数字显示脉搏及心电图模块.doc

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，R1值应比非门的输入电阻Ri小12个数量级。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R2的值，通常按R2=(0.010.1)R3的关系来选取电阻R2的值。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，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，UOH为CD4511的输出高电平，UD为LED正向工作电压（约为1.5V2V）,IS为数码管的每段电流（约为510mA），UCE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1k，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。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，RS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】l 示波器l 电源l 面包板l 万用表l 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。【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