电子脉搏测试仪

1Xx学院课程设计说明书课程名称：数字电子技术课程设计题目：电子脉搏计设计学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：日期：2009年月日2学院课程设计任务书一．设计题目：电子脉搏计设计二．主要内容及安排脉搏测试仪是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，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。(1)实现在15S内测量1min的脉搏数；(2)用数码管将测得的脉搏数用数字的形式显示；(3)测量误差小于±4次/min。(4)设计电路，在时间允许的情况下要安装测试，分析实验结果，写出设计说明书。三、安排进度6月12号：图书馆收集资料6月14号：互联网收集资料6月28号：资料的整理6月20号：模拟电子电路初步完成6月21号：设计报告初步完成7月08号：论题答辩四、总评成绩指导教师学生签名3电子脉搏计设计一、设计任务与要求为更好的运用所学的知识，加深对电子电路的掌握，达到创新的目的。通过实践制作一个数字频率计，学会合理的利用集成电子器件制作电路基于数字电路和模拟电路的课程设计与制作。简述了在EDA平台上利用硬件描述语言VHDL结合CPLD/FPGA器件，设计了一种数显式脉搏测试仪。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。电子脉搏计设计：由压电陶瓷片、三个2输入与或门CD4070组成四倍频器、555集成定时器、十进制集成块74160N三片、七段数码管(DCH-HEX）组成。，74160N与它配套使用可直接驱动显示。脉搏测试仪是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，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。要求：(1)实现在15S内测量1min的脉搏数；(2)用数码管将测得的脉搏数用数字的形式显示；(3)测量误差小于±4次/min。二、方案设计与论证方案一1传感器将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。2放大整形电路把传感器的微弱电流放大，微弱电压放大。3倍频器将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。4控制电路用555定时器以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。45计数、译码、显示电路用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。6电源电路按电路要求提供符合要求的直流电源。上述测量过程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应地缩短了4倍(15s)，而数码管显示的数字却是lmin的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为±4次／min，测量时间越短，误差也就越大。方案二该方案是首先测出脉搏跳动5次所需的时间，然后再换算为每分钟脉搏跳动的次数，这种测量方法的误差小，可达±1次／min。此方案的传感器、放大与整形、计数、译码、显示电路等部分与方案I完全相同。方案的比较：方案Ⅰ结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案Ⅱ电路结构复杂，成本高，测量精度较高。根据设计要求，精度为±4次／min，在满足设计要求的前提下，应尽量简化电路，降低成本，故选择方案Ⅰ。大致框图如下：三、单元电路设计与参数计算1．传感器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。目前典型的脉搏传感器有以下三种：光电类、压阻类和压电类。在这三种当中目前采用最多的是压电型传感器，其工作原理是利用敏感元件直接把压力转变为电信号。本次课程设计中是利用函数信号发生器，使用正弦波模拟人体脉搏跳动。信号发生放大整形电路四倍频器555定时器解码显示5函数信号发生器2．放大与整形放大电路多种多样，本次实验采用比较简单、廉价的运放电路。由一个运放器和两个电阻就组成了符合要求的放大电路。放大倍数可调，本次放大倍数大约为10倍。由于整形电路比较复杂，要想较好的对脉搏信号的不规则性进行比较规则的整形是有一定的难道，初次想到的就是用电压比较器进行整形，但是在模拟软件种不知道那个是电压比较器。…干脆就用一个简单点的与非门进行简单的整形。经过实验，可以放大，整形正弦电路。3.倍频电路由于我们要在15s内测量1min内的脉搏数，所以我们要对脉搏进行调频。60/15=4需要四倍频电路。如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的4倍频电路。Ｕ９ａ和Ｕ９ｂ构成二倍频电路，Ｕ8ａ和Ｕ8ｂ亦构成二倍频电路；两个二倍频串联组成四倍频电路。利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当输入由“0”变成“1”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输6出。其中电容ｃ是为了延时，经过测试，当ｃ1=33uf，c2=3.8uf，R1=10k，R2=10k的时候能达到四倍频的要求。电路图如下：4．定时电路555定时器是为了试验在15s内完成任务，使单稳态的时间长度为15s。所以定时时间为15s。本试验采用555单稳态定时电路。工作原理大概如下：开关打上，ＲＳＴ、Ｖｃｃ都为高电平，由于有电容c3的存在、THR和THI为低电平。此时输出为低电平，随着电容的充电，当时间达到15s的时候，电容两端电压为2/3Ｖｃｃ,THR和THI为1/3Ｖｃｃ，此时输出变为低电平。时间常数有t=1.1RC可以求得。本次试验C=4.6uFR=3M.左图分别为电阻两端电压曲线和555定时器的输出端电平。7555单稳态定时电路5．计数译码显示本设计中采用简单的74LS160作为计数器，因为它是十进制计数器无需改装，直接使用。因为脉搏测试器中需要上百位的数字。因此，将三片74LS160直接按并行进位方式连接即的千进制计数器。三块芯片的ENPLOADCLR都为高电平以保证电路的工作。其中第二第三块芯片ENT为高电平，第一块芯片ENT受555定时器的控制。当555定时器输出为低电平时，74LS160输入端接收到的是高电平，开始计数；输出为高电平时，74LS160接收到的是低电平，停止计数（计数结束）。此时显示的就是15s内的脉冲数了。七段数码管与74LS160的连接方式如下：74LS160的功能表CLKRd’LD’EPET工作状态X0XXX置零向上10XX预置数X1101保持X11X0保持（但C=0）向上1111计数8四、总原理及元器件清单电路工作1、总电路图：2、工作原理：打上电源开关，电路各部分开始工作。首先是信号发生器发生的信号，经过四倍频电路，频率变成了原来的四倍；倍频器的主要作用就是为了计数器能在15s内计算出1min钟的脉冲数。脉冲数进入七段数码管计数器，计数开始。来一个脉冲计数器就加一。15s后，定时器输出端电平翻转，计数器停止工作。显示出脉搏跳动的次数。93、元器件清单元件名称类型及参数说明集成块Cd4011一块集成块Cd4030与或门一块集成块74160十进制计数器，3块集成块IN555555定时器电阻3M/10k/10k/10k/100k各一个电容33uf/6.8uf/4.6uf/10nf各一个集成块DCD-HEX(七段数码管)3块函数发生器函数发生器（模拟脉搏）1（400mV1HZ）开关J1一个电源VCC直流6V五、仿真调试与分析模拟脉搏信号从函数发生器发出，经过运放电路，放大10倍后，进入一个电容、3个与或门的延时分频。倍频原理在“倍频电路”那部分已经讲述清楚了。倍频后的频率直接送入到74160N解码，解码后就到达七段数码管进行显示。打上定时器的开关之后，定时的过程实际上就是电容不断充电的过程。电容上的电压从0到2/3Ｖｃｃ这段时间就是我们要定时的时间（15s）。开始，555定时器out端口为低电平，经过外部的非门之后，变成高电平，74160NC开始工作…此后，电源经外部电阻不断向向C充电，当C上电压升到＞2/3VDD时，THR、TRI两端为1/3Ｖｃｃ，输出V0翻转，变为1；1经过非门变成0，74160N停止工作。故74160N工作的时间为：T=1.1RC=15s六、结论与心得：总体来说，本次实验独立完成，使我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。我觉得10以后更要加强这方面的设计，提高自己的能力.我觉得自己的动手能力有了很大的提高;自信心也增强了.在课程设计中自己动脑子解决遇到的问题，书本上的知识有了用武之地，这巩固和深化了自己的知识结构。这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路定位的再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。可以说，本次设计有苦也有甜。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备。我们要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如控制电路，基准时间电路等。在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在老师的耐心指导下，使整个电路可稳定工作。七、参考文献：[1]闫石编著.《数字电子技术基础（第五版）》.北京：高等教育出版社2006[2]崔瑞雪、张增良编著.《电子技术动手实践》.北京航空航天大学出版社2007[3]康华光编著.《电子技术基础模拟部分（第四版）》.北京：高等教育出版社1998[4]《实用医疗保健电子装置制作》