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脉搏计的设计

2013-10-11 6页 doc 341KB 34阅读

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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...
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
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