电子脉搏计设计Word格式文档下载.docx
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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。
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
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。
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- 电子 脉搏计 设计