1、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6080次（婴儿为90140次,老年人则为100150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
2、：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
3、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=R1R2。 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=R1R2=9.1M欧，第二级及第三级放大电路放大倍数仍为10倍，R5=R8=
4、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0.05Hz200Hz，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
5、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=160F，C2=200F，R1=R2=5，R3=R4=2k。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
6、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515s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
7、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
8、，在上述电路中N=4），这样f1=N f0，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
9、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8421BC
10、D码输入端，高位到低位依次为A3A0。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515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,
11、所以为了实现定时5秒，取C1=10nF，C2=100F，R2=45.5k欧；若要定时15s，取C1=10nF，C1=10nF，C2=100F，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
12、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=100F，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
13、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。
