电阻比值R2/R3影响其回差值，一般先确定电阻R3，可根据

R3>>（UOH-UTH）/IOH（MAX）

确定R3的值。

式中，UOH为门电路的输出高电平,UTH为门电路的阈值电压，IOH（MAX）为所选取门电路的高电平输出电流最大允许值。

当R3选定后，即可确定电阻R2的值，由于这里的施密特触发器主要用来对输入电压进行整形并提高抗干扰能力，通常可按R2=（0.01~0.03）R3的关系来选取电阻R2的阻值。

2.2计数器电路

计数器是脉搏测试仪的重要组成部分，电路采用CD4553作为计数器。

它有两个特点：

（1）它有多种功能：

锁存控制，计数允许，计满溢出和清零等。

（2）它是3位十进制计数器，但只有1位输出端（输出BCD码），要完成3位输出，需采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制数的输出，从而实现扫描显示方式。

其工作原理具体如下：

计数脉冲从计数脉冲输入端CL（12脚）输入，但是否计数要看计数允许端INH（11脚）的值。

当INH为“0”时，计数脉冲由CL端进入计数器，而当INH为“1”时，禁止计数脉冲输入计数器，计数器保持禁止前的计数状态。

LE（10脚）为锁存允端许端，当LE为“1”时，锁存器呈锁存状态而保持原有锁存信息。

MR（13脚）为清零端，R=1时，计数器输出Q0~Q3都为0。

当计数器计满1000个脉冲时，溢出端输出一个脉冲，然后重新计数。

具体输出哪一位由选通脉冲DS1~DS3控制。

CD4553的管脚排列和真值表如下边所列图表。

图3CD4553各管脚排列图4CD4511的管脚排列

表1CD4553功能表

输入

输出

INH

上升沿

保持

下降沿

计数

保持

上升沿

计数

下降沿

保持

上升沿

锁存

Q0=Q1=Q2=Q3=0

2.3译码器和显示电路

译码器的功能是把计数器输出的计数结果（BCD码）转换成七段字形码，以驱动数码管，实现数字式符号的显示。

CD4511是常用的BCD码七段显示译码器，它本身由译码器和输出缓冲器组成，具有锁存、译码和驱动等功能，其输出最大电流可达25mA,可直接驱动共阴极LED数码管。

其管脚排列如图4，功能表如表2。

译码显示采用扫描方式，显示3位数字只需一片CD4511译码器，这种显示方式可简化电路，节省元件和降低功耗。

扫描显示方式为3位LED显示，所有位的七段码线都并联在一起，而各位数码管的共阴极分别被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲控制（本设计中DS1~DS3经三极管BG1~BG3控制数码管的共阴极D1~D3），从而实现各位的分时选通显示。

表2CD4511真值表

输入

输出

B\I\

L\E\

显示

消隐

锁存

数码管限流电阻值需根据数码管电流的允许值进行计算。

若把电路中的某位显示电路单画出来，如图5。

限流电阻R1~R7，可用下式进行估算：

R1~R7=（UOH－UD－UCE）／IS

式中，UOH是CD4511输出高电平，UD为LED正向工作电压，IS为数码管的每段电流（约为5~10mA），UCE是三极管VT的管压降，则可求得R1~R7约为0.5KΩ。

2.4时基信号产生电路

时基电路应产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD4553的计数允许INH端，以便使计数器在定时脉冲图5数显电路

宽度固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数，固定时间为1分钟。

为了得到精确的定时信号（计数器的门控信号），采用振荡、分频的方法，本电路选取用的是CD4060组件来完成这种功能。

CD4060是一个14位二进制串行计数器，但是它内部除了有14个T型触发器（组成14位计数器）外，还包含一个振荡器，只要在CP1,

和CP0端外接电阻和电容，就可以构成RC振荡器。

为了得到60s脉宽的定时信号，RC振荡器的输出脉冲需经214次分频得到，该单元电路如

6所示，则RC振荡器的脉冲的频率FO应为：

fO=214/（60×2）=136Hz

当CD4060接成RC振荡器时，其振荡频率f0与RC之间有以下近似关系:

fo≈1/（2.2RTCT）图660s定时电路

电阻RT的值应大于1K，电容CT应略大于100pF。

一般可先选定电容CT的容量，再根据上式估算出电阻RT的值。

电阻RS是为了改善振荡器的稳定性，减少由于器件参数差异而引起振荡周期的变化而接入的，RS的阻值应尽量大于RT，一般可取RS=10RT，此时振荡周期的变化可大为减小。

为了得到准确的振荡频率值，RT和RS可采用电位器，以便调整。

2.5心律监测电路

对脉搏测试仪来讲，要求其不仅能测出人心脏每分钟的跳动次数，还应能够指示出心律是否正常。

心律不正常（心律不齐）是指脉搏中间出现停跳的状态，即在连续的脉搏电信号中出现脉冲失落的现象。

通常可采用漏失脉冲检出电路来进行监测，具体电路如图7。

图7心律监测电路

漏失脉冲检出电路的核心部分是由555定时器组成的单稳态触发器。

此外，在外接电路C的两端并入了一个三极管VT。

在没有加入触发脉冲前，电路处于稳态，输出端为低电平，UO=0。

当输入端的触发脉冲下降沿到达后，电路进入暂稳态，输出端为高电平，UO=1。

而后电源电压VCC通过电阻R开始向电容C充电。

当充电至UO=2/3VCC时，电路又返回到稳态，输出端重新回到低电平，UO=0，这个稳态一直维持到下一个触发脉冲下降沿到达时为止。

暂稳态持续时间（输出脉宽tw）只取决于外接电阻R和电容C的大小，tw=1.1RC。

单稳态电路的工作波形如图8。

图8单稳态电路的工作波形图9漏失脉冲检出电路波形

下面结合图9进行漏失脉冲检出电路的工作过程。

假设单稳电路开始时UO=1，本来电容C应通过电阻R被电源电压VCC充电，但此时UI为低电平，晶体管VT饱和导通，则C两端电压UC将近似为0，只有在T1时刻，电容C充电电压尚未达到2/3VCC，而触发脉冲UI的下降沿就出现了，在此后的T2~T3期间，电容C很快放电（因晶体管VT导通），这样输出电压UO仍保持原来的高电平。

在T3时刻C又充电，未充到2/3VCC时，UI又产生下降沿（T4时刻），C很快放电。

T5时刻C又充电，但由于在T5~T7期间有触发脉冲漏失，这样C充电时间加长，在T6时刻可使电容C充电至2/3VCC，使输出端UO变为低电平，C则通过555内部的开关管迅速放电。

T7时刻有触发脉冲下降沿出现，从而使UO回跳至高电平。

可见有漏失脉冲时，输出端UO就会出现一个负脉冲，它就是检出漏失脉冲的标志信号。

图7中的两个与非门组成RS触发器，用来记忆漏失脉冲的状态。

这样，当有漏失脉冲（脉搏停跳一次）时，UO出现负脉冲，通过RS触发器使发光二极管LED阴极为低电平，于是LED被点亮，以告知测试者。

为了能检出漏失脉冲，应适当调节单稳态触发器输出脉冲宽度Tw（Tw=1.1RC），使其稍大于输入脉冲（脉搏电信号）的周期。

由于正常人的心跳速度为60~120次/分钟，其周期为1~5s，则要求

1.1RC>（0.5~1）s

电容C取值范围为几百皮法到几十微法，而电阻R应该采用电位器，以便于调整。

3.整体电路分析

当9V电源接通之后，心脏跳动频率通过压电传感器转换成电信号，经由G1～G4等元器件所组成的放大整形电路进行放大整形，然后由计数器CD4553测出每分钟心脏跳动的次数，其输出的结果为BCD码，需再经七段显示译码器CD4511转换为七段字形码，送至数码显示器显示出一分钟的心跳次数。

计数器是否计数是由CD4060组件组成的时基信号产生电路所产生的定时脉冲控制的。

心率正常与否是通过由555定时器组件所组成的心律监测电路监控的。

心率如果正常，则555定时器的输出端（3脚）电压Uo为高电平，这样RS触发器的输出端电压也为高电平，发光管LED不亮。

否则，当有漏失脉冲（脉搏停跳一次）时，UO出现负脉冲，通过RS触发器使发光二极管LED阴极为低电平，于是LED被点亮，以告知测试者。

4.脉搏测量仪的调试

以低频可调脉冲发生器的输出作为脉搏传感器的输出信号,接通电源开关S2,如显示器显示无规则数字,表明电路基本工作正常,而后按下清零按钮S1,对计数器和定时器清零,则显示的计数值应不断增加,进一步说明电路工作正常,否则需进行逐级检查。

5.结束语

用本电路制作的脉搏测试仪测量心脏跳动频率，不但精确，而且使用方便，显示结果醒目。

但是测量心率时，每次需要一分多钟，这可以通过设置倍频器的办法来节省时间。

把经过放大整形的后的脉搏信号的频率提高,通常进行四倍频,即将该信号的频率增加为原来的四倍,同时把计数时间由原来的1分钟缩短为15s,这样计数器显示的结果就是1分钟的跳动次数。

这样就大大的缩短了测量的时间。

6.心得体会

通过这段时间的课程设计，我学到了很多东西，我们运用所学的课本知识，以及查阅相关的文献，还要先复习以前学习过的知识，通过温故而知新，使我一开始就有了应该怎样完成“脉搏测量仪”的设计的方案。

在这次课程设计过程中，结合实际的应用来理解以前学了而没有学会的知识，这给我对理论课的学习提供了很大的帮助。

也使我意识到理论和实际相结合的重要性。

在设计过程中、所遇到的问题都一一的攻破，经这次设计证明，将所学的知识和电子设计方法想结合，大大的调动了我们学习的积极性，并有利于我们系统的科学地培养我们的实际动手能力，工程设计能力及创新设计能力，活耀了我们的思维，既符合由简到繁，循序渐进的教学规律，又能激发我们对电子线路设计的兴趣还要先复习以前学习过的知识，通过在这次课程设计实习中，能够设计较为简单的一些电路。

结合实际的应用来理解以前学了而没有学会的知识，这给我对理论课的学习提供了很大的帮助。

也使我意识到理论和实际相结合的重要性。

作为大三的大学生，我认识到不仅要学好课本上的知识，还要学会吧学到的知识应用到现实生活中，要做到理论联系实际，认识其重要性和必要性。

真正体会到设计是一件辛苦与充满乐趣的事情，同时加深了对数电这门课程的理解，学会了基本集成电路的运用。

在设计过程中学到了很多在课本上学不到的东西，也发现了自己的很多不足之处。

深深的体会到只有认真的去做才能知道它真正的意义，不要眼高手低，要一步一步，脚踏实地的去做。

在设计中碰到一个接一个的难题，在经过老师指导和同学们的交流，使难题一一得到化解。

设计过程虽然是很辛苦的，但经过自己的努力换回的劳动成果，对自己来说也是很值得欣慰的。

设计过程中，我问老师，问同学，找资料，查课本，搜集信息，寻找相关知识，虽辛苦却也快乐。

另外，画图时用到了protel，通过这次设计，使我更好的掌握了protel这个画图工具的基本用法。

最后的设想中，我还希望加入脉搏次数超出一定范围警报装置以及低频信号滤波，但是个人能力和时间优先，希望以后有机会，自己可以把这方面内容加进去，使整个装置更加完善。

参考文献

[1]李士雄，丁康源．数字集成电子技术教程．北京：

高等教育出版社,1993

[2]　康华光．电子技术基础（第四版）．北京：

高等教育出版社，1998

[3]王俊峰．电子产品开发设计与制作．北京：

人民邮电出版社，2005

附录:

脉搏测试仪的整体电路图

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