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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40200 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 6080 次（婴儿为 90140 次,老年人则为100150 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
2、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，但实现起来电路要复杂些。为了使脉搏计轻
3、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，应采用压电式传感器。它有两种基本类型：石英晶
4、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，G 3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 R0大两个数量级（非门 R0=815K
5、),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,R 1值应比非门的输出电阻 Ri小 12 个数量级(非门 Ri=1010),所以 R1=110,可选为 5.0、2.2 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R3UOH-UTH/IOH(max)选 R3，式中 UOH为门电路的输出高电平（V DD） ，UTH 为门电路的阈值电压（V DD/2） ，I O
6、H(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=（0.010.1）R 3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 3 CD4553 组成方框图 图 4 CD4533 管脚CD4553 的组成方框图及管脚排列如
7、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 Q0Q 3皆为 0。（5）输出哪一位的计数值由选脉冲 DS1DS 3控制（低电平有效） 。（6）溢出 OF（引脚 14） ，当 CD4553 每计
8、满 1000 个脉冲时，溢出端输出一个脉冲，而后又重新开始计数。输入 输出R CL INH LE0 0 0 不变0 0 0 计数0 1 不变0 1 0 计数0 1 0 不变0 0 不变0 锁存0 1 锁存1 0 Q1=Q2=Q3=Q4=02.4 译码和显示电路译码器的功能是把计数器 CD4553 输出的计数结果(BCD 码)转换成七段字形码，以驱动数码管，实现数字或符号的显示。CD4511 是常用的 BCD 码七段显示译码器，它本身由译码器有输出缓冲器组成，具有锁存、译码、和驱动等功能，其输出最大电流可达 25mA，可直接驱动共阴极 LED 数码管。本文采用 CD4511 作为译码器。CD45
9、11 有四个输入端 A，B，C，D 和七个输出端 ag,它还具有输入 BCD 码锁存、灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端 LE、灯测试端/LT、熄灭控制端/BI 来控制。CD4511 的管脚排列如图？所示，其真值表见表？。由表？可见，当锁存允许端 LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端ag 随输入 AD 端而变化，当 LE=“1”时，锁存器锁定，输出端保持不变。熄灭控制端/BI=“0”时，译码器输出全“0” ，因此，正常工作时应使/BI 为高电平。另外灯测试端/LT=“0”时，译码器输出全“1” ，数码管各段均亮，即显示 8，用来检测数码管是否正常。当输入 BCD 码大于 1001
10、时，七段显示输出全“0”，各段均不亮。LE /BI /LT D C B A a b c d e f g 显示 0 1 1 1 1 1 1 0 8 0 1 0 0 0 0 0 0 0 熄灭0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 00 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 10 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 20 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 30 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 40 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 50 1 11 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 60 1
11、 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 70 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 80 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 90 1 1 10101111 0 0 0 0 0 0 0 熄灭1 1 1 为 LED 上跳前的 BCD 码决定 锁存译码显示采用扫描方式，使三位数字显示只需一片 CD4511 译码器，这种显示方式可简化电路，节省元件和降低功耗。扫描显示方式的原理图如图？所示。该图为三位 LED 显示，所有位的七段码线都并联在一起，而各位数码管的共阴极（对共阴 LED 数码管）D 1，D 2，D 3分别被计数器 CD4553 输出的扫描时序脉冲D
12、S1，DS2，DS3 控制（本设计电路中 DS1DS 3经三极管 BG1BG 3控制 D1D 3） ，从而实现各位的分时选通显示。但要注意为了显示稳定，应使扫描时序脉冲的频率合适，频率过低将会使显示产生闪烁，而频率过高将会使显示产生余辉。扫描频率与显示数码管的位数有关，位数越多扫描频率应越高，通常可取扫描频率为几百赫兹，可由 CD4553 接入的电容 CS值调整来决定。图 5 三位 LED 数码管显示电路数码管限流电阻值根据数码管电流的允许值进行计算。若把电路中的某位显示电路单独画出来，如图？所示。限流电阻 R1R 7可按下式进行估算：R17 =UOH-UD-UCE/IS式中 UOH为 CD4
13、511 输出高电平（V DD） ，U D为 LED 正向工作电压（约为1.52V） ，I S为数码管的笔段电流（约为 510mA),UCE 是三极管 T 的管压降（约为 1V） ，则可求得 R1R7 约为 0.5K。2.5 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所固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数，固定时间为一分钟（或 30 秒） 。为了得到精确的定时信号（计数器的门控信号） ，采用振荡，分频的方法，本文选用了 CD4060 组件来完成这种功能。CD4060 是一个 14 位二进制窜行计数器（分频器） ，但是
14、它内部除了有 14个 T 触发器（组成 14 位计数器）外，还包含一个振荡器，只要在 CP1，CP 0和/CP0端外接电阻和电容，就可以构成 RC 振荡器。为了得到 60 秒脉宽的定时信号，RC 振荡器的输出脉冲需经 214次分频得到,该单元电路如图?所示,则 RC 振荡脉冲的频率 f0应为f0=214/602=136HZ电阻 RT的值应大于 1K,电容 CT应大于或等于 100PF,一般可先选定电容 CT容量,再根据上式可估算出电阻 RT之值。 电阻 RS是为了改善振荡器的稳定性，减少由于器件参数的差异而引起振荡周期的变化而接入的，R S的阻值应尽量大于 RT，一般可取 RS=10RT，此时
15、振荡周期的变化可大为减小。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。2.6 心率监测电路根据本文设计思想，心率监测电路不仅可测出人的心脏每分钟跳动次数，还能够指示出心率是否正常，心率不正常是指脉搏中间出现停跳的状态，即在连续的脉搏电信号中出现脉冲失落的现象。通常可采用漏失脉冲检出电路来进行监测，电路如图？所示。 漏失脉冲检出电路的核心部分是由 555 定时器所组成的单稳态触发器，此外，在外接电容 C 是两端并入一个三极管 T。在没有加入触发脉冲前，电路处于稳态，输出端（555 定时器引脚 3）为低电平，u 0=0。当输入端（555 定时器引脚 7）的触发脉冲下降沿到达后，电路进入暂稳态，输出端为高电平，u 0=1。而后电源电压 VCC 通过电阻 R 开始向电容C 充电，当充电至 uC=2/3VCC时，电路又返回到稳态，输出端重新回到低电平，u0=0,这个稳态一直维持到下一个触发脉冲下降沿到达时为止。暂稳态持续时间（输出脉冲宽度 tW）只取决于外接电阻 R 和电容 C 的大小，t W=1.1RC。单稳态电路的工作波形如图/所示。漏失脉冲检出电路的基本原理是使电路在没有漏失脉冲时，电容 C 充电直始终答不到 uC=2/3VCC，则输出端将一直维持高电平。但是，当没有漏失脉冲时，电容 C 充电时间加
