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1、人体脉搏测量系统的设计【实验目的】（1）掌握应用数字电路系统进行电路设计的方法。【实验原理】图 3.1 是脉搏测试系统组成方框图，借助压电陶瓷将脉搏信号转换为电信号，在单位时间被进行计数，并用数字显示其计数值，从而得到每分钟的脉搏数。1.放大与整形电路通常采用运算放大器对微小电脉冲信号进行放大，但在数字电路系统中可采用非门构成线性放大器。由门电路的转换特性可知，如果使它工作在线性区，它就有电压放大能力。放大与整形电路如图 3.2 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。为使 G1 和 G2 工作非门处于传输特性的线性区，需适当选取反馈电阻
2、 R1 的阻值。注意：R1 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 值比非门的输出电阻 Ro 大两个数量级（非门 Ro=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。因此，R 1 值应比非门的输入电阻 Ri 小 12 个数量级。1G 1R 1Ui1G 2R 1R 21G 3R 31G 4Uo图 3 . 2 放大整形电路G3 和 G4 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 确定 R3 的值。当 R3 选定后，即可确定电阻(max)3(OHTOHIURR2 的值，通常按
3、R2=(0.010.1)R3 的关系来选取电阻 R2 的值。传感器放大与整形计数器译码器显示器时基信号发生器图 3 . 1 脉搏测试系统方框图2.计数器电路计数器是脉搏测试系统的重要组成部分，若选用有选通脉冲输出控制的计数器，可使得电路设计中采取动态扫描显示方式，将大大简化电路，节省器件。此次实验采用CD4553 作为计数器。CD4553 是 3 位十进制计数器，但只有 1 个输出端，要完成 3 位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制 3 位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。3.译码和显示电路译码器的功能使把计数器 CD4553 输出的计数结果(BCD)码转换成七段字形码，
4、以驱动数码管，实现数字或符号的显示。CD4511 是常见的 BCD 码七段显示译码器，译码显示采用扫描方式，输出最大电流可达 25mA，可直接驱动共阴极 LED 数码管。电路显示采用扫描方式，各位数码管的共阴极分别被计数器 CD4553 输出的扫描时序脉冲控制，从而实现各位的分时选通显示。但为了显示稳定，应使扫描时序脉冲的频率合适。扫描频率与显示数码管的位数有关，位数越多扫描频率越高，通常扫描频率取几百赫兹，可通过调整 CD4553 的电容 Cs 值来决定。数码管限流电阻需根据数码管电流的允许值进行计算。若把某位显示电路单独画出来（如图 3.3 所示），限流电阻可按下式进行估算：。式中，U O
5、H 为SCEDOHIUR/)(71CD4511 的输出高电平，U D 为 LED 正向工作电压（约为 1.5V2V）,I S 为数码管的每段电流（约为510mA） ，U CE 是三极管 VT 的管压降（约为 1V） ，则可求得 R1R7 约为 0.5k。4.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固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数，固定时间为 1min或 30s。为得到精确的定时信号，采用振荡、分频的方法，在实验中选用 CD4060 组件来4 5 1 1R1R7agV T图 3 . 3 某位显示电路4 0 6
6、 0C RTRS/ C P0C P0C P1R81 11 09Vs s1 6VD DQ1 43图 3 . 4 6 0 s 定时电路1 分定时信号（ 至 C D 4 5 5 3 的 1 1 脚 ）完成这种功能。为得到 60s 脉宽的定时信号，RC 振荡器的输出脉冲需经 214 次分频得到，电路若如图3.4 所示，则 RC 振荡器的脉冲的频率 。当 CD4060 接成 RC 振Hzf136)0/(2140荡器时，振荡频率 f0与 RC 之间有近似关系： 。电阻 RT 的值应大于).TCrf1k，电容 CT 应大于或等于 100pF。一般可先选定电容 CT 的容量，再根据上式估算出电阻 RT 的值。
7、电阻 RS 是为了改善振荡器的稳定性，减少由于器件参数差异而引起的振荡周期的变化而接入的，R S 的值应尽量大于 RT，一般可取 RS=10RT，此时振荡周期的变化可大大减小。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。【实验设备与器件】 示波器 电源 面包板 万用表 压电陶瓷 HTD、CD4060 串行计数器、CD4553 计数器、CD4511 译码器、电位器、电阻、电容等元器件若干【实验参考电路】由以上各单元电路可组合出脉搏测量系统的总体电路，如图 3.5 所示。1G 11 0 0 0 P2 2 0 k 1 0 0 0 P1G 22 2 0 k 2 2 k
8、1G 32 2 0 k 1G 440605 1 0 P1RW 2 5 1 0 k RW 1P04 7 0 0 p FP0VD DQ1 4S4Q1 3RI N HQ0Q1Q2Q3R L E C P C A C BVD DD S3D S2D S14511/ B IAVD DagL E/ L TBCD4 7 0 71 0 k 1 0 k 9 0 1 2 31 0 k S21 0 k 图 3 . 5 实验参考电路图【实验内容】1.分析实验参考电路，运用 Protel99SE 软件将各个单元电路部分绘制出来，并进行PCB 印制电路板设计；2.根据自己的印制电路板设计安装实验电路。【实验报告】1.分析各个
9、电路单元块的功能及其在设计中需要注意的问题；2.说明在装配过程中出现的问题及解决方法；3.设计一个采用运算放大器放大微弱脉冲信号的放大电路。快速测心率计本电路只要采样两次心跳，就可以“推算”出 1 分钟的心跳次数，迅速直观、观察方便，耗电少，成本低、体积小。基本原理：本电路把心跳脉冲输入给计器之前，作了 100 倍频处理，组成方框图，如图16-1 所示。假设心跳每分钟为 n 次，相当频率 n/60Hz，则 100 倍频后为5/3nHz，这时，只要计数闸门设置为 0.6 秒，则能准确显示出心率来。如n=76，100 倍频后频率为 127Hz，通过脉冲为 1270.6=76，正好与实际心率相符。图
10、 16-1电路工作原理：(1)传感、放大部分：压电陶瓷片与 CMOS 反相器配合完成脉搏采样，如图 16-2所示。图 16-2第二级反相器工作在开关状态，对前一级的心跳脉冲进行整形，当有脉冲输入时，输出高电平“1”，静态时输出低电平“0”。(2)倍频器电路：采用带锁相环的 100 倍频器 CD4046。调整其、脚间的 VCO振荡电容 C 及环路滤波器，可使环路频率工作在 0.1100Hz 上。电阻 R3 决定最低工作频率 fmin；R4 决定 VCO 控制电压，它们的取值为(R3 为 11 脚对地电阻；R4 为 12 脚对地电阻)。若 N=100，VCO：1100Hz，f=100-1=99Hz
11、 取 C=0.047F，R31/f(C3-33pF)=200k。则 R41/fmin(C3+33pF)-21.3M。R1、R2 和 C5 构成的环路滤波网络决定着锁相环的倾响。与锁相环一起构成倍频器的另一个重要部件是 100 分频器，它实际上是一个串接的双十进制计数器电路。(3)译码、驱动及显示电路如图 16-3，电路核心为一片 CD4553 三位 BCD 计数器。图 16-3其内部三个负沿触发的 BCD 计数器以同步工作方式级联在一起，每位 BCD 计数器输出端都有一个四位锁存器，可将任意时刻的计数值加以储存，并与多路转换器配合，完成三组 BCD 计数器值的分时输出。数字选择器输出(DS1DS3)提供输出同步信号，完成动态显示方式，低电平有效。由于循环扫描周期(本电路为 0.83ms)远小于人眼的视觉暂留时间，所以可以得到稳定的数字显示。此电路实现了三位显示而只需用一位译码器的简化。其中 CD4511 为一片 BCD 一锁存/7 段译码/驱动器。元件选择：传感器用压电陶瓷片代替，其型号为 HTD-20。三只数码管选用红色共阴极的。调试：共有三处：一是调整传感器放大级的偏置电阻，以提供合适的线性偏置。二是倍频器锁相环路，调整 R1、R2 和 C4、C5，使倍频器稳定地工作在所需频段上。最后一处是调整闸门形成电路的振荡电阻和电容，使显示器正确显示出测量数值来。
