毕业论文：数字脉搏电路的设计

SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraSelec数字脉搏测试电路的设计 摘 要：设计一个主要由传感器、计数器、译码器和时基信号发生器等部分组成的数字 脉搏测试电路。能测量人在一分钟内的脉搏数，并以数字显示，测量的脉搏数范围40200 次/分钟，适用于各个年龄及性别的人，能判断心率不齐且进行告警显示。 关键词：数字脉搏测试；时基信号发生器；计数器；译码器 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。1 设计思想 脉搏计的上述功能要求，可采用两个不同的方案来实现： 1.把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内（一分钟或半分钟）进行计数，并用数字显示其计数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。 2.测量脉搏跳动固定次数（比如5次，10次）所需的时间，然后转换为没分钟的脉搏数。 这两种方案比较起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；第二种方案的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。为了使脉搏计轻巧而便宜，通常采用第一种方案。本文进行的设计就基于这一方案。 这种设计方案的方框图如下图1： 图1 脉搏计组成方框图 方框图中各部分的作用是： （1）传感器：将脉搏转换成相应的电脉冲信号； （2）放大电路：对微小电脉冲信号进行放大； （3）时基产生电路：产生固定时间（1分钟或半分钟）的控制信号，作为计数器的门控，使计数器只有在此期间才进行计数； （4）计数、译码、显示电路：在门控信号作用期间，对电脉冲信号进行技术，并显示译码器译码，再由数码管显示计数值； （5）心率监测电路：如果出现心率不齐，应有所告警。2 功能模块实现2.1 传感器 为了把脉搏转换成电信号，应采用压电式传感器。它有两种基本类型：石英晶体和压电陶瓷。前者温度稳定性和机械强度都很高，工作温度范围宽，转换精度也高。而压电陶瓷是人工制造的压电材料。优点是压电系数大、灵敏度高、价格便宜，只是温度稳定性和强度不如石英晶体。 目前应用更多的是压电陶瓷。它在性能上能满足脉搏计的要求，而且成本低是一个重要因素。2.2 放大与整形电路 这部分电路如图2所示，其中非门G1和G2构成两级放大器，G3和G4构成施密特触发器，完成整形功能。 为了使G1和G2非门处于传输特性的线性区，应适当选取反馈电阻R1的组值。其阻值不能太小，否则非门的输出与输入之间的信号直接馈通。一般R1值应比非门的输出电阻R0大两个数量级（非门R0=815K),但R1的阻值也不能太大，否则将使工作点稳定性变差，甚至有可能偏离出线性区，为此,R1值应比非门的输出电阻Ri小12个数量级(非门Ri=1010),所以R1=110,可选为5.0、2.2等值。 由非门构成的放大电路，其放大倍数约为20倍。一般是不可调的，如放大倍数不够，可采取多级放大器级联起来增大放大倍数。图2 放大整形电路 G3和G4门通过正反馈构成施密特触发器，电阻比值R2/R3影响其回差值，一般先确定电阻R3，可根据 R3UOH-UTH/IOH(max)选R3，式中UOH为门电路的输出高电平（VDD），UTH为门电路的阈值电压（VDD/2），IOH(max)为所选门电路的高电平输出电流最大允许值。由于这里的施密特触发器主要用来对输入电压进行整形并提高抗干扰能力，通常可按R2=（0.010.1）R3的关系来选取电阻R2的阻值。2.3 计数器电路 本文电路采用CD4553作为计数器。CD4553有两个特点： （1）有多种功能：锁存控制、计数允许、计满溢出和清零等。 （2）是三位10进制计数器，但只有一位输出端（输出BCD码），要完成三位输出，采用扫描方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制三位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。 图3 CD4553组成方框图 图4 CD4533管脚 CD4553的组成方框图及管脚排列如图3、图4所示，功能表见表1。现在简 要说明这写管脚的功能。 （1）CL（引脚12）为计数器的脉冲输入端。 （2）INH（引脚11）为计数允许控制端，当INH为“0”时，计数脉冲由CL端进入计数器，而当INT为“1”时，禁止计数脉冲输入计数器，计数器保持禁止前的最后计数状态。 （3）LE（引脚10）为锁存允许端，当LE为“1”时，锁存器呈锁存状态而保持原有锁存器内信息。 （4）R（引脚13）为复零端，当R=1时，计数器输出Q0Q3皆为0。 （5）输出哪一位的计数值由选脉冲DS1DS3控制（低电平有效）。 （6）溢出OF（引脚14），当CD4553每计满1000个脉冲时，溢出端输出一个脉冲，而后又重新开始计数。输入输出RCLINHLE0 00不变000计数01不变010计数010不变00不变0锁存01锁存10Q1=Q2=Q3=Q4=02.4 译码和显示电路 译码器的功能是把计数器CD4553输出的计数结果(BCD码)转换成七段字形码，以驱动数码管，实现数字或符号的显示。 CD4511是常用的BCD码七段显示译码器，它本身由译码器有输出缓冲器组成，具有锁存、译码、和驱动等功能，其输出最大电流可达25mA，可直接驱动共阴极LED数码管。本文采用CD4511作为译码器。 CD4511有四个输入端A，B，C，D和七个输出端ag,它还具有输入BCD码锁存、灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测试端/LT、熄灭控制端/BI来控制。 CD4511的管脚排列如图？所示，其真值表见表？。 由表？可见，当锁存允许端LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端ag随输入AD端而变化，当LE=“1”时，锁存器锁定，输出端保持不变。熄灭控制端/BI=“0”时，译码器输出全“0”，因此，正常工作时应使/BI为高电平。另外灯测试端/LT=“0”时，译码器输出全“1”，数码管各段均亮，即显示8，用来检测数码管是否正常。当输入BCD码大于1001时，七段显示输出全“0”，各段均不亮。LE/BI/LTDCBAabcdefg显示011111108010000000熄灭01100001111110001100010110001101100101101101201100111111001301101001110011401101011011011501110110101111160110111111000070111000111111180111001111001190 1 1101011110000000熄灭111 为LED上跳前的BCD码决定锁存 译码显示采用扫描方式，使三位数字显示只需一片CD4511译码器，这种显示方式可简化电路，节省元件和降低功耗。扫描显示方式的原理图如图？所示。该图为三位LED显示，所有位的七段码线都并联在一起，而各位数码管的共阴极（对共阴LED数码管）D1，D2，D3分别被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲DS1，DS2，DS3控制（本设计电路中DS1DS3经三极管BG1BG3控制D1D3），从而实现各位的分时选通显示。但要注意为了显示稳定，应使扫描时序脉冲的频率合适，频率过低将会使显示产生闪烁，而频率过高将会使显示产生余辉。扫描频率与显示数码管的位数有关，位数越多扫描频率应越高，通常可取扫描频率为几百赫兹，可由CD4553接入的电容CS值调整来决定。图5 三位LED数码管显示电路 数码管限流电阻值根据数码管电流的允许值进行计算。若把电路中的某位显示电路单独画出来，如图？所示。 限流电阻R1R7可按下式进行估算：R17=UOH-UD-UCE/IS式中UOH为CD4511输出高电平（VDD），UD为LED正向工作电压（约为1.52V），IS为数码管的笔段电流（约为510mA),UCE是三极管T的管压降（约为1V），则可求得R1R7约为0.5K。2.5 时基信号产生电路 时基电路应产生一个方波定时脉冲，用来控制计数器CD4553的计数允许INH端，以便使计数器在定时脉冲宽度所固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数，固定时间为一分钟（或30秒）。 为了得到精确的定时信号（计数器的门控信号），采用振荡，分频的方法，本文选用了CD4060组件来完成这种功能。 CD4060是一个14位二进制窜行计数器（分频器），但是它内部除了有14个T触发器（组成14位计数器）外，还包含一个振荡器，只要在CP1，CP0和/CP0端外接电阻和电容，就可以构成RC振荡器。 为了得到60秒脉宽的定时信号，RC振荡器的输出脉冲需经214次分频得到,该单元电路如图?所示,则RC振荡脉冲的频率f0应为f0=214/602=136HZ电阻RT的值应大于1K,电容CT应大于或等于100PF,一般可先选定电容CT容量,再根据上式可估算出电阻RT之值。 电阻RS是为了改善振荡器的稳定性，减少由于器件参数的差异而引起振荡周期的变化而接入的，RS的阻值应尽量大于RT，一般可取RS=10RT，此时振荡周期的变化可大为减小。 为了得到准确的振荡频率值，实际上RT和RS均应采用电位器，以便调整。2.6心率监测电路 根据本文设计思想，心率监测电路不仅可测出人的心脏每分钟跳动次数，还能够指示出心率是否正常，心率不正常是指脉搏中间出现停跳的状态，即在连续的脉搏电信号中出现脉冲失落的现象。通常可采用漏失脉冲检出电路来进行监测，电路如图？所示。 漏失脉冲检出电路的核心部分是由555定时器所组成的单稳态触发器，此外，在外接电容C是两端并入一个三极管T。 在没有加入触发脉冲前，电路处于稳态，输出端（555定时器引脚3）为低电平，u0=0。当输入端（555定时器引脚7）的触发脉冲下降沿到达后，电路进入暂稳态，输出端为高电平，u0=1。而后电源电压VCC通过电阻R开始向电容C充电，当充电至uC=2/3VCC时，电路又返回到稳态，输出端重新回到低电平，u0=0,这个稳态一直维持到下一个触发脉冲下降沿到达时为止。暂稳态持续时间（输出脉冲宽度tW）只取决于外接电阻R和电容C的大小，tW=1.1RC。单稳态电路的工作波形如图/所示。 漏失脉冲检出电路的基本原理是使电路在没有漏失脉冲时，电容C充电直始终答不到uC=2/3VCC，则输出端将一直维持高电平。但是，当没有漏失脉冲时，电容C充电时间加长，可使电容C充电值达到uC=2/3VCC，于是电路由暂态返回稳态，输出端变为低电平。在下一个触发脉冲下降沿达到时，输出端又变为高电平，结果在漏失脉冲状态下，输出端产生一个负脉冲，它可作为有漏失脉冲的标志信号。现结合图？所示电路和工作波形图（见图？）进行说明。 假设单稳态电路开始时u0=1，本来电容C应通过电阻R被电源电压VCC充电，但此时u1为低电平，晶体管T饱和导通，则C两端电压uC将近似为0，只有在t1时刻后，由于u1为高电平，晶体管截止，电容C才开始充电，uC将近似线性增加。当达到t2时刻。电容C充电电压尚未达到2/3VCC，而触发脉冲u1的下降沿出现了，在此后的t2t3期间，电容C很快放电（因晶体管T导通），这样输出端电压u0仍保持原来的高电平。在t3时刻C又充电，未冲到2/3VCC时，u1又产生下降沿（t4时刻），C很快放电。t5时刻，C被充电，但由于在t5t7期间有触发脉冲漏失，这样C充电时间加长，在t6时刻可使电容C充电至2/3VCC，使输出端u0变为低电平，C则通过555内部的开关管迅速放电。t7时刻有触发脉冲下降沿出现，从而使u0回跳至高电平。可见有漏失脉冲时，输出端u0就会出现一个负脉冲，它就是检出漏失脉冲的标志信号。 图？中的两个与非门组成RS触发器，用来记忆漏失脉冲的状态。这样，当有漏失脉冲（脉搏停跳一次）时，u0出现负脉冲，通过RS触发器使发光二极管LED阴极为低电平，于是LED被点亮，以告知测试整者。 为了能检出漏失脉冲，应适当调节单稳态触发器输出脉冲宽度tW=1.1RC，使其稍大于输入脉冲（脉搏电信号）的周期。 由于正常人的心跳速度为60120次/min，其周期为10.5s，则要求1.1RC（0.51）s 电容C是取值范围为几百皮法到几十微法，而电阻R应该采用电位器，以便于调整。3 完整的电路结构 完整的电路结构如图?所示,它将前面分析的各功能模块电路有机结合在一起,能够实现在一分钟或半分钟内测量脉搏数,并显示其数值。4 结束语SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraSelec