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黑龙江科技大学本科毕业论文（设计）数字脉搏测量仪摘要脉搏测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。为了提高脉搏测量仪的简便性和精确度，本课题设计了一种数字脉搏测试系统。本系统通过压电陶瓷传感器采集脉搏信息并输出电压信号，然后经由放大电路、计数器、译码器和时基信号发生器等部分组成数字脉搏测试电路。能测量人在一分钟内的脉搏数，并以数字显示，能判断心率不齐且进行告警显示。整个系统耗电低，体积小，具有便携性与精确性，显示结果也十分醒目。按照理论来说，只要有一次心跳信号就可以，但是要考虑到计算的精确性，可以设定为测量五次或者十次心跳信号，然后再求脉搏就可以使结果比较精确。计数结果将最终送至LED数码管进行显示。本文精确地介绍了从脉搏采集到显示脉搏数的原理及各部分电路的参数分析。关键词：脉搏；计数器；译码器关键词与摘要内容隔行书写，词条用小四号宋体字，词条间用分号（；）隔开，3-5个关键词Digital pulse measuring instrument Digital pulse measuring instrumentAbstractPulse measuring instrument in our daily life have got the very extensive application. In order to improve the simplicity and precision of the apparatus used to measure the pulse, this topic designed a digital pulse test system. This system through the piezoelectric sensors to collect information and output voltage pulse signal, and then through the amplification circuit, counter, decoder and time base signal generator parts such as the digital pulse test circuit. Can measure a person in a minute pulse count, and with digital display, can determine an irregular heartbeat and the alarm display. The whole system is low power consumption, small size, portability and accuracy, shows the result is also very impressive.Keywords: pulse; counter; decoder 小提示：当需要从网站或者文档复制到本文档时，先将文字复制到文本文档，然后再从文本文档复制到本文档的相应位置，这样就能够保证格式是正确的！此行不会被打印千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。(在word菜单-工具-选项-视图标签中，格式标记部分请全部打对号，这样就可以看到隐藏的分节符和空格等信息了)-II-目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 本设计的研究背景11.2 本设计的目的和意义11.3 技术指标及要求21.4 本章小结3第2章 方案论证42.1 方案选择42.2 方框图42.3 本章小结5第3章 单元电路的设计63.1 放大与整形电路63.2 计数器电路73.3 译码和显示电路83.4 时基信号产生电路103.5 心律监测电路113.6 本章小结13第4章 整机电路及工作原理144.1 整机电路原理图144.2 电路的工作原理144.2.1 传感器144.2.2 放大电路144.2.3 时基信号产生电路154.2.4 计数器154.2.5 译码器和显示电路154.3 本章小结15第5章 整机电路的调试与使用方法165.1 整机电路的调试方法165.1.1 总体观察165.1.2 检查放大电路165.1.3 计数译码和显示电路的调试165.1.4 时基信号电路的调试165.1.5 漏失脉冲检出电路的调试175.2 脉搏测量仪的使用方法175.3 本章小结17结论18参考文献19附录20致谢22千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”黑龙江科技大学本科毕业论文（设计）数字脉搏测量仪第1章 绪论1.1 本设计的研究背景脉搏携带有丰富的人体健康状况的信息，自公元三世纪我国最早的脉学专著脉经问世以来，脉学理论得到不断的发展和提高。在中医四诊（望、闻、问、切）中，脉诊占有非常重要的位置。脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，其历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”的基本精神的体现与应用。脉诊作为“绿色无创”诊断的手段和方法，得到了中外人士的关注。但由于中医是靠手指获取脉搏信息，虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点易为患者接受，然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。首先，切脉单凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的限制，并且难免存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化；其次，这种用手指切脉的技巧很难掌握；再则，感知的脉象无法记录和保存影响了对脉象机理的研究。脉诊的这种定性化和主观性，大大影响了其精度与可行性，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素1。中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。脉搏在生物医学测量中是一种常用而重要的指标。将中医的切脉与现代电子技术结合可获取精确的脉搏信息，有助于对生理状况的诊断。生物医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。世界上出现比较完整的脉搏测量仪器已有近一百年的历史。近来随着科学技术的发展，脉搏测试技术越来越先进，对脉搏的测试精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，特别是电子脉搏仪的出现，使脉搏测量变得非常方便。为了将传统的中医药学发扬光大，促进脉诊的应用和发展，必须与现代科技相结合，实现更科学、客观的诊断。医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数2。为了节省时间，一般不会作1 分钟的测量，通常是测量10 秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6 即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了提高脉搏测量的精确与速度，多种脉搏测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全新的医学诊断方法。1.2 本设计的目的和意义早在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、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。脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势： (1) 自动测量脉搏对所得到的脉搏进行自动分析。 当今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，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处于上升发展的趋势。 (2) 数字化技术先进技术的应用。 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，体积小，质量轻。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，更加方便人们的生活。 数字脉搏测试仪是用来测量人体心脏跳动频率的电子仪器，是由心电图主要组成部分。心脏跳动频率通常用每分钟心脏跳动的次数来表示。采用数显式脉搏计测量心脏跳动的频率不但精确，而且结果醒目，使用方便，利于人们精准测量。 本设计所使用的系统将脉博转换为电压信号，经过信号调理后利用AD放大器进行放大和整形，在短时间内，测量出人体一分钟的脉搏数，并将心率进行实时显示，便于携带，方便安全。达到了方便、快速、准确地测量心率的目的。这样的脉搏测量系统性能良好，结构简单，性价比高，输出显示稳定，比较适应大众化，适合家庭进行自我检查以及医院护士进行每日的临床记录。1.3 技术指标及要求正常人的脉搏次数是每分钟6080次（婴儿为90140次，老年人则为50150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: 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。 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（若干秒）内，测出经放大后的电信号频率值。4.低成本、低功耗、性能好；5.结构简单、使用灵活，易控制；6.测量范围：最大200次/min，LED显示；7.测量时间短，比如30S、60S两档设计；8.测量误差：2次/min；9.适应大众化，适合家庭进行自我检查以及医院护士进行每日的临床记录。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，脉搏计主要组成部分是计数器和数字显示器。1.4 本章小结本章主要介绍了课题背景、设计数字脉搏测量仪的目的和意义以及技术指标及要求等三方面的内容。目前，脉搏测量仪是用来测量人体心脏跳动频率的有效工具。心脏跳动频率通常用每分钟心脏跳动的次数来表示。采用脉搏计测量心脏跳动频率，不但精确，而且体积小，质量轻，使用很方便，显示结果也十分醒目。利于大众人群的使用。第2章 方案论证2.1 设计原则光电人体脉搏测量仪是信息技术与医学领域相结合的产物，本系统应结合人体脉搏信号和光电技术的特点，在系统设计的原则上应注意以下几点：1、体积小型化、操作简单化、安全化光电人体脉搏测量仪是为大众提供服务的，所以在设计上，特别是脉搏信号采集点应该从人体特征出发。体积的小型化是为了便于携带，操作简单是为了适应大众，安全化是为了人生安全考虑等。2、低成本、低功耗低成本和低功耗是系统设计的基本要求。低成本是为了满足更多用户的需求，低功耗是维系产品生存的关键因素。3、稳定可靠性系统的设计应很好地服务于被检测者和医护人员，所以设计的系统应该稳定地工作，采集的数据以及数据传输处理应该具有高的可靠性。2.2 问题分析由于人体的脉搏信号具有频率低、幅度小、干扰大、稳定度低、随机性强等特点，使得对脉搏信号的采集放大电路的设计提出了很严格的要求，尤其是抗干扰和信号的放大变得十分重要。为此，系统总体设计过程中应当重点注意以下问题：1、干扰分析11通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱，容易受到外界电磁信号的干扰。在传统的光电式脉搏传感器电路中，由于光敏器件和一级放大电路是分离的，那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁的干扰，通常在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰。（1）工频信号干扰通常脉搏信号的频率范围在1.33Hz之间，频率为50HZ市电的电子仪器设备，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的50%，因此对脉搏信号检测会产生较大的干扰。由于脉搏信号小于工频50Hz，通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰，在信号调理电路中容易实现。同时还可以在控制电路中对光源进行脉冲调制。（2）肌电干扰肌肉的收缩会产生微伏级的电势，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的10，维持时间大约是50ms，频带范围可以在0HZ10000HZ。（3）呼吸引起的基线漂移和ECG幅度变化呼吸引起的基线漂移可以看成是一个以呼吸的频率加入ECG信号的窦性成分（正弦曲线），这个正弦成分的幅度和频率是变化的。呼吸所引起的ECG信号的幅度的变化可以达到15。基线漂移的频率是从0.150.3HZ。2、放大器的选择选择放大器时需要从增益、频率响应、输入阻抗、共模抑制比、噪声、漂移等几个方面加以综合考虑。在脉搏信号放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个需要考虑的问题。脉搏信号放大器运行过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声，这些都属于白噪声，其幅值为正态分布。为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格要求。另外，温度变化会造成零点漂移，漂移现象限制了放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法被放大。而脉搏信号具有很低的频率成分，为了能正常测量，必须采取措施来限制放大器的漂移。所以放大器应尽量选用低漂移，高输入阻抗、具有高共模抑制比的集成运放电路。2.3 方案选择脉搏计的上述功能要求，可采用两个不同的方案来实现： (1)把脉搏信号转换为电信号，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，然后换算为每分钟的脉搏数。这两种方案比较起来，第一种比较直观，所需要的电路结构更简单些，是我们利于观察；第二种方法的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。为了使脉搏计轻巧而便宜，通常采用第一种方案。以下进行的设计就是基于第一方案3。2.4 方框图脉搏测试仪使用传感器将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号，信号经放大电路进行放大整形后，送到计数显示电路。计时电路进行计时，一分钟到了，计数器停止计时，这时数码管显示的就是一分钟内脉搏跳动的次数。第一方案的方框图如图2-1所示4。传 感 器放 大 与 整 形计 数 器译 码 器显 示 器心 律 监 测时基信号发生器图2-1 第一方案方框图数字脉搏测试仪，其核心部分主要由三个模块组成检测、放大与整形，计数、译码与显示模块，计时模块。检测电路用传感器将脉搏跳动信号转换为电信号，放大与整形主要通过CD4011组成的放大电路将信号进行放大与整形；计数译码，显示模块主要对整形好的矩形脉冲进行计数给译码器输入编码，显示主要通过译码器传和三极管控制数码管分时显示；计时模块主要通过控制一个六十秒钟的时间信息，从而控制一分钟的计时。脉搏测试仪使用传感器将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号，信号经放大电路进行放大整形后，送到计数显示电路。计时电路进行计时，一分钟到了，计数器停止计时，这时数码管显示的就是一分钟内脉搏跳动的次数。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，作为计数器的门控信号，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，对电脉冲信号进行计数，并经显示译码器译码，再由数码管显示计数值。(5)心律监测电路。如出现心律不齐时，应有所显示（告警）。2.5 A/D转换电路设计 由于压力脉搏传感器采集到的信号是模拟信号，故在后续电路中，需要把脉搏信号转换为易于单片机处理得到的脉搏波动频率信息的脉冲信号。单片机是数字信号处理工具，输入单片机的信号必须是离散的数字信号或者是脉冲信号，经A/D转化，便于单片机处理。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。当信号幅值在一定范围内时才会实现模数转换功能，以便记录脉搏次数。2.6 本章小结 本章主要对方案的选择进行了论述。人体脉搏测量仪主要是对人体脉搏信号的检测，本系统主要由五个部分组成：脉搏信号采集电路、滤波放大电路、信号整形电路、单片机控制电路、数码管显示电路。如图2.1所示。由于本设计任务要求需要对电源部分进行处理，因此在该电路的基础上再添加了电源电路部分，为该电路提供最适合的电源。脉搏信号采集电路主要是选用光电传感器将脉搏信号转换为电信号（一般传感器输出的电压在几毫伏到几十毫伏左右）。微弱的脉搏信号中伴随着大量的干扰信号（如电磁干扰、肌电干扰等），考虑信号源和干扰信号的特点，本设计中使用低通滤波电路除去干扰信号。同时，脉搏信号只有几毫伏到几十毫伏，因此需要适合的放大电路将其放大（一般放大到3V5V左右）。整形电路则将模拟信号转化成数字信号，将脉搏信号转换为同频率的脉冲。单片机控制电路则是系统的控制和处理中心，通过计时器求出一次脉搏的时间，并进而得出脉搏数，然后将该数据送到显示单元进行显示。显示单元选择LED数码管，对数据进行实时显示。电源电路是系统的生命之源，为系统的正常工作提供可靠稳定的保障，本系统中它主要实现交、直两用电路。经过仔细的分析，在两个方案中选出第一个方案，并对这个方案的组成部分及方框图进行了分析。第3章元电路的设计3.1脉搏信号采集电路从工作方式的角度分析，人体脉搏信号采集系统可以分为两大类：一是将人体的脉搏信号的采集与运算等一系列功能在一个脱机系统中完成，这类系统常常采用DSP(数字信号处理器)这种具有高速运算能力的器件来构成。一般运用于便携式医疗检测设备中。另一类是运用基于单片机、放大器、A/D转换器、等器件设计的硬件采集设备对人体脉搏信号进行采集，然后将其传送到上位机，通过上位机强大的运算能力和分析能力，来实现对人体脉搏信号的分析。主要应用于临床医学领域对疾病进行详尽的分析。本设计采用一种采用美信公司最近推出的新型模数转换器MAX1240芯片进行电压数据采集，并由单片机串口将数据发送出去的简单电路，MAX1240由单片机发出的时钟信号与使能信号驱动，将输入的模拟电压值转换为12位的数字值输入到单片机，单片机再将此数据处理为2个字节，低位字节为低8位数据，高字节的低4位为数字电压值的高4位，进行数据处理后再通过串口发送出去。单片机的稳定性与低耗能性，是基于单片机构建成的信号采集系统具有成本低、电路简单，稳定的优点，同时又能很好满足信号采集系统的要求。3.2常用脉搏传感器及选型1、压电式传感器12目前常用的是一次性心电电极，它是用印刷方法制得的Ag/AgCl传感器。这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法，能明显的减少由于人体运动产生的干扰。电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用，采用的电极应有贴力强，能紧附在人体表面，柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。当选用电极传感器时，需要3个电极分别置于左右手和左腿，构成标准导联。临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号，在检测脉搏信号时，对电极的位置，引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。2、光电式传感器血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随脉搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。常用检测脉搏的光电传感器分为红外放射管和红外对管。3、集成传感器当前，市面上有很多类型的集成心电传感器，其灵敏度高、集成度高，直接就可以反映出心率的变化，且已包含了滤波等抗干扰电路，波形经过放大可以直接处理使用。缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上，就本次设计来说，考虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。三种传感器的优缺点比较如下：（1）光电式：优点：灵敏度高，易于操作，响应速度快，结构简单。缺点：外部光源的变化对测量结果的影响较大；需要购买专门的医用光电传感器，价格较贵且不易购买。（2）压电式：优点：结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单，且价格低廉。缺点：直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的颤动等而产生干扰。并且容易受到外界其他信号的干扰。（3）集成式：优点:集成度高，包含了滤波，放大电路，可以直接输出信号，便于操作，有效的减少了各种干扰。缺点：降低了本任务的难度，如果采用该传感器，只需将其直接接上单片机即可实现功能，且价格非常昂贵。通过上述对比，结合本系统的设计要求，最终选择光电式传感器作为人体脉搏测量仪的脉搏信号采集传感器。3.3 放大与整形电路这部分电路如图3-1所示，其中非门 和 构成两级放大器， 和 构成施密特触发器，完成整形功能。图3-1 放大整形电路为了使 和 非门处于传输特性的线性区，应适当选取反馈电阻 的阻值，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 值应比非门的输出电阻 大两个数量级（非门 =815k），但 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， 值应比非门的输入电阻 小12个数量级（非门 = ），所以 =110M，可选为5.1 M、2.2 M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5。 和 门通过正反馈构成施密特触发器，电阻比值 / 影响其回差值，一般先确定电阻 ，可根据选 ，式中 为门电路的输出高电平（ ）， 为门电路的阀值电压（ ， ）为所选门电路的高电平输出电流最大允许值。通常把 值取得较大（10 k）3.3.1前级放大及滤波电路 放大器选用低漂移，高输入阻抗、具有高共模抑制比的集成运放电路的效果比较好，但是出于经费的考虑，可以选择3个4069反相器级联构成一个运算放大器。初级放大电路如图3.2所示。当初级放大倍数为10时噪音最小，增益更稳定，通频带更好控制。该放大器是有3个4069反相器级联构成一个运算放大器，由于理想运算放大器输入阻抗无穷小，则如图3.2所示的电路输入阻抗为R4。较大的输入阻抗可以减少对任意电路的影响。所以为了达到较大的输入阻抗，R4应尽可能的大。但是由于在放大增益为10的情况下，。R10为反馈电阻，不能过大。综合考虑，取，。图3.2 初级放大电路脉搏采集信号输入信号输出由于脉搏信号的频率在1.33HZ左右，正常情况下不会出现高于2HZ的信号，因此需要设计一个低通滤波器，用来滤去高频信号。在这个系统中最大的干扰就是来自市电的50HZ干扰信号，考虑到有些病人在患病时可能会出现较高的脉搏，因此在设计滤波器的截止频率在4HZ左右，这样不但能保证不滤去脉搏信号，而且能很好的将干扰滤去。滤波器方案选择：图3.3 一阶无源滤波器及其有源滤波器ViVoCR0.707（1）无源滤波器采用RC低通滤波器。该电路截止频率为 （1）特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。一阶无源滤波电路及幅频特性如图3.3所示。（2）二阶低通滤波器采用二阶有源滤波器，通带内幅频特性曲线比较平坦，而且二阶也可以达到较陡的衰减的特性。由于主要的干扰出现在50HZ左右，所以在截止频率较低时，采用二阶滤波器即可达到很好的滤波效果。二阶有源滤波器及其有源滤波器幅频特性的电路如图3.4所示。综上所述，本设计滤波电路采用二阶有源滤波电路，如图3.5所示。截止频率为 （2）电容C的容量宜在微法数量级以下，电阻器的阻值一般应在几百千欧以内。我们现在设定，。为了减少输入偏置电流及漂移对电路的影响，应使 （3）将数据带入公式（2）得。即在低于4.5HZ左右的低频信号可以通过，对于人体最高脉搏频率4HZ来考虑，低频特性是满意的。放大增益AV=1+R3/R4=2。ViR1C2Vo图3.4 二阶有源滤波器及有源滤波器幅频特性-40dB/十倍（二阶）-20dB/十倍（一阶）Vo/ViR2C1AR4R33.3.2二级放大电路特怔频率最小150MHZ放大倍数：H331200*9013是一种NPN型硅小功率的三极管它是非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，它是NPN型小功率三极管。也可用作开关三极管。注意:9013功率小于9014，相互替代时应考虑电流大小。工作原理说明及计算（参考原理图及PCB）3.3.3工作原理说明NPN型三极管T担负着放大作用，它具有能量转换和电流控制的能力，当微弱的输入信号ui使二极管基极电流iB产生微小变化时，就会使集电极电流iC产生较大的变化。它是放大电路的核心。VCC是集电极直流电源，为信号的功率放大提供能量。Rc是集电极负载电阻，集电极电流ic通过Rc，从而将电流的变化转换为集电极电压的变化，然后传送到放大电路的输出端。基极偏置电阻Rb的作用是，一方面为三极管的发射结提供正向偏置电压；同时给三极管提供一个静态基极电流Ib。C1、C2是耦合隔直流电容为了使三极管工作在放大区，还必须使发射结正向偏置，集电结反向偏置，为此，Vcc、Rc和Rb等元件的参数应与电路中三极管的输入、输出特性有适当的配合关系。传感器输出脉搏信号在10mV50mV之间，根据后面施密特触发器的运用需将增益放大到3V才能输出高电平，总放大增益应在300左右，因前级放大增益为10，所以二级放大增益在15。二级放大电路如图3.7所示，取，因此，此电路的放大增益为300。反相器有效地克服零点漂移所造成的影响，以提高测量的准确性。用一个4069增益不是那么稳定，但在误差范围内。3.4整形电路1、电路结构：主要由LM358振荡放大电路、NE555波形整形电路、光电耦合器隔离控制电路等组成2工作原理：（1）电路接通电源后，发光二极管D1、D2均点亮。由U1A及外围元件组成的RC文氏振荡器起振，产生频率范围约为800HZ1500HZ的正弦波信号。该信号经U1B放大、U2整形，加至U3的信号为幅度可调的方波。（2）调节RP1，可以改变RC文氏振荡器的频率，频率范围约为800HZ1500HZ。（3）调节RP2，可以改变输出方波信号的幅度。3、调试方法：（1）上电，观察发光二极管D1、D2是否均点亮。（2）用示波器分别测试U1的第1、6、7脚。观察是否有正常的正弦波信号。调节RP1，正弦波信号的频率是否在800HZ1500HZ范围内发生变化。3）用示波器分别测试U2的第2、6、3脚。观察是否有正常的正弦波、方波信号。（4）用示波器分别测试U3的输入、输出脚。观察是否有正常的方波信号。调节RP2，是否可以改变输出方波信号的幅度。（5）调试过程中应时刻注意操作规范，保证人身安全。一旦发现有异味，应立即切断电源使用两个4069作施密特触发器。施密特触发器的工作波形及电压传输特性如图3.9所示。设CMOS反相器的阈值电压。 （3） （4）回差电压 （5）通常UT+UT改变R1和R2大小可以改变回差UT。图3.9 施密特触发器的工作波形及电压传输特性本设计，VCC略低于5V，取回差电压1V，则。当时，。，。当脉搏信号经放大后的上升的电压大于3V时，输出高电平，下降低于2V时，输出低电平。本设计的整形电路如图3.10所示。，RP1为10K的可调电阻。前级信号输入信号输出图3.10 整形电路3.5 计数器电路计数器是脉搏测试仪的重要组成部分，电路采用CD4553（MC14553）作为计数器6。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。CD4553的组成方框图及管脚排列如图3-2所示，功能表见表3-1。现在简要说明这些管脚的功能7。图3-2 CD4553组成方框图及管脚排列图（1）CL（引脚12）为计数脉冲输入端。（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INH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 皆为0。（5）输出哪一位的计数值由选通脉冲 控制（低电平有效）。（6）溢出OF（引脚14），当MC14553每计满1000个脉冲时，溢出端输出一个负脉冲，而后又重新开始计数8。表3-1 CD4553功能表输入输出RCLINHLE0上升00不变0下降00计数0X1X不变01上升0计数01下降0不变00XX不变0XX上升锁存0XX1锁存0XX0采用MC14553作为计数器主要有以下几点理由：（1） 计数输出为BCD码，便于译码显示。（2） 具有显示驱动扫描选通脉冲输出，可实现动态显示。（3） 具有计数允许（INH）和溢出（OF）控制端，可实现其它功能的要求。3.6 译码和显示电路译码器的功能是把计数器CD4533（MC14553）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9。CD4511是常用的BCD码七段显示译码器，它本身由译码器和输出缓冲器组成，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。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3-3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） ， ， 分别被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲 ， ，空，控制（本设计电路中 经三极管 控制 ），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 值调整来决定。图3-3 三位LED数码管显示电路 数码管限流电阻值需要根据数码管电流的允许值进行计算10。若把电路中的某位显示电路单独画出来，如图3-4所示。 图3-4 某位显示电路限流电阻 可按下式进行估算： = 式中 为CD4511输出高电平（ ）， 为LED正向工作电压（约为1.52V）， 为数码管的笔段电流（约510mA）， 是三极管T的管压降（约为1V），则可求得 约为0.5k。上面的限流电阻也可以串接在三极管的集电极与地之间（这时原来三位显示器的三个三极管集电极要并联在一起），这样就可以用一个电阻代替原来的七个电阻，这种接法的限流电阻仍可用上式计算，但 不是数码管每段电流源，而应该取七段电流的总和。3.7 时基信号产生电路前已述及，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）11。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，在参考电路中选用了CD4060组件来完成这种功能。CD4060是一个14位二进制串行计数器（分频器），但是它内部出了有14个T型触发器（组成14位计数器）外，还包含一个振荡器，只要在 、 和 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 次分频得到，该单元电路如图3-5所示，则RC振荡脉冲的频率 应为 = =136Hz 图3-5 60秒定时电路当CD4060接成RC振荡器时，其振荡频率 与RC之间有以下近似关系： 电阻 的值应大于1k，电容 应大于或等于100PF，一般可先选定电容 容量，再根据上式可估算出电阻 之值。电阻 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， 的阻值应尽量大于 ，一般可取 =10 ，此时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 和 均应采用电位器，以便调整。3.8 心律监测电路附录A所示的电路，不仅可以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（心率不齐）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12，电路如图3-6所示。图3-6 心率监测电路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的两端并入了一个三极管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， 空空=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， =1。而后电源电压 通过电阻R开始向电容C充电，当充电至 = 时，电路又返回到稳态，输出端重新回到低电平， =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 ）只取决于外接电阻R和电容C的大小， =1.1RC。单稳态电路的工作波形如图3-7所示。图3-7 单稳态电路的工作波形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充电值始终达不到 = ，则输出端将一直维持高电平。但是，当有漏失脉冲时，电容C充电时间加长，可使电容C充电值达到 ，于是电路由暂态返回稳态，输出端变为低电平。在下一个触发脉冲下降沿到达时，输出端又变为高电平，结果在漏失脉冲状态下，输出端产生一负脉冲，它可作为有漏失脉冲的标志信号。现在结合图3-6所示电路和工作波形图（见图3-8）进行说明。图3-8 漏失脉冲检出电路波形图假设单稳电路开始时 =1，本来电容C应通过电阻R被电源电压 充电，但此时 为低电平，晶体管T饱和导通，则C两端电压 将近似为0，只有在 时刻后，由于 为高电平，晶体管T截止，电容C才开始充电， 将近似线性增加。当到达 时刻，电容C充电电压尚未达到 ，而触发脉冲 的下降沿就出现了，在此后的 期间，电容C很快放电（因晶体管T导通），这样输出端电压 仍保持原来的高电平。在 时刻C又充电，未充到 时， 又产生下降沿（ 时刻），C很快放电。 时刻，C被充电，但由于在 期间有触发脉冲漏失，这样C充电时间加长，在 时刻可使电容C充电至 ，使输出端 变为低电平，C则通过555内部的开关管迅速的放电。 时刻会有触发脉冲下降沿出现，从而使 回跳至高电平。可见有漏失脉冲时，输出端 就会出现一个负脉冲，它就出漏失脉冲的标志信号。图3-6中的两个与非门组成RS触发器，用来记忆漏失脉冲的状态。这样，当有漏失脉冲（脉搏停跳一次）时， 出现负脉冲，通过RS触发器使发光二极管LED阴极为低电平，于是LED被点亮，以告知测试者。为了能检出漏失脉冲，应适当调节单稳态触发器输出脉冲宽度 =1.1RC，使其稍大与输入脉冲（脉搏电信号）的周期。由于正常人的心跳速度为60120次/min，其周期为10.5s，则要求1.1RC（0.51）s电容C的取值范围为几百皮法到几十微法，而电阻R应该采用电位器，以便于调整。3.8 本章小结 本章主要详细的介绍了脉搏信号电路的采集，放大与整形电路、二极管电路，计数器电路、整机电路，译码和显示电路、时基信号产生电路以及心律监测电路。还详细的介绍了CD4553的组成方框图及其管脚功能，还介绍了CD4511以及555定时器等通过这些电路的运用与学习使我们对电源电路的设计有啦更广泛的理解与认识。更好的为我们论文的设计奠定基础。第4章 整机电路及工作原理4.1 整机电路原理图整个电路从结构上来说可以分为五大部分：放大与整形电路、计数器电路、译码和显示电路、时基信号产生电路以及心律监测电路13。数字脉搏测试仪总原理图详见附录A。4.2 电路的工作原理压电陶瓷片HTD-27将拾取的脉搏跳动信号转换成电信号，经CD4011B组成的四级线性放大器放大后，送到由CD4553和CD4511组成的计数译码显示电路。CD4553内部输入端设置了脉冲整形电路，所以对脉冲沿无甚特殊要求。它只有一组BCD码输出，但通过内部分时控制可形成三位十进制数字显示。CD4511是译码器，其输出驱动三位LED共阴数码管。BG1、BG2、BG3分别由CD4553的15、1、2脚控制实现三位数码管分时显示。使用时，用松紧带将压电陶瓷片压在手腕的挠动脉处，注意一定要压紧。在合上开关K1后即按一下复位开关K2，使CD4060和CD4553清零，这时计数闸门打开，脉搏信号由CD4553开始进行计数。1分钟后，CD4060输出一高电平，使计数闸门关闭。这时数码管显示的数字即为每分钟的脉搏数。4.2.1 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14。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，而且成本低是一个很重要因素。4.2.2 放大电路通常采用运算放大器。它具有输入阻抗高和输出阻抗低以及电压放大倍数调节方便等许多优点，但在数字电路系统中也常用非门来构成线性放大器，如图4-1(a)所示。因为由门电路的转换特性如图4-1(b)可知，如果使它工作在线性区，它就有电压放大能力。图4-1(a)中门电路的输出、输入端所连接的反馈电阻，正是为使其工作在线性区而设置的。 (a) (b)图4-1 用非门构成线性放大电路由门电路构成的放大电路，具有功耗小、稳定性高和成本低等优点，它的缺点是输出阻抗高和上限频率较低。4.2.3 时基信号产生电路为了得到频率较低、脉冲宽度一定（比如一分钟）的时基信号，通常采用“振荡加分频”的方法。先用振荡器产生高频脉冲，然后经数次分频得到所要求的时基信号。这种方法获得十分精确的脉冲宽度。现在有一些集成组件，其内部同时包含振荡和分频两部分电路，使用起来十分方便。常用的这种类型组件有CC4060和CC4040。4.2.4 计数器计数器的类型很多，选择余地较大，但最好选用有选通脉冲输出控制的计数器，以便采取动态扫描显示的方法，可以大大简化电路，节省器件。这种类型的计数器，最典型的是CD4553。4.2.5 译码器和显示电路这部分没有其它特殊要求，一般只需根据所用的显示器件，选取合适的显示译码器即可。4.3 本章小结结合第三章的学习与运用我们本章主要介绍了整机电路及各部分电路的工作原理，其中包括：传感器、放大电路、时基信号产生电路、计数器、译码器和显示电路的工作原理。用过整机电路及各部分电路工作原理学习我们认识啦数字脉搏测量仪的构成，原理，更好的为我们的设计打些基础。注意：除第一章绪论外，其他每一章都应该有一个本章小结第5章 整机电路的调试与使用方法5.1 整机电路的调试方法在实验箱面包板上插接或在印刷电路板上焊入各元件，经认真检查无误后即可开始调试。5.1.1 总体观察以低频可调频率脉冲发生器的输出信号当作脉搏传感器的输出信号，接通电源开关 ，如显示器显示无规则数字，表明电路基本工作正常，而后按下清零按钮 ，对计数器和定时器清零，则显示的计数值应不断增加，进一步说明电路的工作是正常的，否则要进行逐级检查。5.1.2 检查放大电路仍用脉冲信号发生器做输入信号源，用脉冲示波器观测放大电路和整形电路输出端电压波形，正常情况下应有100倍以上的放大，整形电路输出的电压波形应理想，否则可改动一下整形电路外接电阻值。如果电压放大倍数较小，可改换两个另外的非门，或者再加一、两级电压放大器。5.1.3 计数译码和显示电路的调试用低频脉冲信号发生器的输出信号作为计数器的输入（加至CD4553的12引脚），从LED数码