電子脈搏計(jì)電路設(shè)計(jì)

1、電子脈搏計(jì)電路設(shè)計(jì).電子脈搏計(jì)電路設(shè)計(jì)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

2、.因此，脈搏計(jì)的用來(lái) 測(cè)量低頻信號(hào)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(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}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)。 可見(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。設(shè)計(jì)方案比較 1 . 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)：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）.1）進(jìn)行計(jì)數(shù)，并用數(shù)字顯示其計(jì)數(shù)值，從而

3、直接得到每分鐘的脈搏數(shù)。 次）所需的時(shí)間，然后次，10）2.測(cè)量脈搏跳動(dòng)固定次數(shù)（比如5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 本文進(jìn)行的設(shè)計(jì)就基于這一方案。計(jì)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(shí)此電路需達(dá)到如下要求： ）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 1（ /min 次。分鐘跳動(dòng)次數(shù)，測(cè)量范圍 30160 次4）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(jì)數(shù)過(guò)程， 3（最后鎖定；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)a. 信號(hào)發(fā)生與采集 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

5、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)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(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(jiàn)的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。信號(hào)放大電路 b.這部分電路主要完成將5mV勺正弦波輸入信號(hào)放大1000倍（5V）,使 其可以驅(qū)動(dòng)后續(xù)

6、的CMO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。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R3二R1/ R2。R1-wv-10MQR2 -VA- 1Q0MDU1A5- LM324NVCCVCC12V實(shí)際電路中擬采用三級(jí)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(jí)/ R2=9.1M歐，第一級(jí)電路放大10

7、倍，因而R2=100MR3=Rt， 歐，R7=R9=100kR5=R8=10k1及第三級(jí)放大電路放大倍數(shù)仍為倍，R4=R6=9.1k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似，不再 敘述。c.濾波電路首先先簡(jiǎn)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(shí)所對(duì)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(jì)一個(gè)濾 波電路將頻率高于

8、200Hz的高頻信號(hào)和頻率低于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(hào)整形電路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

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(shí)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(guó)產(chǎn), 與其具有相同74LS14多種，具體型號(hào)不一一列舉，這里只列舉一種:功能的國(guó)產(chǎn)CMOS!成施密特觸發(fā)器是CC40106電路原理也很簡(jiǎn)單,如下圖所示：U2A74LS14D倍頻電路e.內(nèi)完成脈搏每分鐘跳動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)功能，由于在設(shè)計(jì)中要 求在515s而在整形電路中，整形后的信號(hào)與原信號(hào)的頻率是相

10、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)量倍，則測(cè)量時(shí)間就可任務(wù)的要求。顯然，若將原信號(hào)頻率變?yōu)樵瓉?lái)的N在完成測(cè)量，需將信號(hào)頻率加大 5s以縮短為原來(lái) 的1/N。因此，若要在內(nèi)完成測(cè)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(hào)頻率加 大電路鎖相環(huán)及計(jì)數(shù)器構(gòu)成的倍頻電路。本次方案設(shè)計(jì)將利用CD4046 原理圖如圖所示：14CD4046的原理說(shuō)明如下：脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波整形之后，從腳輸入一個(gè)方波信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)，從 4腳輸入，設(shè)原輸入信號(hào)的頻率是

11、f0腳輸入信號(hào)的頻14內(nèi)部將完成CD40463腳和分頻器后再?gòu)?腳輸 入，腳的輸出4腳的輸入信號(hào)與原輸入信號(hào)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(hào)頻率的顯然是3N倍信號(hào)的頻率fl，從而完成將輸入信號(hào)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?lái)的N倍頻電路接線圖4倍頻電 路兩種，在本次實(shí)驗(yàn)中，需要 4倍頻及12的接線方式改74LS161倍 頻電路，對(duì)于如上圖所示，12只需要將右面的 變一下就可以實(shí)現(xiàn)， 具體電路如下圖所示：U3A 74LSOODVCC5V:_U231:74LMD -LH 74LS161D線為輸出信號(hào)。線為輸入信號(hào)，8說(shuō)

12、明：圖中1f.計(jì)數(shù)譯碼顯示電路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，對(duì)這個(gè)芯片比較熟悉；74IS160技術(shù)實(shí)驗(yàn)中多次用到的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器碼，故應(yīng)選擇一個(gè)可以將8421BCD74LS160 輸出的是對(duì)于譯碼器，由于可以滿足這CD4511段輸出信號(hào)以驅(qū)動(dòng)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(shuō)明如下：時(shí)，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(shí)譯碼器處于LE=1:鎖定控制端，當(dāng)LE=O時(shí)， 允許譯碼輸出，LE鎖定保持狀態(tài)。時(shí)，數(shù)碼管將全部時(shí)，LT=0腳是 測(cè)試信號(hào)的輸入端，當(dāng)LT: 3BI=1 7段數(shù)碼管有沒(méi)有物理?yè)p壞。顯示， 這主要用于測(cè)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(hào)電路因而需要一個(gè)電路來(lái)秒內(nèi)測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，515由于在題目中要求在 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)

14、由本部分電路實(shí)現(xiàn)。定時(shí)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(shuō)明：在開(kāi)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(shí)電平，合上開(kāi)關(guān)后， 腳的輸出變?yōu)榈碗娖健Ｑ訒r(shí)的時(shí)間為3然后再打開(kāi)開(kāi)關(guān)，一段時(shí)間后， 歐；，R2=45.5k, C2=100 F秒，T=In3RC,所以為了實(shí)現(xiàn)定時(shí)5取C1=10nF 歐。F, R2=136.5k, 15s,取 C仁10nF 8=10nFC2=10Q 若要定時(shí)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)

15、間，555在電路中需要有一個(gè)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555還需 要有一清零的話，只要將這部分電路用一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)代替就可以了，具體原理在多諧振還需要一個(gè)555,后面有圖說(shuō)明）此外如果需要電路 自啟動(dòng)的話，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)蕩器 來(lái)控制兩個(gè)555。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）可自啟動(dòng)及自動(dòng)清零電路：。當(dāng)12倍頻時(shí)的參數(shù)選擇）5在下面的電路中的參數(shù)是在定時(shí)秒（，R2=240KR仁67k 參數(shù)改動(dòng)如下：秒時(shí)，15即定時(shí)倍頻時(shí)，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(gè)使能端定時(shí)器）的輸出端接計(jì)數(shù)器 74LS160U9（上面的555的 鎖存端CD45117（腳）,同時(shí)如果要不顯示計(jì)數(shù)過(guò)程，則將譯碼器 EP 輸出高電平時(shí)，腳）與該端也接到一起，其能夠鎖存的原理為，5U9LE（，000CD4511計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，但是卻被鎖存，即顯示前一時(shí)刻的數(shù)字停止計(jì)數(shù)，同時(shí)74LS160輸出有高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，計(jì)數(shù)結(jié)束，當(dāng)U98421BC鎖存端變?yōu)榈碗娖剑g碼器開(kāi)始工作，將計(jì)數(shù)器輸出的CD4511碼譯出顯示。U15的輸如果要顯示計(jì)數(shù)過(guò)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(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)清零電路原理:手動(dòng)啟動(dòng)及手動(dòng)清零6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. 元件選擇元件名稱類型及參數(shù)說(shuō)明運(yùn)放LM3245集成塊CD40463集成塊LM555CM塊555定時(shí)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(gè)施密特74LS142觸發(fā)器.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:AU.i 恥.廠計(jì)卜自動(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)，