脉搏显示电路设计毕业设计.doc

西 安 邮 电 大 学 毕 业 设 计（论 文） 题 目： 脉搏显示电路设计 院 （系）： 电子工程学院 专 业： 微电子学 班 级： 微电子0903班 学生姓名： 王秉勋 导师姓名： 黄海生 职称： 教授 起止时间： 2013年3月04日至2013年6月14日毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文 脉搏显示电路设计 是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。论文作者： （签字） 时间：2013年6月 14日指导教师已阅： （签字） 时间：2013年6月 14日 西 安 邮 电 大 学毕业设计(论文)任务书学生姓名王秉勋指导教师黄海生职称教授学 院电子工程学院系 部微电子学专 业微电子题 目脉搏显示电路设计任务与要求1、 查阅相关资料，理解脉搏传感器的工作原理。2、 学习PCB设计；3、 理解I2C总线；4、 理解用Verilog HDL语言实现电路的方法。5、 理解用Verilog HDL语言编写激励信号的方法。6、 设计脉搏传感器电路的PCB并焊接电路。7、 用Verilog HDL语言设计电路，实现实时脉搏值的显示。8、 调试电路。9、 撰写毕业设计报告。开始日期2013年3月4日完成日期2013年6月14日主管院长(签字)2013年3月4日西 安 邮 电 大 学毕 业 设 计 (论文) 工 作 计 划 学生姓名王秉勋指导教师黄海生职称教授学院电子工程学院系部微电子学专业微电子题目脉搏显示电路设计工作进程起 止 时 间工 作 内 容3-43-15：选定题目，查找相关资料，了解课题主要内容。提交开题报告。3-154-1：完成PCB设计，准备加工。4-14-15：加工PCB，完成I2C接口电路设计。4-165-1：完成显示电路设计和PCB焊接、调试。5-15-15：对电路进行联合调试。5-156-1：完成电路的调试。6-16-14：撰写毕业论文、准备答辩。主要参考书目（资料）FPGA开发板的相关数据手册脉搏传感器的数据手册主要仪器设备及材料QuartusII软件Modelsim软件PC机一台FPGA开发板一套论文（设计）过程中教师的指导安排每周学生需以书面形式(email)汇报进展情况，且至少安排一次见面指导。另外在论文过程中遇到问题随时通过email或电话方式联系。对计划的说明 2013年 3 月6 日西安邮电大学毕业设计(论文)开题报告 电子工程 学院 微电子 系 微电子学 专业 09 级 3 班课题名称： 脉搏显示电路设计 学生姓名：王秉勋 学号：04094094指导教师： 黄海生 报告日期： 2013年 3月 1日 1本课题所涉及的问题及应用现状综述： 在传统中医的医治过程中，“望、闻、问、切”是最基本的四个方面。其中的切，也就是脉诊。现在的许多中医也对于切脉有着非常普遍的使用。通过脉诊，医生可以对患者的身体状况有一个大概的了解，进而对症下药。脉搏信号可以直接反应出患者心脏的部分状况，通过脉诊可以了解到患者脏腑气血的盛衰，可以探测到病因，病位，预测疗效等。从医学的角度来看，人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代谢，输送氧气、营养物质，运走代谢废物等重要的工作，还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的动态平衡。从整体的角度对疾病进行综合分析，显然循环系统的信息将占很重要的比重；从整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间，由于心脏的舒缩、内脏血容量的变化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象携带着有关心脏运动、内脏循环、外周循环等丰富的心血管系统及整体的动态信息。因此脉诊的临床意义很大，它的机理是急待于我们进行研究的。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,脉搏显示电路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）在很短的时间内，测出经放大后的电信号频率值。 脉搏显示电路设计的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后显示出来。 脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展： (1) 自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析。目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人力，且由人为引入的误差较大。因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详细，自动分析诊断功能也更强大。(2) 数字化技术等先进技术的应用。随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。（3）多功能化越来越明显目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测量仪已经很少见。随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。2.本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析： 关键问题 ： （1）信号的发生和采集：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。 （2）信号的放大和滤波：由于人体的脉搏信号具有频率低、幅度小、干扰大，不稳定度低，随机性强等特点，所以我们要把传感器的微弱电流放大，微弱电压放大。由于抗干扰十分重要，需要设计低通滤波器进行滤波，把我们不需要的波段过滤。 （3）信号的传输和显示：我们要把最后的信号转化为数字形式通过外接电路来显示出来。解决思路：通过查找和阅读相关资料，我们可以将各个模块分别设计，最后在整体的连接起来。在设计的过程中我们要考虑到脉搏传感器的工作原理，需要学会合理的制定PCB板，理解I2C总线和FPGA的关联（FPGA逻辑有关I2C的要求），硬件（PCB）和FPGA的链接，最后在FPGA的控制下给予显示。 信号发生与采集信号放大整形电路 倍频电路计数显示控制时间信号 可行性分析： 在现代医学中，脉搏仍然是一个很重要的关键因素，人体的许多病变在脉搏的都有一定的显示，所以脉搏测试仪仍然是必须的，基于人口数的原因，脉搏测试仪的需求量也是非常大的。由于市场上现有的脉搏测试仪已经成熟、快捷、而且功能繁多，所以现有的参考物非常现实。 随着电子技术的发展, EDA技术的应用越来越广泛。利用硬件描述语言结合CPLD/FPGA器件可以极大地方便数字集成电路的设计，为电路的设计提供了一定的借鉴。利用VHDL硬件描述语言结合CPLD/FPGA器件,设计一个可数字显示1分钟内脉搏跳动次数的脉搏测试仪。脉搏测试仪通过脉搏传感器, 将其贴在人体测试部位时, 可把人体的脉搏信号转换为电信号。由于该电信号很微弱, 故由与非门组成的放大器进行放大, 放大了的信号再由与非门进行整形。同时, 定时电路定时1分钟, 通过一个与门来控制脉搏脉冲进入计数器的个数, 然后通过计数器进行计数。3完成本课题的工作方案：1、 查阅相关资料，理解脉搏传感器的工作原理。2、 学习PCB设计；3、 理解I2C总线；4、 理解用Verilog HDL语言实现电路的方法。5、 理解用Verilog HDL语言编写激励信号的方法。6、 设计脉搏传感器电路的PCB并焊接电路。7、 用Verilog HDL语言设计电路，实现实时脉搏值的显示。8、 调试电路。9、 撰写毕业设计报告。4指导教师审阅意见指导教师(签字)： 2013 年 3 月 24 日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。西安邮电大学毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名王秉勋性别男学号04094094专 业班 级微电子0903班课题名称 脉搏显示电路设计课题类型实际应用难度一般毕业设计（论文）时间2013.3.42013.6.14指导教师黄海生(职称 教授)课题任务完成情况论文 (千字)； 设计、计算说明书 (千字)； 图纸 (张)；其它(含附件)：指导教师意见分项得分：开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 学习态度 分； 外文翻译 分指导教师审阅成绩：指导教师(签字)： 2013年 月 日评阅教师意见分项得分：选题 分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 外文翻译 分评阅成绩： 评阅教师(签字)： 2013 年 月 日验收小组意见分项得分：准备情况 分； 毕业设计（论文）质量 分； （操作）回答问题 分验收成绩：验收教师(组长)(签字)： 2013 年 月 日答辩小组意见分项得分：准备情况 分； 陈述情况 分； 回答问题 分； 仪表 分答辩成绩： 答辩小组组长(签字)： 2013 年 月 日成绩计算方法(填写本系实用比例)指导教师成绩 20 () 评阅成绩 30 () 验收成绩 30 () 答辩成绩 20 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩 评阅成绩 验收成绩 答辩成绩 总评 答辩委员会意见毕业论文(设计)总评成绩(等级)： 院(系)答辩委员会主任(签字)： 院(系) (签章) 2013 年 月 日备注西安邮电大学毕业论文(设计)成绩评定表(续表)目录摘要IABSTRACTII引言11简介21.1脉搏信号特点简介21.2脉搏传感器简介21.3FPGA简介3设计方案52.1设计要求52.2设计方案53单元电路的设计73.1信号的发生73.2前置放大电路73.3滤波电路93.4 二级放大电路133.5信号整形电路14PCB设计174.1PCB简介174.2Protel电路原理图绘制184.3Protel印制电路板设计18FPGA模块设计215.1FPGA设计目的215.2分频器模块215.3定时模块215.4计数模块225.5显示模块22结论24致谢25参考文献26附录摘要脉搏信号是一种非常微弱的生物信号，由于脉搏的特殊性，将脉搏波转化为电信号进行测量和分析,可以为预防和治疗疾病提供参考。本课题是基于FPGA的脉搏显示电路设计，将由脉搏传感器采集的脉搏信号用FPGA开发板上的LCD液晶显示屏显示出来。由于脉搏信号的微弱性和受外界的干扰性，我们在采集的时候需要进行一些处理，以达到我们需要的脉搏信号。由于脉搏信号的特性，我们需要使用灵敏度高的脉搏传感器来获取信号。脉搏信号是微弱的低频信号，所以经过放大器的放大，来进行进一步的分析处理。放大之后要进行滤波，以便将一些干扰信号过滤，以免影响测试结果。然后在进行计数采集，输送到LCD液晶显示屏显示。关键词：脉搏传感器，FPGA,运算放大器，LCD ABSTRACTThe pulse signal is a very weak biological signals,as the particularity of the pulse,pulse wave can be converted to electrical signal measurement and analysis, can provide reference for prevention and treatment of disease.This topic is based on FPGA the pulse of the display circuit design, will be collected by pulse sensor pulse signal using FPGA development board on the LCD screen display.Due to weak pulse signal and the interference of the outside world, we need some processing at the time of acquisition, in order to achieve the pulse signal we need.Because the pulse characteristics of the signal, we need to use a pulse sensor with high sensitivity to obtain the signal.Low frequency pulse signal is a weak signal, amplified through the amplifier, for further processing.Amplification should be filtered to filter some of the interfering signals, to affect the test results.And then during the counting collection, transported to the LCD display shows.Keywords: Pulse Sensor, FPGA, Operational Amplifiers,LCDI脉搏显示电路设计引言 在我国传统中医学的诊断中，“望、闻、问、切”是最基本的四个方面。而在其中，切，也就是脉诊，占有非常重要的地位。通过脉诊，医生可以对患者的身体状况有一个大概的了解，进而对症下药。脉搏信号可以直接反应出患者心脏的部分状况，我国传统中医学认为，通过脉诊可以了解到患者脏腑气血的盛衰，可以探测到病因，病位，预测疗效等。从近代医学的角度来看，人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代谢，输送氧气、营养物质，运走代谢废物等重要的工作，还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的动态平衡。从整体的角度对疾病进行综合分析，显然循环系统的信息将占很重要的比重；从整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间，由于心脏的舒缩、内脏血容量的变化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象携带着有关心脏运动、内脏循环、外周循环等丰富的心血管系统及整体的动态信息。因此脉诊的临床意义很大，它的机理是急待于我们进行研究的。 鉴于脉诊的重要性，人们对于脉搏测量一直非常关注，早在1860年Vierordt 创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，国内20世纪50年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、广州、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。在现代医学中，脉搏仍然是一个很重要的关键因素，人体的许多病变在脉搏的都有一定的显示，所以脉搏测试仪仍然是必须的，基于人口数的原因，脉搏测试仪的需求量也是非常大的。由于市场上现有的脉搏测试仪已经成熟、快捷、而且功能繁多，所以现有的参考物非常现实。本设计所使用的系统利用压电陶瓷片将脉博转换为电压信号，经过信号调理后，在短时间内，测量出人体一分钟的脉搏数，并进行实时显示，便于携带。达到了方便、快速、准确地测量的目的。为了将脉搏信号转换为我们需要的信号，我们必须确定计划方案，经过放大电路、滤波电路、整形电路来得到需要的信号。通过Protel软件进行PCB设计，得到实物硬件电路，将硬件电路输出的信号输送到FPGA开发板显示出来。待解决的问题有：外围电路的设计，PCB的制作，程序的编写，结果的显示。1简介 1.1脉搏信号特点简介脉搏信号具有以下具体特点： （1）强干扰下的微弱生物信号 由于脉搏信号的信号幅度非常微小，大约是微伏到毫伏的数量级范围。因此，极易容易受到干扰，这些干扰有来自50Hz的工频干扰，也有来自于肌体的抖动或精神紧张引起的假象信号等。 （2）低频但相对集中的信号 人体的脉搏频率非常低，大约只有0.5-4Hz，一般情况下为1Hz到2Hz左右。根据脉搏功率谱能量分析，健康人体脉搏能量绝大多数分布在1-5Hz，而病人脉搏在1Hz以下和较高频段（比如5Hz或10Hz以上）仍有相当一部分的能量分布。 （3）复杂且易变的随机信号 脉搏信号因人体生理、疾病、心理的不同而不同，又容易受到环境、时间、气候的影响。表现出同一个人在不同的时刻、不同的地点都有不同的脉象，有时也会不同的疾病表现出相同的脉象。由于脉搏信号的复杂性和变异性，一方面使得我们较难直接从观测结果中总结信号的特性和规律；另一方面，在有的情况下，有意义的信息恰恰蕴含在变异性之中。我们研究脉搏信息的主要任务就是提取脉搏信号并加以处理，并由此分析、推演出所需要的信息，供医生准确地诊断疾病1。1.2脉搏传感器简介脉搏传感器的选择对于整个采集系统的设计非常重要。脉搏传感器的基本功能就是将切脉压力和桡动脉搏动压力这样一些物理量(非电量)转换成为便于测量的电信号。因此要求传感器具有一定的检测重复性和线性，可以重复使用，而且测得的数据具有一定的精度；其次在较大范围内数据具有一定的精度；同时，还需具有一定的灵敏度和稳定性。目前常见的脉搏采集方法有：心电电位方法、光电方法、压力传感器方法、电容传感器方法和电声传感器方法。由于压电传感器信号容易测量所以选用压电式传感器。 （1）SC0073传感器： 该传感器采用压电复合材料作为换能元件，信号通过特殊的匹配层传递到换能元件上变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压信号输出。该传感器是一种高性能低成本的振动传感器，具有灵敏度高、频率响应范围宽、抗过载及冲击能力强、抗干扰性好、操作简便等特点。通过测试该型号传感器性能基本满足条件，但是信号稳定性欠佳，尤其是柱状的结构外形，导致其无法与腕带方便的配合。 （2）HK-2000B脉搏传感器： HK-2000B脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏组件、灵敏度温度补偿组件、感温组件、信号调理电路集成在传感器内。主要特点是灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、性能稳定可靠、使用寿命长。实验发现由HK-2000B提取信号绘制的脉搏波形清晰稳定，使用时无需搭建前置放大电路，但体积过大，无法对三个脉位进行同时测量。 （3）PVDF压电传感器： PVDF压电传感器由PVDF压电薄膜构成。与其他压电材料相比，PVDF压电薄膜具有压电系数大、频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，且重量轻、柔软不脆。对该传感器的测试如下：分辨率、灵敏度等指标均符合要求，而且得到的脉搏波形与HK-2000B获得质量相当2。由于考虑到各方面的原因，本设计采用的是SC0073传感器。 图1-2SC0073传感器结构图1.3FPGA简介 FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（161RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。FPGA芯片主要由7部分完成，分别为：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。图1-3FPGA芯片的内部结构 设计方案2.1设计要求为了提高运用电子基础知识进行理论设计、实践创新，通过实践学会合理的利用集成电子器件制作基于数字电路和模拟电路的课程设计与制作。脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的仪器，也是心电图的主要组成部分。它是用来测量频率较低的小信号。利用集成电路实验室的FPGA开发实验箱，购买一颗脉搏传感器芯片，设计一个PCB电路，把传感器输出的信号通过实验箱的FPGA和液晶显示屏显示出来。1、 理解脉搏传感器的工作原理；2、 学习PCB设计； 3、 利用FPGA知识进行电路设计；4、 实现在1min内测量脉搏数；5、 将测得的脉搏数用数字的形式显示；2.2设计方案从前面的内容可知，脉搏信号是一种微弱的低频生物电信号。在进行有效的处理、显示或记录之前，必须把信号放大到采集系统要求的幅值范围内，因此在设计电路时必须考虑一些因素。在测量人体生物信号的同时不能伤害人体、危及人身安全。而且脉搏信号的振幅也是比较小的，一般为10uV到50uV的信号。而采集显示的时候一般要求在5V或以上范围的信号。所以脉搏显示电路很据上述功能，可采用两种不同的方案来实现：1、 把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内（一分钟）进行计数，并显示其数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。2、 测量脉搏跳动的固定次数（比如10次、20次）所要的时间，然后转换为每分钟的脉搏数（需要一个倍频电路）3。 这两种方案比较起来，第一种更明了直观，所搭构的电路能稍稍简单一些；第二种方案的测量误差较第一种更小，但是电路要复杂一些。为了使其轻巧便捷，本文设计是基于第一种方案。 下面为选用方案的框图： 图2-2整体设计的原理框图1）脉搏传感器 将脉搏跳动产生相对应的信号。2）放大电路 把传感器输出的微弱信号放大。3）滤波电路 把一些不需要的干扰信号过滤。4）整形电路 把脉搏信号转换为矩形脉冲。5）分频器 FPGA中把50MHZ的时钟频率分为自己需要的时钟频率。6）定时器 FPGA中设计一个定时为60S的模块。7）计数器、显示电路 用来计算脉搏数（一分钟），并显示出来。8）电源电路 按电路要求提供符合要求的直流电源（用学生电源）。 3单元电路的设计3.1信号的发生脉搏传感器是脉象检测系统中的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到后续电路的处理和结果的显示。目前常用的脉搏传感器有光电类、压电类和压阻类。我们使用的是压电类的SC0073。压电传感器的工作原理是以某种物质的压电效应为基础。这些物质在受到一定方向的压力或拉力的作用而发生形变时，其表面会产生电荷；如果将外力移除，则又会回到不带电的状态，这种现象就是压电效应。 图3-1SC0073的电路连接图3.2前置放大电路脉搏信号具有不稳定性，非线性和随机性的基本特征，属于微弱的生物电信号。所以前置放大电路对于脉搏信号采集来说至关重要，为了放大噪声环境中脉搏传感器输出的弱信号，对于放大器要求具有：极高的共模和差模输入阻抗；很低的输出阻抗；精确和稳定的增益；极高的共模抑制比。基于以上分析，选用的是低功耗、高精度仪表放大器AD620作为前置放大电路的核心元件。 图3-2-1AD620芯片引脚图 图3-2-2AD620原理图表3-2-3AD620参数表项目规格增益范围11000电源供应范围2.3V18V低耗电量最大供应电流=1.3mA精确度高40ppm的最大非线性度；最大偏置电压为 50V ；最大漂移电压0.6V/低讯号1khz时低输入噪声9nV/Hz由于肌电干扰可能造成前置放大器静态工作点的偏移，甚至截至饱和，所以前置放大器的增益不能太大。所以设计时考虑两级放大,第一级采用AD6204。 图3-2-4前置放大电路图R2、C1共同组成的低通滤波保证信号能够通过，ad620内部的三运放结构能有效的减少共模输入的干扰。通过调整1管脚和8管脚之间的滑动变阻器，可以改变电路的增益，使G=5，则很据G=（49.4K/Rx）+1得Rx12.35K。 图3-2-5前置放大电路仿真结果3.3滤波电路脉搏信号是频率低但能量相对集中的信号，人体的脉搏频率非常低，约为0.54Hz，一般情况下为1Hz左右，脉搏信号复杂且易变，由于人体生理、病理、心理等不同而容易受到影响。所以我们设计一个在0.5Hz20Hz的带通滤波器。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：。由于通频带为0.5Hz20Hz，所以需要设计一个将低于0.5Hz的低频信号和高于20Hz的的高频信号过滤，我们将一个高通滤波器和一个低通滤波器串联起来形成一个带通滤波器。一般来说有源滤波电路比无源滤波电路好一些，所以我们用的是二阶的有源滤波电路。 图3-3-1有源滤波器幅频特性这里的滤波电路采用双运放的LM358。LM358是双运放集成电路，封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式，其管脚如图3.3.1所示，它内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。其主要特性有：短路保护输出；直流电压增益高；单位增益频带宽；低输入失调电压和失调电流；共模输入电压范围宽，包括接地；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；电源电压范围宽：单电源（330V），双电源（1.515V）；低功耗电流，适合电池供电；低输入偏置电流；输出电压摆幅大。 图3-3-2LM358管脚图表3-3-3LM358参数表参数名称数值电源电压330V或1.515V差分输入电压30V输入电压-0.330V功耗（DIP封装）550mW功耗（SOP封装）530mW贮存温度-65150工作环境温度070输入电流50mA输出端对地短路电流持续带通滤波电路如图所示： 图3-3-4带通滤波电路 设计时取电路增益为1，主要是考虑到电路中已有放大电路，滤波电路可以不必在放大信号，使分析简单。（1） 二阶低通滤波电路：若,则：二阶低通滤波电路传输函数： (3-1)特征角频率： (3-2)阻尼系数：，等效品质因数：；电路中选R3=R4=7.2K；C2=C3=。其截止频率： 由于R、C只是计算中的数值，所以实物中R=8K，。（2） 二阶高通滤波电路：同理在构成的二阶高通滤波器中：二阶高通滤波电路传输函数： (3-3),。其截至频率：上述R、C是供计算的数值，实物数值R=320K，5。 图3-3-50.4Hz信号的低通与高通滤波仿真图 图3-3-650Hz信号的低通与高通滤波仿真图上述的0.4Hz和50Hz的仿真图我们可以看出在滤波的时候我们有时候并不能真正的让信号无法通过，但是却可以将其衰减到一个非常微弱的幅度值。使其仍不能对我们的测量造成影响。由于实际制作电路有时候很难挑选到与理想值完全一致的电阻，因此为了保证电路的准确性，我们可以将不同的电阻串联来得到自己需要的电阻值。3.4 二级放大电路二级放大电路是把信号放大到合适的输出信号幅度，以供给后续电路的使用，由于前置放大电路的放大倍数不高而不会产生波形的失真。因此前置放大电路放大后产生的信号为50mV。所以二级放大电路的放大倍数为100.是信号到达5V方便使用。二级放大电路如图所示。 图3-4-1二级放大电路图二级放大采用由运放构成的同相比例放大器，设计使用的芯片还是上述的LM358芯片。另.由同相比例放大增益公式得：。与运放两输入端相连的外接电阻必须满足平衡条件，即=，所以。 图3-4-2二级放大后的信号仿真图放大电路采用多级放大形势的特点是：信号逐级放大，不集中在某一级。但是一般前置电路放大倍数不宜太大，因为信号和噪声同时经过这一级，如果放大倍数过大，噪声也会同样被放大，噪声幅度过大，则不利于后级处理，即后级难以有效的去除噪声。二级放大电路是主要放大级，进入这一级的信号已经经过处理，噪声也已经得到有效的滤除，该级的放大倍数一般较大。3.5信号整形电路在放大电路中输入信号虽然已经被放大，电压也满足后续电路驱动，但是其波形仍为模拟量，所以必须将模拟量转换成数字脉冲之后供数字电路使用。整形电路即可实现这个功能。而我们采用的是施密特触发器整形电路：施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。它是一种阈值开关电路，具有突变输入输出特性的门电路。这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的。从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明显变缓；当传输线较长，而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的vt+和vt-设置得合适，均能收到满意的整形效果。施密特触发器有多重形式，一种是由555定时器构成的，电路图如下所示： 图3-5-1555定时器构成的施密特触发器还有一种是用CMOS门构成的，电路图如下所示： 图3-5-2COMS门构成的施密特触发器还有一种是集成施密特触发器，本设计是用也是集成施密特触发器中的一种74LS14。其内部原理图如下所示： 图3-5-374LS14内部原理图74LS14的管脚图如下所示： 图3-5-474LS14管脚图表3-5-574LS14参数表推荐工作条件最小额定最大单位电源电压Vcc4.7555.25V输入正向阈值电压Vrr+1.41.61.9V输入负向阈值电压Vrr-0.50.81V滞后电压Vt0.40.8V输出高电平电流Ioh-400uA输出低电平电流Iol8mAA端为输入端，Y端为输出端，一片芯片一共6路，即 1，3，5，9，11，13 为输入端， 2，4，6，8，10，12 为输出端。 图3-5-6整形后的信号图PCB设计4.1PCB简介 PCB(Printed Circuit Board),中文名称为印制电路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，打到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间的电器互连，都要使用印制板。在较大型的电子产品研究过程中，最近本的成功因素是该产品的印制板设计、文件编制和制造。印制板的设计和制造质量直接影响到整个产品的质量和成本，甚至导致商业竞争的成败。电子设备采用印制板后，由于同类印制板的一致性，从而避免了人工接线的差错，并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测，保证了电子设备的质量，提高了劳动生产率、降低了成本，并便于维修。印制板从单层发展到双面、多层和挠性，并且仍旧保持着各自的发展趋势。由于不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展，不断缩小体积、减轻成本、提高性能，使得印制板在未来电子设备的发展工作中，仍然保持强大的生命力。综述国内外对未来印制板生产制造技术发展动向的论述基本是一致的，即向高密度，高精度，细孔径，细导线，细间距，高可靠，多层化，高速传输，轻量，薄型方向发展，在生产上同时向提高生产率，降低成本，减少污染，适应多品种、小批量生产方向发展。印制电路的技术发展水平，一般以印制板上的线宽，孔径，板厚/孔径比值为代表。PCB主要有一下三种类型：单面板（Single-Sided Boards） 在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上（有贴片元件时和导线为同一面，插件器件再另一面）。双面板（Double-Sided Boards） 这种电路板的两面都有布线，不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔（via）。导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。多层板（Multi-Layer Boards） 为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了，也称为多层印刷线路板。板子的层数并不代表有几层独立的布线层，在特殊情况下会加入空层来控制板厚，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。4.2Protel电路原理图绘制Protel电路原理图绘制是在Protel99SE的原理图设计Advanced Schematic 99中完成的，利用系统所提供的各种原理图绘制工具、在线库及强大的全局编辑功能完成电路原理图的绘制。图4-2-1硬件整体电路原理图 电路原理图的绘制流程：1、 建立项目文件（*.ddb）和原理图文件（*.sch）。2、 设置绘图环境。3、 在绘图页面放置元件（添加SCH零件库）。4、 元件制作（如果库里没有自己需要的元件，则需要自己动手创建一个原理图库文件（*.Lib），在原理图库文件中进行特殊元件设计）。5、 原理图连线（在连线过程中要确定连线正确）。6、 编辑与调整（设置元件标号，设置元件类型或称值及其元件封装，电路元件属性检查）。7、 ERC检查并生成网络表（出网络表外，Protel99SE还可以生成多种报表，比如元件列表，元件交叉参考表等）。8、 存盘。4.3Protel印制电路板设计印制电路板设计流程6：1、 建立数据库文件（*.Ddb）。2、 创建PCB文件（*.Pcb）。3、 装入PCB元件库（用于在PCB电路中放置对应的元件）。4、 元件制作（如果库里没有需要的元件封装形式，则需要自己创建一个PCB元件库文件（*.Lib