电子系统设计举例..docx

电子系统设计举例设计题目 设计一个脉搏计，要求实现在15s内测量1min的脉搏数，并且显示其数字。正常人脉搏数为60～80次/min，婴儿为90～100次/min，老人为100～150次/min。一 总体方案1．题目分析电子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。 2．选择总体方案（1）提出方案满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面两种方案。方案Ⅰ如图7-1所示，图中各部分的作用如下：图7-1 脉搏计方案Ⅰ 1）传感器将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。 2）放大与整形电路将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。 3）倍频器将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。 4）基准时间产生电路产生短时间的控制信号，以控制测量时间。 5）控制电路用以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。 6）计数、译码、显示电路用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。 7）电源电路按照电路要求提供符合要求的直流电源。上述测量过程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应地缩短了4倍（15s），而数码管显示的数字却是lmin的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为4次／min，测量时间越短，误差也越大。方案Ⅱ如图7-2所示。该方案是首先测出脉搏跳动5次所需的时间，然后再换算为每分钟脉搏跳动的次数，这种测量方法的误差小，可达1次／min，此方案的传感器、放大与整形、计数、译码、显示电路等部分与方案I完全相同，现将其余部分的功能叙述如下： 1）六进制计数器用来检测六个脉搏信号，产生五个脉冲周期的门控信号。 2）基准脉冲（时间）发生器产生周期为0.1s的基准脉冲信号。3）门控电路控制基准脉冲信号进入8位二进制计数器。4）8位二进制计数器对通过门控电路的基准脉冲进行计数，例如5个脉搏周期为5s，即门打开5s的时间，让0.1s周期的基准脉冲信号进入8位二进制计数器，显然计数值为50，反之，由它可相应求出5个脉冲周期的时间。5）定脉冲数产生电路产生定脉冲数信号，如 3000个脉冲送入可预置8位计数器输入端。6）可预置8位计数器以 8位二进制计数器输出值（如 50）作为预置数，对3000个脉冲进行分频，所得的脉冲数（如得到60个脉冲信号）即心率，从而完成计数值换成每分钟的脉搏次数。现在所得的结果即为每分钟60次的脉搏数。图7-2 脉搏计方案Ⅱ（2）方案比较方案Ⅰ结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案Ⅱ电路结构复杂，成本高，测量精度较高。根据设计要求，精度为±4次／min，在满足设计要求的前提下，应尽量简化电路，降低成本，故选择方案Ⅰ。二 单元电路设计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，整形电路经电平转换电路使输出电压满足计数器的要求。⑴选择电路所选放大整形电路框图如图7-3所示。图7-3 放大与整形电路框图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7-4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，R取500Ω，R取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7-5所示，运放采用了LM324，电源电压5V，放大电路的电压放大倍数为 10倍左右，电路参数如下：R＝100kΩ，R＝910kΩ，R为 10kΩ电位器，C＝100μF。图7-4 传感器信号调节原理电路图7-5 同相放大器电路3）有源滤波电路采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图7-6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7-7所示，其目的是为了提高抗干扰能力。集成运放采用了LM339，其电路参数如下：R=5