数字脉搏计数器毕业设计.doc

数字心率计 1 目目 录录 1 1 摘要摘要 1 1 2 2 方案原理介绍方案原理介绍 2 2 2 1 方案设计与论证 2 2 3 3 总体方案介绍总体方案介绍 3 3 4 4 单元电路的设计与选择单元电路的设计与选择 4 4 4 1 脉搏检测电路的设计 4 4 4 2 信号放大电路的设计及参数计算 5 5 4 3 信号滤波电路的设计及参数计算 7 7 4 4 整形电路的设计与参数计算 8 8 4 5 倍频电路 10 10 4 6 时基电路 11 11 4 7 逻辑控制电路 12 12 4 8 计数 锁存和显示电路 14 14 4 9 报警电路设计 18 18 5 5 总体电路的绘制总体电路的绘制 18 18 5 1 电路总图 18 18 5 2 元器件清单 19 19 6 6 心得体会心得体会 19 19 7 7 参考文献参考文献 21 21 数字心率计 2 数字心率计数字心率计 摘要摘要 对于医院的危重病人 或者在其他一些特殊场合 需对人的心心率进行连续检测 本 课题即针对这一需求 设计一台简易的心率检测仪 课题的思路是用压力传感器检测病人手腕部的脉搏跳动 压力传感器的输出信号经一系列 电路处理 形成可用于检测的脉冲信号 再经电路处理 最终由数码管显示其数值 并根 据被测对象情况判断其健康状态 以报警信号显示 通过测试和实际应用表明 其性能稳 定 工作可靠 升级方便 实现了对人体脉搏的电子测量 并且能通过外界扩音器实现听 诊的功能 文章给出了系统的功能特点 设计原理 硬件电路及软件设计等 该系统利用 脉冲干扰动平均值法滤波 在提高精度的同时也大大提高了系统的响应速度 该仪器成本 低 可靠性高 操作方便 关键词 传感器 滤波器 放大器 显示电路 报警电路 数字心率计 3 一一 方案原理介绍方案原理介绍 1 11 1 方案设计与论证方案设计与论证 正常人的脉搏次数是每分钟 60 90 次 婴儿为 90 120 次 老年人则为 100 150 次 这种频率信号属于低频范畴 因此 脉搏测试仪是用来测量低频信号的装置 它的基本功能要 求是 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 对转换后的电信号要进行放大 滤波和整形处理 以保证后续电路能正常对其进行进 一步的加工和处理 脉搏测试仪要能在 15 秒左右测出脉搏跳动次数 并作出是否报警的判断 报警的上 下限及对象选择可以通过多路开关调节 总之 脉搏测试仪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 脉搏测试仪的主要组成部分是计数器和数字显示器 1 1 1 方案设计 脉搏测试仪的上述功能要求 可采用了三种不同的方案来实现 方案一 把转换为电信号的脉搏信号 在单位时间 N 内 如 15 秒 进行计数 完成后 将计数结果通过乘法器乘以系数 60 N 如 60 15 4 并用数字显示其计算后的值 从而得 到每分钟的脉搏数 方案二 该种方案和第一种有一点类似 其差别在于该方案采用的是倍频的方式求取 脉搏数 在单位时间 15 秒内进行计数 由于 15 秒是一分钟的 1 4 所以理想情况下 60 秒 内测得的脉搏数是 15 秒内测得值的 4 倍 所以可以通过对被测脉搏波进行细分 即 4 倍频 从而通过计数器在 15 秒内所得计数结果就是一分钟的脉搏数 1 1 2方案验证 这三种方案比较起来 第一种方案比较直观 但精度较低 如果计数时间是 15 秒最 大时误差为 4 次 而且电路结构需要乘法器 乘法器芯片难寻 电路结构复杂 第二种 方案直观 电路结构简单 且精度较第一种方案高 但由于采用倍频电路其精度已提高到 1 次 完全满足设计要求 为了使脉搏测试仪轻巧而便宜 且有较高精度通常采用第二 种方案 本文的设计就基于这一方案 数字心率计 4 二二 总体方案介绍总体方案介绍 本设计采用了1 1 1中的第二种方案 选用该种方案的原因是电路容易实现 各部分造 价较低 满足精度要求 该方案选用传感器MPX2050GP 该传感是带温度补偿的扩散硅压力 传感器 它具有良好的线性和温度稳定 并且灵敏度高 是一种专门用于血压测量的传感 器 该传感器接在电桥电路中 当有压力传到传感器时 其电阻发生变化 电桥失去平衡 产生差动电压 由于该电压很弱 为10毫伏左右 需用一放大器对其信号进行放大 由 于震动 工频信号和放大器的噪声等的影响 导致其输出电压中有很多干扰信号 为此需 采用一滤波器滤除脉搏信号中的干扰 由于脉搏信号为低频信号 所以该滤波器必须为低 通滤波器 为了便于计数 需将经过滤波的信号整形为矩形波信号 为此还需设计整形电 路 由于我们需要在十五秒内完成脉搏计数 在这里我们采用了倍频的方式 由于 15 秒是 一分钟的 1 4 所以理想情况下 60 秒内测得的脉搏数是 15 秒内测得值的 4 倍 所以可以 通过对被测脉搏波进行细分 即 4 倍频 从而通过计数器在 15 秒内所得计数结果就是一 分钟的脉搏数 这种设计方案的方框图如下图 1 图一 设计方案方框图 数字心率计 5 三三 单元电路的设计与选择单元电路的设计与选择 3 13 1 脉搏检测电路的设计脉搏检测电路的设计 因为采用的MPX2050力敏元件是一种高性能的动态微压传感器 且输出电压信号有一直 流叠加 故采用电桥法直接获取脉搏信号 如图2 所示 可以看出采用电桥接法通过匹配 R1 R2 以及调整电位器RC可以将传感器两端的交流变化量取出来 系统所用的电源是直流 稳压 5V 采用的串联电阻R1 R2为5k 同时 为了排除电源的噪声干扰 前置一个 1000u电容C1接地 ui2 0 传 传 传 传 RC 5k C1 1000U0 R1 5k ui1 R2 5k 传 传 传 5V 图二 脉搏测量电路 传感器参数如下 型号最 大 压 力 psi 最 大 压 力 kpa 最 大 压 力 in H2O 最 大 压 力 cm H20 最 大 压 力 mm Hg 过压 kpa 零 位 偏 差 mv 量 程 电 压 mv 灵敏 mV Kpa 线 性 量 程 最 小 线 性 量 程 最 大 典 型 压 力 MPX20507 050201501375200 1 0 400 8 0 3 0 3 由于传感器灵敏度为 0 8V KPa 而人体正常情况下收缩压大致为 136 18KPa 数字心率计 6 90mmHg 12KPa 舒张压为 86 60mmHg 因为收缩压较舒张压大 故以收缩压信号 作为预处理信号 脉搏测量电路输出的峰值电压大约为 12X0 8 9 6mv 到 18X0 8 14 4mv 3 23 2 信号放大电路的设计及参数计算信号放大电路的设计及参数计算 3 2 1 放大电路的选择 方案一 采用常见的同相放大电路 对信号进行放大 根据理论公式进行计算可得电 路的放大倍数为 Av Vo Vi 1 R1 R2 选择不同的阻值可以得到不同的放大倍数 但此电路 不适合小信号放大 因此不予采取 方案二 由于输入级是毫伏级 为了便于信号的输出和处理 采用三运放高共模抑制 比放大电路放大传感器的输出电压 电路如图 3 所示 它由三个集成运算放大器组成 其 中 U10 U12 为两个性能一致的同相输入通用集成运算放大器 构成平衡对称差动放大输入 级 U11 构成双端输入单端输出的输出级 用来进一步抑制 U10 U12 的共模信号 当 U10 U12 性能一致是 输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关 而 其共模输出 失调及漂移均在 Rp两端相互抵消 因此电路具有良好的共模抑制能力 又不 要求外部电阻匹配 此外 该电路还具有增益调节能力 调节 Rp可以改变增益而不影响电 路的对称性 0 V4 FREQ 3 5 VAMPL 0MV VOFF 0 Ui1R5 50k Ui2 VEE 0 R1 50k VCC 0 VEE U5 OP 27 LT 3 2 74 6 8 1 V V OUT OS2 OS1 V3 FREQ 3 5 VAMPL 1MV VOFF 0 VCC R2 50k VEE out1 VEE U4 OP 27 LT 3 2 74 6 8 1 V V OUT OS2 OS1 VCC Ui2 R7 10k VCC R3 4k R6 50k Ui1 V U6 OP 27 LT 3 2 74 6 8 1 V V OUT OS2 OS1 V out out2 V2 15Vdc V R4 4k V1 15Vdc 图三 三运放高共模抑制比放大电路 数字心率计 7 3 2 2 电路参数的计算 但为了消除 U10 U12 偏置电流的影响 通常取 R1 R2 R3 R4 R5 R6 由于输入级是毫伏级 为了便于信号的输出和处理初步设定电路总放大倍数为 250 倍 则 Au 1 2R1 Rp R5 R3 设定 R1 R2 R3 R4 R5 R6 通过 ORCAD 软件模拟及参照相关资料得第一级放 10 倍 第二级为 25 倍 放大倍数计 算分配如下 第一级放大 10 倍 A1 1 R1 R2 RP 20 取 RP 10K R1 R2 100K 第二级放大 25 倍 A2 R5 R3 50 取 R3 R4 R5 R6 总的放大倍数为 Au 1 2R1 Rp R5 R3 A1 A2 10 25 250 ORCAD模拟结果如下 第一级输出 U10 out U12 out 放大 10 倍 图 4 所示 Ti m e 0s0 2s0 4s0 6s0 8s1 0s1 2s1 4s1 6s1 8s2 0s V R1 2 V O UT2 12m V 8m V 4m V 0V 4m V 8m V 12m V 图四 第一级输出波形 最后输出 V out 共放大 250 倍 图 5 所示 数字心率计 8 Ti m e 0s0 2s0 4s0 6s0 8s1 0s1 2s1 4s1 6s1 8s2 0s V O UT 300m V 200m V 100m V 0m V 100m V 200m V 300m V 图五 第二级输出 3 33 3 信号滤波电路的设计及参数计算信号滤波电路的设计及参数计算 3 3 1滤波器的概述 滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路 主要作用是 让有用信号尽可能无衰减的通过 对无用信号尽可能大的衰减 滤波器一般有两个端口 一个输入信号 一个输出信号 利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波 而得到一个特定频率的正 弦波 滤波器是由电感器和电容器构成的网路 可使混合的交直流电流分开 电源整流器中 即借助此网路滤净脉动直流中的涟波 而获得比较纯净的直流输出 最基本的滤波器 是 由一个电容器和一个电感器构成 称为L型滤波 所有各型的滤波器 都是集合L型单节滤 波器而成 基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成 串联臂为电感器 并联 臂为电容器 在电源及声频电路中之滤波器 最通用者为L型及 型两种 就L型单节滤波 器而言 其电感抗XL与电容抗XC 对任一频率为一常数 其关系为 XL XC K2 故L型滤波器又称为K常数滤波器 倘若一滤波器的构成部分 较K常数型具有较尖锐的截止 频率 即对频率范围选择性强 而同时对此截止频率以外的其他频率只有较小的衰减率 者 称为m常数滤波器 所谓截止频率 亦即与滤波器有尖锐谐振的频率 通带与带阻滤波 器都是m常数滤波器 m为截止频率与被衰减的其他频率之衰减比的函数 每一m常数滤波器 的阻抗与K常数滤波器之间的关系 均由m常数决定 此常数介于0 1之间 当m接近零值时 截止频率的尖锐度增高 但对于截止频的倍频之衰减率将随着而减小 最合于实用的m值为 0 6 至于那一频率需被截止 可调节共振臂以决定之 m常数滤波器对截止频率的衰减度 决定于共振臂的有效Q值之大小 若达K常数及m常数滤波器组成级联电路 可获得尖锐的滤 数字心率计 9 波作用及良好的频率衰减 3 3 2 滤波器的作用 滤波器 顾名思义 是对波进行过滤的器件 波 是一个非常广泛的物理概念 在 电子技术领域 波 被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程 该过程通过各类传感器的作用 被转换为电压或电流的时间函数 称之为各种物理量的时 间波形 或者称之为信号 因为自变量时间 是连续取值的 所以称之为连续时间信号 又习惯地称之为模拟信号 Analog Signal 随着数字式电子计算机 一般简称计算机 技术 的产生和飞速发展 为了便于计算机对信号进行处理 产生了在抽样定理指导下将连续时 间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法 也就是说 可以只用原模拟信号在一系 列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息 波 波形 信号这些概念 既然表达的是客观世界中各种物理量的变化 自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载 体 信息需要传播 靠的就是波形信号的传递 信号在它的产生 转换 传输的每一个环 节都可能由于环境和干扰的存在而畸变 有时 甚至是在相当多的情况下 这种畸变还很 严重 以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了 3 3 3滤波电路 滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波 一般由电抗元件组成 如在负载电阻 两端并联电容器 C 或与负载串联电感器 L 以及由电容 电感组成而成的各种复式滤 波电路 1 滤波电路的基本概念 滤波是信号处理中的一个重要概念 滤波分经典滤波和现代滤波 经典滤波的概念 是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念 根据高等数学理论 任何一个满足一定条件的信号 都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成 换句话说 就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的 组成信号的不同频率的正弦波叫做 信号的频率成分或叫做谐波成分 只允许一定频率范围内的信号成分正常通过 而阻止 另一部分频率成分通过的电路 叫做经典滤波器或滤波电路 数字心率计 10 2 工作原理 当流过电感的电流变化时 电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化 当通过 电感线圈的电流增大时 电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反 阻止电流的增加 同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中 当通过电感线圈的电流减小时 自感电 动势与电流方向相同 阻止电流的减小 同时释放出存储的能量 以补偿电流的减小 因 此经电感滤波后 不但负载电流及电压的脉动减小 波形变得平滑 而且整流二极管的导 通角增大 在电感线圈不变的情况下 负载电阻愈小 输出电压的交流分量愈小 只有在 RL L 时 才能获得较好的滤波效果 L 愈大 滤波效果愈好 另外 由于滤波电感电动势的作用 可以使二极管的导通角接近 减小了二极管的冲击 电流 平滑了流过二极管的电流 从而延长了整流二极管的寿命 3 电路分类 常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类 若滤波电路元件仅由无源元件 电阻 电容 电感 组成 则称为无源滤波电路 无源滤波的主要形式有电容滤波 电感滤波和 复式滤波 包括倒 L 型 LC 滤波 LC 型滤波和 RC 型滤波等 若滤波电路不仅由无源 元件 还由有源元件 双极型管 单极型管 集成运放 组成 则称为有源滤波电路 有 源滤波的主要形式是有源 RC 滤波 也被称作电子滤波器 无源滤波电路 无源滤波电路的结构简单 易于设计 但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化 因而不适用于信号处理要求高的场合 无源滤波电路通常用在功率电路中 比如直流电源 整流后的滤波 或者大电流负载时采用 LC 电感 电容 电路滤波 有源滤波电路 有源滤波电路的负载不影响滤波特性 因此常用于信号处理要求高的场合 有源滤波 电路一般由 RC 网络和集成运放组成 因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用 数字心率计 11 同时还可以进行放大 但电路的组成和设计也较复杂 有源滤波电路不适用于高电压大电 流的场合 只适用于信号处理 根据滤波器的特点可知 它的电压放大倍数的幅频特性可以准确地描述该电路属于低 通 高通 带通还是带阻滤波器 因而如果能定性分析出通带和阻带在哪一个频段 就可 以确定滤波器的类型 识别滤波器的方法是 若信号频率趋于零时有确定的电压放大倍数 且信号频率趋于 无穷大时电压放大倍数趋于零 则为低通滤波器 反之 若信号频率趋于无穷大时有确定 的电压放大倍数 且信号频率趋于零时电压放大倍数趋于零 则为高通滤波器 若信号频 率趋于零和无穷大时电压放大倍数均趋于零 则为带通滤波器 反之 若信号频率趋于零 和无穷大时电压放大倍数具有相同的确定值 且在某一频率范围内电压放大倍数趋于零 则为带阻滤波器 4 电路作用 滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分 保留其直流成分 使输出电压 纹波系数降低 波形变得比较平滑 3 3 4 滤波电路的选择 由于有 50 赫兹的工频干扰和传感器在测量时有震动带来的干扰 必须对所取信号进 行滤波处理 考虑到脉搏的频谱特性以及滤波 50 赫兹工频干扰可以采用截止频率为 2 5 赫兹的低通滤波器滤除 因为压控电压源型二阶低通滤波器电路结构简单 调整方便 且 使用电路多采用运算放大器做有源器件 几乎没有负载效应 故选择压控电压源型滤波电 路 电路如图 7 所示 3 43 4 压控电压源型二阶低通滤波器电路参数的计算压控电压源型二阶低通滤波器电路参数的计算 因为脉搏的正常跳动为 60 150 次 分钟 所以容易算得其最高频率为 f 150 60 2 5Hz 为了便于计算 设该低通滤波器的截止频率 f0 2 5Hz f0 w0 2 2 5 w02 2 5 2 2 1 R1fR2fC1fC2f 246 5 为了计算的简便 取 R1f 2000K R2f 4000K C1f 0 05u C2f 0 01u 把 R1fR2fC1fC2f的值带入验证得 R1fR2fC1fC2f 1 106 4 106 5 10 8 1 10 8 0 002 w0 15 811 f0 15 811 6 28 2 5177 2 5 故取 R1f 2000K R2f 4000K C1f 0 05u C2f 0 01u 见图 7 数字心率计 12 VEE R16 1k C5 0 05U V4 15VdcR14 2000k OUT C6 0 01U U2 uA741 3 2 74 6 1 5 V V OUT OS1 OS2 0 V5 15Vdc 0 V3 1Vac 0Vdc V VEE R13 4000k VCC R15 10k VCC 0 图七 滤波电路 Frequency 1 0H z3 0H z10H z30H z100H z V V0 0V 1 0V 2 0V 3 0V 图八 滤波电路 AC 分析结果 3 53 5 整形电路的设计与参数计算整形电路的设计与参数计算 1 整形电路的选择 本电路的功能是将模拟电压信号转化为高低电平信号输出到倍频电路 采用反相滞回 电压比较器完成电路整形 方案一 本电路也可由常用 TTL 和 CMOS 集成电路中的施密特触发器实现 如 74LS14 和 CC40106 74LS14 的典型数值 U 0 9V U 1 7V CC40106d 阈值电压范围是 3 6V U 2 2V 1 6V U 0 3V VDD 5V 已知放大后的信号峰值电压为 3 6V U 2 4V 这与上述芯 片的参数有些差值 虽然可经过适当的电路加以调整 但这样会使电路复杂化 因而不予 采取 方案二 这部分电路如图 8 所示 输入电压 V7 加在集成运放的反相输入端 参考电压 V2 经电阻 R1c接在同相输入端 此外从输出端通过电阻 Rfc引回同相输入端 电阻 Rc 和稳 压管 D1 的作用是限幅 将输出电压的幅度限制在 0 5V 之间 在本电路中 当集成运放反相输入端与同相输入端的电位相等 即 u u 时 输出端的 状态将发生跳变 其中 u 由参考电压 V3及输出电压 u out 二者共同决定 而 u out 有两种可能的状态 Uz 5V 或 0 由此可见 是输出电压由 Uz 跳变为 0 以及由 0 跳 数字心率计 13 变为 Uz 所需的输入电压值是不同的 也就是说 这种比较器有两个不同的门限电平 故 传输特性呈滞回形状 如图 9 所示 由图中可以看出 u out 的两种电压值不等于 5V 和 0V 分析原因是由于稳压管 D1 的反向电流并不为零 其值很小 通常情况下不予考虑 所以它两端的电压值并不严格等 于 D1 的稳压电压 而是有一定的偏移 R2 100k VEEVCC 0 R1 11k V2 3Vdc V4 15Vdc VCC 0 V5 15Vdc R3 1k V7 FREQ 2 5 VAMPL 15v VOFF 1 0 0 VEE D1 D1N750 U2 LF356 LT 3 2 74 6 5 1 V V OUT B2 B1 图九 整形电路 图十 整形电路软件分析 2 相关参数计算 利用叠加原理求得 u Rf R1c Rfc V3 R1c R1c Rfc u out UT Rfc R1c Rfc V3 R1c R1c Rfc Uz 数字心率计 14 UT Rfc R1c Rfc V3 R1c R1c Rfc 0 UT UT UT R1c R1c Rfc Uz 由上式可见 门限宽度 UT 的值取决于稳压管的稳定电压 Uz 以及电阻 R2 和 Rf 的值 但与参考电压 V3 无关 调节参考电压滞回比较器的传输特性将平行地左移或右移 滞回曲 线的宽度不改变 由于经传感器送出的电压是毫伏级 放大一千倍以后为伏级 所以 门限宽度不宜过 宽 可取 UT R1c R1c Rfc Uz 0 5V 查询稳压管 D1N750 的稳压值为 Uz 5V 初略计算得 R1c 11k Rfc 100k 整形电路的瞬态分析结果图 11 所示 图十一 整形电路模拟分析 3 53 5 倍频电路倍频电路 3 5 1 什么是倍频器 倍频器是使输出信号频率等于输入信号频率整数倍的电路 利用非线性电路产生高次谐波 或者利用频率控制回路都可以构成它 输入频率为 f1 则输出频率为 f0 nf1 系数 n 为任意 正整数 称倍频次数 3 5 2 倍频器的功能及工作原理 1 功能 倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率整数倍的电路 常用的是二 倍频和三倍频器 在手持移动电话中倍频器的主要作用是为了提升载波信号的频率 使之 工作于对应的信道 同时经倍频处理后 调频信号的频偏也可成倍提高 即提高了调频调 制的灵敏度 这样可降低对调制信号的放大要求 采作倍频器的另一个好处是 可以使载 波主振荡器与高频放大器隔离 减小高频寄生耦合 有得于减少高频自激现象的产生 提 数字心率计 15 高整机工作稳定性 2 倍频原理 由晶体三极管组成的倍频电路如下图所法 它的基本原理是 三极管 VT1 的基极不设置或设置很低的静态工作点 三极管工作于非线性状态 于是输入信号经管子 放大 其集电极电流会产生截止切割失睦 输出信号信号丰富的谐波分量 利用选频网络 选通所需的倍频信号 而滤除基波和其他谐波分量后 这就实现了对输入信号的倍频功能 3 5 3 倍频器的种类 利用非线性电路产生高次谐波或者利用频率控制回路都可以构成倍频器 倍频器也可由一 个压控振荡器和控制环路构成 它的控制电路产生一控制电压 使压控振荡器的振荡频率 严格地锁定在输入频率 f1 的倍乘值 f0 nf1 上 倍频器有晶体管倍频器 变容二极管倍频器 阶跃恢复二极管倍频器等 用其他非线 性电阻 电感和电容也能构成倍频器 如铁氧体倍频器等 非线性电阻构成的倍频器 倍 频噪声较大 这是因为非线性变换过程中产生的大量谐波使输出信号相位不稳定而引起的 倍频次数越高 倍频噪声就越大 使倍频器的应用受到限制 在要求倍频噪声较小的设备 中 可采用根据锁相环原理构成的锁相环倍频器和同步倍频器 但是 这类倍频器线路比 较复杂 倍频次数一般不太高 而且还可能出现相位失锁等问题 微波振荡器的频率稳定度不太高 在几十兆赫至百兆赫的晶体振荡器后面加上一级高 次倍频器 可以获得具有晶振频率稳定度的微波振荡 另外 多级倍频器级联起来 可以 使倍频次数大大提高 例如 二倍频器和三倍频器级联可产生六次倍频 m 级 N 倍频器级 联 总倍频次数为 Nm 不过 倍频级数增加 倍频噪声也加大 故倍频 上限仍受到限制 1 晶体管倍频器 这种倍频器的电路与调谐放大器相似 但晶体管工作点通常置于伏安特性的截止区 输出 回路则调谐在输入频率的 n 次谐波上 由于晶体管仅在输入电压正半周的部分时间内导通 其集电极电流为一含有输入信号基频和各次谐波的脉动电流 利用调谐于 f0 nf1 的回路 的选频作用 倍频器即可输出所需频率 为使输出信号幅度足够大 这种倍频器的倍频次 数较低 一般 n 3 5 n 增大输出幅度将显著减小 这种倍频器的优点具有一定功率增益 2 变容二极管倍频器 负偏置的变容二极管 D 接于输入和输出回路之间 由 L1C1 构成的高 Q 滤波器只容频率为 f1 的输入信号在左边回路产生电流 i 由于变容二极管的非线性特性 二极管的端电压含有 基频 f1 和 2f1 nf1 等谐波频率 在输出端由于高 Q 带通滤波器的作用 因而只有频率 为 nf1 的成分能够通过右边回路 并向负载输出有用的谐波功率 变容二极管倍频器有时又 称参量倍频器 它的倍频效率与倍频次数 n 成反比 为使输出足够大 一般以 n 10 为准 数字心率计 16 3 阶跃恢复二极管倍频器 具有陡变电容特性的阶跃恢复二极管在激励电压作用下工作于导通和阶跃两种 状态 并在阶跃瞬间形成一持续时间很短 幅度很大的尖峰脉冲 这个脉冲能谱呈梳状 均匀分布 在几十次乃至上百次谐波频率上仍有一定的能量输出 阶跃恢复二极管倍频 器适于构成倍频次数很高 但幅度不需要很大的高次倍频器和梳状谱发生器 3 5 4 采用倍频器的主要原因有 1 降低设备的主振频率 由于振荡器频率愈高稳定性愈差 一般采用频率较低而稳 定度较高的晶体振荡器 以后加若干级倍频器达到所需频率 一般基音体频率不高于 20MHz 具有高稳定性的晶体频率通常不超过 5 MHz 所以工作频率高 要求稳定性又严格 的通信设备和电子仪器就需要倍频 2 对于调相或调频发射机 利用倍频器可以加大相移或频移 即可增加调制度 3 可以提高发射机的工作频率稳定性 因为采用了倍频器 输入频率与输出频率不 同 从而减弱了寄生耦合 3 5 5 采用倍频器的优点是 在无线电发射机 频率合成器等电子设备中广泛地运用了倍频器 它的功能是将频率为 f c 的输入信号变换成频率为 nf c 的输出信号 n 为正整数 1 倍频器能降低电子设备的主振频率 对提高设备的频率稳定度有利 因为振荡器 的频率越高 频率稳定度就越差 一般主振器频率不宜超过 5MHz 因此当发射机频率高于 5MHZ 时 通常采用倍频器 数字心率计 17 2 在通信机的主振器工作波段不扩展的条件下 可利用倍频器扩展发射机输出级的 工作波段 例如 主振器工作在 1 5 3 MHz 在其后采用放大倍频级 该级在波段开关控制 下 既能工作在放大状态 又能工作在二倍频或四倍频状态 这样 随波段开关的改变 发 射机输出级就可获得 1 5 3 MK 3 6 M 怡和 6 12 MHZ 三个波段的输出 3 在调频和调相发射机中 采用倍频器可加大频移或相移 即可加深调制深度 在本文中为了在 15 秒内进行计数一分钟的脉搏数 由于 15 秒是一分钟的 1 4 所以 理想情况下 60 秒内测得的脉搏数是 15 秒内测得值的 4 倍 所以可以通过对被测脉搏波进 行细分 即 4 倍频 从而通过计数器在 15 秒内所得计数结果就是一分钟的脉搏数 倍频 电路的实现方式如图 13 0 C2 1n U6A CD4081B 1 2 3 U6A CD4081B 1 2 3 C2 1n R2 1k S1 DSTM1 Implementation R1 1k U7A CD4081B 1 2 3 U5A CD4071B 1 2 3 U1A CD4009UB 32 U2A CD4009UB 32 0 U2A CD4009UB 32 U7A CD4081B 1 2 3 R1 1k R2 1k U1A CD4009UB 32 U5A CD4071B 1 2 3 0 C1 1n C1 1n 0 图十三 四倍频电路图 用 ORCAD 模拟得出输入 第一级输出 第二级输出的波形如下图 14 该倍频电路是由两个 二倍频电路组成 第一级实现对输入信号的二倍频 第二级对倍频后的信号再倍频之后得 到 4 倍频信号 数字心率计 18 图十四 输入信号 二倍频和四倍频 3 63 6 时基电路时基电路 时基信号是标准测量的基础 这个信号可采用多谐振荡器产生 在简单时基电路中 可 以用 555 定时电路 根据门控电路要求 需要设计正脉冲宽度 T 为 15 秒 定时电路的周期 可设为 20 到 30 秒 可根据 555 的计算公式计算电阻 R1 和 R2 及电容 C1 C2 的参数 555 定时器功能表 输 入输 出 TH TR dR VODis VCC 3 2 VCC 3 2 VCC 3 1 L H H H L H 不变 L 导通 截止 不变 导通 图十五 555 定时器功能表 器件取值 振荡周期 T T1 T2 R1 R2 Cln2 振荡频率 f 1 T 1 R1 R2 Cln2 设脉冲幅度大于 3V 小于 5V 占空比为 q 2 3 振荡周期为 15 秒 数字心率计 19 则 q r1 r2 r1 r2 2 3 故得 R1 R2 由此得 T r1 r2 Cln2 15 取 C 1u 解得 r1 r2 480k 电路图如图 16 所示 R1 480k 15传 传 传 R3 480k U1 555B 1 2 34 5 6 7 8 GND TRIGGER OUTPUTRESET CONTROL THRESHOLD DISCHARGE VCC C1 1u VCC CIRCLE C2 1u 0 图十六 时基电路图示 3 73 7 逻辑控制电路逻辑控制电路 根据数字频率计的原理框图及各级电路波形 设计相应的控制电路 门控制信号结束时产 生负跳变 可以用该信号控制一个单稳态触发器产生锁存信号 锁存信号结束时又产生负 跳变 用该信号再控制一个单稳态触发器产生清零信号 可以使用两个单稳态触发器的 74LS123 由 74LS123 的功能表可得 当触发脉冲从 1A 端输入时 在触发脉冲的负跳变作用 下 输出端 1Q 可获得一正脉冲 74LS123 的触发脉冲宽度有电路的时间常数决定 设锁存 信号和清零信号的脉冲宽度相同且为 Tw 如果要求 Tw 0 02 秒 RC 0 02 秒 若取 R 10k 则 C 4 4uF 取标陈值 4 7uF 74LS123 是最常用的可重触发单稳态触发器 在各种数字电路和单片机系统的显示系统中 常用 接下来我就给大家介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料 数字心率计 20 74LS123 功能表 图十七 74LS123 功能表 电路如图 18 所示 数字心率计 21 一 一 一 一 R3 5 1k 0 U3A 74LS123 14 15 1 2 3 13 4 CEXT REXT CEXT A B CLR Q Q SW1 SW KEY SPST 12 5V R2 1k 5V U4A 7400 1 2 3 一 一 一 一 C1 1n R2 1k 一 一 一 一 U3A 74LS123 14 15 1 2 3 13 4 CEXT REXT CEXT A B CLR Q Q 5V C1 1n 图十八 逻辑控制电路图 数字心率计 22 3 83 8 计数 锁存和显示电路计数 锁存和显示电路 锁存器的作用是将控制信号结束时记得的数进行锁存 使显示器能稳定的显示此时计 数器的值 可以选用 8D 锁存器 74LS273 完成上述功能 当锁存脉冲的正跳变来到时 锁存 器的输出等于输入 即 Q D 从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端 正脉冲结束后 无论 D 为何值 输出端 Q 的状态仍保持原来的状态不变 计数器的的输出不会送到译码显 示器 3 8 1 异步计数器 74LS90 引管脚图及功能表真值表 74LS90 为中规模 TTL 集成计数器 可实现二分频 五分频和十分频等功能 由一个二 进制计数器和一个五进制计数器构成 其引脚排列图和功能表如所示 数字心率计 23 74ls27 引脚及功能图示 数字心率计 24 数字心率计 25 引脚功能 74LS273 是 8 位数据 地址锁存器 74LS273 是一种带清除功能的 8D 触发器 1D 8D 为数据输入端 1Q 8Q 为数据输出 端 正脉冲触发 低电平清除 常用作 8 位地址锁存器 74ls48 引脚图以及真值表 74LS48 的引脚排列 3 8 1 计数 锁存和显示电路如图 19 所示 数字心率计 26 一 一 一 一 U3 74LS48 7 1 2 6 4 5 3 13 12 11 10 9 15 14 1 2 4 8 BI RBO RBI LT A B C D E F G 一 一 一 一 U1 74LS48 7 1 2 6 4 5 3 13 12 11 10 9 15 14 1 2 4 8 BI RBO RBI LT A B C D E F G U474LS273 3 4 7 8 13 14 17 18 11 1 2 5 6 9 12 15 16 19 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 CLK CLR Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 U2 74LS48 7 1 2 6 4 5 3 13 12 11 10 9 15 14 1 2 4 8 BI RBO RBI LT A B C D E F G U8 74LS90 14 1 12 9 8 112 3 6 7 CLKA CLKB QA QB QC QDR01 R02 R91 R92 U674LS90 14 1 12 9 8 112 3 6 7 CLKA CLKB QA QB QC QDR01 R02 R91 R92 0 一 一 一 一 U574LS273 3 4 7 8 13 14 17 18 11 1 2 5 6 9 12 15 16 19 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 CLK CLR Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 U774LS90 14 1 12 9 8 112 3 6 7 CLKA CLKB QA QB QC QDR01 R02 R91 R92 数字心率计 27 图十九 计数 锁存和显示电路图 3 93 9 报警电路设计报警电路设计 本电路采用 8 个 JK 触发器组成二进制计数器 其输出结果为 xxxx xxxx x 为 0 或 1 其 输出结果通过与门和发光二极管相连 当某一输入使与门输出高点平时 则点亮发光二极 管 设红色放光管亮时 为血压过高 当黄色发光管亮时 表示血压过低 并由控制开关 来区分被测人 老人 儿童 成年人 电路如图 19 所示 U43A 7400 1 2 3 U66A 7420 6 1 2 4 5 U54A 7420 6 1 2 4 5 一 一 一 R1 1k SW1 SW ROTARY 1P 5W D1 LL4148 U55A 7420 6 1 2 4 5 一 一 一 U58A 7420 6 1 2 4 5 0 U57A 7420 6 1 2 4 5 U31A 74107 1 4 13 3 2 12 J K CLR Q Q CLK 一 一 一 SW2 SW ROTARY 1P 5W U65A 7400 1 2 3 一 一 一 U44A 7420 6 1 2 4 5 U37A 7420 6 1 2 4 5 一 一 一 U33A 74107 1 4 13 3 2 12 J K CLR Q Q CLK U32A 74107 1 4 13 3 2 12 J K CLR Q Q CLK U36A 7420 6 1 2 4 5 一 一 一 0 U45A 7420 6 1 2 4 5 U39A 74107 1 4 13 3 2 12 J K CLR Q Q CLK 一 一 一 U71A 7420 6 1 2 4 5 U68A 7400 1 2 3 U40A 74107 1 4 13 3 2 12 J K CLR Q Q