脉搏计的设计《人体脉搏计》
任务书和指导书
1.设计目的
1.1熟悉脉搏计电路的组成、工作原理和设计方法。
1.2掌握多谐振荡器、倍频器、计数器、译码器等的工作原理、使用方法、特点、用途及主要参数的计算方法。
1.3熟悉集成电路74LS00、74LS161、CC4518、CC4511、晶闸管、有源滤波电路的特点、用途及主要参数的选择方法。
2.设计内容及要求
2.1设计题目:设计一个人体脉搏计。
2.2要求:实现在15s内测量1min的脉搏数,并且显示其数字。正常人的脉搏数为60~80次/min,婴儿为90~100次/min,老人...
《人体脉搏计》
任务书和指导书
1.设计目的
1.1熟悉脉搏计电路的组成、工作原理和设计方法。
1.2掌握多谐振荡器、倍频器、计数器、译码器等的工作原理、使用方法、特点、用途及主要参数的计算方法。
1.3熟悉集成电路74LS00、74LS161、CC4518、CC4511、晶闸管、有源滤波电路的特点、用途及主要参数的选择方法。
2.设计内容及要求
2.1设计
目:设计一个人体脉搏计。
2.2要求:实现在15s内测量1min的脉搏数,并且显示其数字。正常人的脉搏数为60~80次/min,婴儿为90~100次/min,老人为100~150次/min。
2.3放大与整形电路
放大电路:电压放大倍数uA约为11倍,选R4=100 KΩ,C1=100μF。试选择其它元件参数。有源滤波电路:电压放大倍数选用1.6倍左右。运放可均采用LM324,也可选其它型号运放。
整形电路:选用滞回电压比较器,集成运放采用LM339,其电路参数如下:R10=5.1KΩ,R11=100 KΩ,R12=5.1 KΩ。
倍频电路 :异或门选用可采用CC系列、也可采用TTL系列。
基准时间产生电路:试选择电路其它未知参数。
计数、译码、显示电路:选择电路其它未知参数。(计数器采用同步计数器。)
控制电路:试选择电路其它未知参数。
3.脉搏计的基本原理
分析设计题目要求 脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器,也是心电图的主要组成部分。由给出的设计技术指标可知,脉搏计是用来测量频率较低的小信号(传感器输出电压一般为几个毫伏),它的基本功能应该是
① 用传感器将脉搏的跳动转换为电压信号,并加以放大整形和滤波。
② 在短时间内(15s内)测出每分钟的脉搏数。
简单脉搏计的框图如图1所示。
3.1放大与整形电路
如上所述,此部分电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号,一般为几十毫伏,必须加以放大,以达到整形电路所需的电压,一般为几伏。放大后的信号波形是不规则的脉冲信号,因此必须加以滤波整形,整形电路的输出电压应满足计数器的要求。
3.1.1选择电路 所选放大整形
电路框图如图2-所示。
1、传感器 传感器采用了红外光电转换器,作用是通过红外光照射人的手指
的血脉流动情况,把脉搏跳动转换为电信号,其原理电路如图3所示。
图中,红外线发光管VD采用TLN104,接收三极管V采用TLP104。用+5V电源供电,R1采用500Ω,R2采用10KΩ。
2、放大电路 由于传感器输出电阻比较高,故放大电路采用了同相放大器,如图3所示,运放采用了LM324,放大电路的电压放大倍数为10倍左右,电路参数如下:R4=100 KΩ,R3也可采用电位器,C1=100μF。
3、有源滤波电路 采用了二阶压控有源低通滤波电路,如图3所示,作用是把脉搏信号中的高频干扰信号去掉,同时把脉搏信号加以放大。考虑到去掉脉搏信号中的干扰尖脉冲,所以有源滤波电路的截止频率为1kHz左右。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值,通常电压放大倍数选用1.6倍左右。集成运放采用LM324。
4、整形电路 经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号,且有低频干扰,仍不满足计数器的要求,必须采用整形电路,这里选用了滞回电压比较器,
如图3所示,其目的是为了提高抗干扰能力,集成运放采用LM339,其电路参数如下:R10=5.1KΩ,R11=100 KΩ,R12=5.1 KΩ。
5、电平转换电路 由比较器输出的脉冲信号是一个正负脉冲信号,不满足计数器要求的脉冲信号,故采用电平转换电路,见图3。
3.2 倍频电路
2倍频电路 该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频,以便在15s内测出1min内的人体脉搏跳动次数,从而缩短测量时间,以提高诊断效率。
倍频电路的形式很多,如锁相倍频器、异或门倍频器等,由于锁相倍频器电路比较复杂,成本比较高,所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的4倍频电路,如图4所示。
G1和G2构成二倍频电路,利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用,当输入由“0”变成“1”或由“1”变成“0”时,都会产生脉冲输出,输入输出波形如图5所示。
电容器C4、C5的作用是为了增加延迟时间,从而加大输出脉冲宽度。根据实验结果选用C4=C5=0.047μF,R13=R14=16 KΩ。由两个二倍频电路就构成了四倍频电路。其中异或门选用可采用CC系列、也可采用TTL系列。
3.3.基准时间产生电路
基准时间产生电路的功能是产生一个周期为30s(即脉冲宽度为15s)的脉冲信号,以控制在15s内完成一分钟的测量任务。实现这一功能的方案很多,我们采用如图6的方案。
由框图可知,该电路由秒脉冲发生器、十五分频电路和二分频电路组成。
(1)秒脉冲发生器 其电路如图7所示。为了保证基准时间的准确,采用了石英晶体振荡电路,石英晶体的主频为32.768kHz,反相器采用CMOS器件,R15可在5~30MΏ范围内选择,R16可在10~150kΩ范围内选择,振荡频率基本等于石英晶体的谐振频率,改变C7的大小对振荡频率有微调的作用。这里选用R15为5.1MΩ,R16为51kΩ,C6为56pF,C7为3~56pF,反相器利用了CC4060中的反相器,如图7所示。
选用CC4060 14位二进制计数器对32.768kHz进行十四次二分频,产生一个频率为2Hz的脉冲信号,然后用IC2进行二分频得到周期为1s的脉冲信号。
(2) 十五分频和二分频器 其电路如图7所示,由IC3组成十五进制计数器,进行十五分频,然后用IC4组成二分频电路,产生一个周期为30s的方波,即一个脉宽为15s的脉冲信号。
(3) 基准时间产生部分的电路图 如图7所示。
3.4 计数、译码、显示电路
该电路的功能是读出脉搏数,以十进制数形式用数码管显示出来,如图8所示。
该电路为什么采用3位十进制计数器?
因为人的脉搏数最高是150次/min,所以采用3位十进制计数器即可。该电路用双BCD同步十进制计数器构成3位十进制加法计数器,用BCD-七段译码器译码,用七段数码管LTS547R(共阴极)完成七段显示。
3.5 控制电路 控制电路的作用主要是控制脉搏信号经放大、整形、倍频后进行计数器的时间,另外还具有为各部分电路清零等功能,参考电路如图9所示。
4.参考电路
把各单元电路连接起来,便得到脉搏计的总体电路图,如图10所示。仅供参考。
5. 参考文献
《电子技术实验与课程设计》 机械工业出版社 毕满清主编 1995.10
《电子系统设计与实践》 电子工业出版社 杨 刚 周 群主编 2004.1
《数字电子技术基础简明教程》第二版 高等教育出版社 清华大学 余孟尝主编 1998.10。
《电子技术实验与课程设计指导 数字电路分册》 东南大学出版社 郭永贞主编 2004.10。
6.分工:
1. 计数器:同组1人采用十进制计数器,另一人或2人采用由二进制构成的十进制计数器。
2.放大电路:同组1人采用同相电压比例放大电路,另一人或2人采用其它放大电路。
3.整形电路:同组1人采用滞回电压比较器,另一人或2人采用其它电路。
图2 放大与整形电路原理框图
R
U2
C
~220V
两倍频
g
f
IC2
u5
u4
e
c
CP
b
十进制加法计数器
+5V
+5V
IC4
CR
EN
LD
BI
d
a
B
C
计数器
U1
G1
u2
CR
计数器
D
D
A
CR
Q4
+5V
G4
&
≥1
=1
u5
≥1
u4
G3
G1
U0
IC3
RL
G2
Q1
u2
Q3
u3
u1
C5
R14
=1
=1
IC4
秒脉冲发生器
CP
R12
C4
R11
R13
=1
R8
R7
Q4
Q2
CP
十进制加法计数器
+5V
+5V
译码器
CR
EN
LD
BI
d
g
f
e
c
b
+
图8 计数、译码、显示电路
∞
B
C
D
A
_
Q1
Q3
Q
Q
C1
1D
S
R
CR
GND
C
B
A
D
Q1
秒脉冲发生器
Q3
Q4
LD
CP
Q4
&
R16
C6
Q14
Q2
R
图7 基准时间产生电路
Q
CP
CP0
CP1
C1
1D
S
R
二分频器
R9
∞
_
+
Q4
Q3
Q1
LD
R12
R11
四题电路图
图9 控制电路原理图
R8
R7
R9
R
LTS547R╳3
清零信号
脉冲信号
译码器
十进制加法计数器
+5V
+5V
CR
EN
LD
BI
d
g
f
e
c
b
a
B
C
D
A
Q1
Q3
Q4
Q2
CP
译码器
R10
CR
C3
C1
GND
R6
R5
R4
R3
_
+
∞
_
+
手指
R2
+5V
+VCC
R1
清零信号2
+VCC
清零信号1
10kΩ
1
&
&
&
u1
R10
C7
Q
IC3
C3
C1
CC4060
R15
R6
R5
R4
R3
G2
_
+
VDDD
IC1
图5 二倍频电路的输入输出波形
a
Q2
十五分频和二分频器
V
=1
C4
图6 基准时间产生电路的框图
十五分频器
R13
=1
1
u3
整形电平转换
低通有源滤波
∞
_
同相放大
传感器信号调节
+
手指
R2
+VCC
图3 放大与整形部分电路
u2
u1
电平转换
整形电路
有源滤波
传感器
基准时间产生电路
倍频器
放大与整形
图1 脉搏计原理框图
+VCC
计数
译码
显示
控
制
电路
传感器
两倍频
放大电路
R1
图4 四倍频电路原理
Q4
CP
计数器
CR
Q4
CP
四倍频信号计数器
C
B
A
15s
15s
Q2
Q
Q
C1
1D
S
R
R16
C6
Q14
R
Q
LTS547R╳3
Q
C1
1D
S
R
CP1
CP0
CC4060
R15
C7
清零信号
脉冲信号
译码器
十进制加法计数器
+5V
+5V
CR
EN
LD
BI
d
g
f
e
c
b
a
B
C
D
A
Q1
Q3
Q4
Q2
CP
译码器
十进制加法计数器
+5V
+5V
CR
EN
LD
BI
d
g
f
e
c
b
a
B
C
D
A
Q1
Q3
Q4
Q2
CP
译码器
十进制加法计数器
+5V
+5V
CR
EN
LD
BI
d
g
f
e
c
b
a
B
C
D
A
Q1
Q3
Q4
Q2
CP
图10 脉搏计的总体电路图
R13
10kΩ
1
&
&
1
15s
C5
=1
2、倍频电路
电路
1、放大与整形电路
4、控制电路
3、基准时间产生电路
IC2
G3
G4
u3
IC2
=1
启动
启动
+5V
+5V
&
≥1
≥1
5、计数、译码、显示电路
PAGE
1
本文档为【脉搏计的设计】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑,
图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。
本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。
网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。