脉搏计设计课程设计报告讲义.doc

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课程设计报告 课题名称: 数字脉搏计 学 院: 电气与自动化工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 07级电气1班 作者姓名: 学 号: 完成时间: 2010年1月5日 一、设计任务及要求 (1)设计一个数字脉搏计,要求用十进制数字显示被测人体脉搏每分钟跳动次数,测量范围30~160次/min。 (2)短时间内(5~15s)测出每分钟的脉搏跳动次数,误差为±4次/min。 (3)锁定每分钟的脉搏数,可以有两种方式,一种为显示计数过程,最后锁定;还有一种是不显示计数过程,直接显示结果。 (4)能够清零,两种方法,一种是手动清零,还有一种是自动清零。 (5)所有部分电路均要有仿真结果,仿真中用5p-p的正弦波来模拟人的脉搏信号,实际接线时直接用信号发生器发出的5V的方波脉冲作为测试信号,故放大整形滤波电路部分只作仿真即可。 (6)对于放大部分电路,要求差模放大倍数至少1000倍,输入电阻要求大于107欧,通频带为0.05Hz~200Hz,测试时还要测出输入输出电压的波形(即整形前后的电压波形)。 二、各单元电路设计方案比较及参数确定 (1)总方案原理框图 (2)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。 方案一:采用运算放大器lm324构成的反相放大电路 电路图如图2-2-1所示,在理想条件下有Vo=-R2/R1*Vi 。运放的闭环电压增益为Avf=-R2/R1,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。 电路如图2-1所示,输入信号由反相端输入, 实际电路中拟采用三级放大,总电路图如下图所示: 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。 方案二:可以先用一级共射级单管放大器将输入信号先放大100倍,之后再用lm324做第二级放大电路,放大10倍左右,电路原理如下图所示: 这个方案接线简单,成本低,但是对于共射级单管放大器,其输入电阻为Ri=(Rb+Rp)∥rbe,其中输出端交流短路的输入电阻rbe=200+(1+β)VT/IE,其中β为三极管的放大倍数,一般为几十到几百,这里取β=100,常温T=300K时,VT=26mV,且上式的适用范围为0.1mA IE 5mA,从这些数据不难算出rbe的数量级不会超过104,故输入电阻Ri也不会大于10k,这显然不能满足输入电阻不小于107欧姆的要求,故这个方案不可采用,最终确定使用第一种方案。 (3)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BW表示,即: BW=fH-fL 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,其原理图如下图所示: 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=5欧,R3=R4=2k欧。 (4)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。 方案一: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,电路如下图所示: 还有一种是用CMOS门构成的,电路图如图所示: 最后一种是集成施密特触发器,国产TTL集成施密特触

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