数字脉搏电路的设计

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1、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40～200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60～80次（婴儿为90～140次,老年人则为100～150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

2、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

3、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

4、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R

5、0大两个数量级（非门R0=8～15KΩ),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1～2个数量级(非门Ri=1010Ω),所以R1=1～10МΩ,可选为5.0МΩ、2.2МΩ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R3>>UOH-UTH/IOH(max)选R3，式中UOH为门电路的输出高电平（≈VDD），UTH

6、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=（0.01～0.1）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3CD4553组成方框图图4CD4533管脚CD4553

7、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Q0～Q3皆为0。（5）输出哪一位的计数值由选脉冲DS1～DS3控制（低电平有效）。（6）溢出OF（引脚