电子脉搏计设计电子脉搏计设计.doc

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电子脉搏计设计电子脉搏计设计

电子脉搏计设计 1 .设计思路 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。 2 .方案设计 2.1 选用方案原理方框图: 图1:原理框图 3 .单元电路的设计 3.1信号发生与采集 脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为响应的电冲信号。脉搏传感器是脉象检测系统中重要的组成部分,其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示。目前典型的脉搏传感器有以下三种:光电类、压阻类和压电类。在这三种当中目前采用最多的是压电型传感器。 压电式传感器的工作原理是以某种物质的压电效应为基础。这些物质在沿一定方向受到压力的或拉力的作用而发生变形时,其表面会产生电荷;若将外力去掉时,它们又重新回到不带电的状态,这种现象就称为压电效应。而具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。 3.1.1信号放大电路 这部分电路主要完成将5mV的正弦波输入信号放大1000倍(5V),使其可以驱动后续的CMOS数字电路。采用运算放大器LM324构成的反相放大电路: 在理想条件下有运放的闭环电压增益为,输入电阻为Rif=R1。如果对输入电阻有要求可以先确定R1,再根据放大倍数确定R2。为了减小输入偏置电流引起的运算误差,在同相输入端应接平衡电阻R3,且R3=R1∥R2。 图2:放大电路 实际电路中拟采用三级放大,电路图如图2所示: 参数选定如下:输入电阻要求不小于107欧,因而选定R1=10M欧,第一级电路放大10倍,因而R2=100M欧,R3=R1∥R2=9.1M欧,第二级及第三级放大电路放大倍数仍为10倍,R5=R8=10k欧,R7=R9=100k欧,R4=R6=9.1k欧。这种电路接线简洁明了,成本较低,可靠性好。 此外,还可以采用同相放大电路,原理与反相放大电路类似,不再叙述。 3.1.2滤波电路 首先先简单的介绍一下通频带的概念,在模拟电路中,把增益随频率升高或降低下降到中频区增益的0.707倍时所对应的频率定义为下限频率fL(在低频区)和上限频率fH(在高频区),fH与fL之间的频率范围称之为通频带,用表示,即: 在本题目要求本电路的通频带是0.05Hz~200Hz,因此需设计一个滤波电路将频率高于200Hz的高频信号和频率低于0.05Hz的低频信号滤掉,这部分电路即实现了这个功能,本部分电路用的是带通滤波器,是由一个高通滤波器及一个低通滤波器串联组合而成,其原理图如图3所示: 图3:滤波电路 对于滤波电路,一般来说,有源滤波电路比无源滤波电路的滤波效果要好一些,因此,本设计方案中采用了有源滤波。其它有源滤波电路原理大同小异,不再一一列举。 参数选定如下:C1=160μF,C2=200μF,R1=R2=5Ω,R3=R4=2kΩ。 3.1.3信号整形电路 在放大部分电路中输入信号虽然已经被放大,电压也足以满足后续电路驱动之用,但是其波形仍为正弦波,为模拟量,必须将模拟量转换成数字脉冲之后供数字部分电路使用,这部分电路即可实现这个功能。 采用施密特触发器整形电路: 施密特触发器有多种形式,一种是由555定时器构成的,电路如图4所示 图4:整形电路 还有一种是用CMOS门构成的,电路图如图4所示: 图5:CMOS门组成的整形电路 最后一种是集成施密特触发器,国产TTL集成施密特触发器产品有多种,具体型号不一一列举,这里只列举一种:74LS14,与其具有相同功能的国产CMOS集成施密特触发器是CC40106。电路原理也很简单,如图6所示: 图6:国产CMOS集成施密特触发器 3.1.4倍频电路 由于在设计中要求在5~15s内完成脉搏每分钟跳动次数计数功能,而在整形电路中,整形后的信号与原信号的频率是相同的,如果要测其每分钟脉冲数,则至少应测量一分钟才可以实现,为了缩短测量时间,必须将整形后的

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