模拟电子技术课程设计

沈阳航空航天大学

课 程 设 计

（说明书）

人体脉搏电路的设计

班级 / 学号 94060110-382 学 生 姓 名 法尔胜 指 导 教 师 常 丽 东

沈阳航空航天大学

课 程 名 称 模拟与数字电子技术课程设计 院（系） 机电工程学院 专业 机械设计制造及其自动化 班级 姓名 石昌军 课程设计题目 人体脉搏计电路的设计 课程设计时间: 2011 年 12 月 12 日 至 2011 年 12 月 25 日 课程设计的内容及要求：

一、设计说明

设计一个人体脉搏计，要求能够实现在30s内测量人的脉搏跳动次数，并且将脉搏次数显示出来。正常人的脉搏数为60~80次/min，婴儿为90~100次/min，老人为100~150次/min。

电路原理框图如图1所示。

图1 脉搏计原理框图

将脉搏跳动信号转换为对应的电脉冲信号，放大整形后进行二倍频，并在30s（基准时间） 内对此信号计数，便得到了1min脉搏数。 二、技术指标

1．设计人体脉搏计数器并用LED显示。 2．误差为±2次/min。

三、设计要求

1．在选择器件时，应考虑成本。

2．根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。

3．主要器件：(1)74LS74双D触发器；(2)74LS47或4LS48译码器；(3) 74LS163计数器；(5)OP07等。 四、实验要求

1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。 2．进行实验数据处理和分析。 五、推荐参考资料

1.谢自美. 电子线路设计·实验·测试. [M]武汉：华中理工大学出版社，2000年

2.阎石. 数字电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

3.童诗白、华成英.模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年 4.付家才. 电子实验与实践. [M]北京：高等教育出版社，2004年 六、按照要求撰写课程设计报告

日 负责教师 年 月 日 学生签字 年 月 日

成绩评定表

一、 概述

内容简要：人体脉搏计在实际的应用中非常广泛，它是用来测量人体心跳次数的电子仪器，也是心电图的重要组成部分，用来测量频率较低的小信号。其原理适用于很多声控机械，它涉及到时许逻辑电路如何设计,分析，和工作等方面。人体脉搏计的设计是基于传感器，放大电路，显示电路等基础电路的基础上，实现对人体脉搏的精确测量。其设计初衷是适用于各年龄阶段的人群，方便快捷的测量脉搏次数，并用十进制数显示出来。具体的各部分电路接下来将介绍。

二、方案说明

结合以上各部分内容及设计要求分析，以控制电路为枢纽，将经传感器、放大整形电路、倍频电路的脉搏信号和时间信号通过控制电路实现对计数器的控制，使其能够准确的显示脉搏数。脉搏计的原理结构如图1所示：

图1 脉搏计结构框图

根据此框图，各部分电路有如下设计方案：

（1）.传感器信号：传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号。

（2）放大电路：由于模拟人体脉搏跳动经过传感器后的初始信号电压值很小，所以利用反相放大器将采集的电压信号放大约11倍，电压充分的放大方便了后面的工作电路。

（3）.整形电路：本电路旨在采用滞回电压比较器对前面放大以后的信号进行整形，使信号更规则，最终输出矩形信号。

（4）倍频电路 ：倍频电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频处理，以便在15s内测出1min内的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊断效率。

（5）.基准时间产生电路：基准时间产生电路的功能是产生一个周期为30s（即

脉冲宽度为15s）的脉冲信号，以控制在15s内完成一分钟的测量任务。 （6）.计数、译码、显示电路：计数器采用3个二进制计数器74LS160分别作个、十、百位，并将其设计成十进制计数器（逢十进位）。最终仪器要能够实现在15s内测量1min的脉搏数，并且显示其十进制数字。所以需要三个显示数码管才能完成显示功能。

放大电路可以在同相放大器和反相放大器之间选择，二者几乎没有区别，在此选择使用反相比较器；整形电路可以用555构成的施密特触发器或者由运放组成的迟滞电压比较器，考虑到运放的使用较555简单方便，选择用运放构成迟滞比较器；倍频电路的形式很多，可以用锁相倍频器或者异或门倍频器等，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；基准时间产生电路的设计方案也较多，可以选择石英晶体振荡电路、555定时器构成的多谐振荡电路，因为石英晶体振荡电路还需要接入4060集成芯片，使用比555复杂，所以选择555产生基准时间；计数译码显示电路的计数器设计有较多方案，可以选择160、芯片均可以设置为10进制的计数器来满足要求，在此选择使用较为普遍，较熟悉的160作为计数器电路。

三．电路设计

1.传感器信号电路的设计：该部分结构简单R1和R2的值分别选取510Ω和10 KΩ。电源采用5V供电。红外线发光管采用TLP521-1。作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号。设计如图2所示：

图2 传感信号电路

2. 放大整形电路的设计：

第一级反相放大器放大倍数可以调节，同相端电阻采用电阻R4 =10KΩ。低通滤波部分,要求放大11倍，实际可以调节，设置可调电阻R1=20 KΩ，R5=100 KΩ。考虑到去掉脉搏信号中的干扰尖脉冲，所以有源滤波电路的截止频率为1kHz左右，计算选择R6=2.25KΩ，R7=4.5 KΩ，C2=C3=47nF。整形部分，采用反相迟滞比较器，设置R9=13.5 KΩ，R11=100 KΩ。三个运放均选择OP07Z。本次要求放大倍数大约为11倍，用一个与非门进行简单的整形。经过实验，可以放大，整形正弦电路。设计电路如图3所示：

图3 放大整形电路 3. 倍频电路的设计：

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。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，都会产生脉冲输出。此处四个异或门均采用4070DB，该电路里两电阻均选用10 KΩ的阻值，其中电容C是为了延时，经过测试，当C3=33uF，C4=33uF，R13=10kΩ，R14=10kΩ的时候能达到四倍频的要求。设计如图4所示：

图4 倍频电路

4. 基准时间产生电路的设计：:

主要是由555定时器多写振荡产生一个周期15秒的脉冲，设置参数为R1=1.51MΩ，R2=1.51MΩ，C1=9uF，C2=10nF，得到周期15秒的脉冲信号，最后通过74ALS04BM得到周期30秒的脉冲信号（脉宽为15秒）。器件选用：定时器选用LM555CM定时器。设计如图5所示：

图5 基准时间产生电路

5. 计数显示电路的设计：

将三片74LS160直接按并行进位方式连接即的千进制计数器。再用4511BP滤波，还有2x8DIP4.7KΩ三块芯片的ENP LOAD CLR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。设计如图6 所示：

图6 计数显示电路

四性能测试

1.放大电路测试如图7所示：

图7 放大整型电路测试

图8 测试结果

通过示波器测试得到了所需要的结果，经过OP07的放大得到设计的放大的信号，再经过整型电路，得到方波脉冲信号。 2.倍频电路的测试如图9所示：

图9 .倍频电路

图10 倍频测试

对倍频电路输入5V的脉冲信号模拟放大整形电路的输出信号，用三个示波

器分别检测输入信号、一次二倍频、两次二倍频后的输出信号图像，根据图像来判断，该倍频电路是否达到了设计的要求。此部分最难解决的问题是电容的取值，如果将两个电容值选为一致的，那么第二个二倍频就没有作用，不会达到四倍频的效果，最终经过商量探讨，解决了二个电容的取值问题。得出了准确的两次二倍频信号图像，说明经调试以后的电路已经能够符合设计要求

3基准时间电路调试如图11所示：

图11 基准时间电路测试

图12 时间测试结果

按电路图连接好电路，开始仿真测试，信号发生器发出的模拟脉搏信号经过放大整形电路和倍频电路的处理频率变大，由555定时器控制时间电路控制时间，保证电路在规定时间内进行工作，最后计数器上显示的数字即为在该模拟信号下的1分钟内的脉搏数。

表1 测试结果

经过测试由上表得出模拟人体脉搏跳动次数，其误差在实验设计要求误差内，符

合设计要求。

五、结论，性价比

该方案基本实现了任务书中的要求，即完成了规定时间内测试出脉搏数的基本要求。但在个别单元电路仍然有问题存在，比如控制时间电路即555定时电路的设计方面并不理想，不能较好的控制测试脉搏时间，还有一些细节方面仍然都有问题存在，但总体上实现了题目的要求。

在总体设计方面，各个电路之间的联系，以及各个单元电路的连接和设计上较为简单明了，总体结构比较简单，容易理解，虽然控制时间电路即555定时电路有问题存在，不能较好的控制测试脉搏时间，但基本达到了要求。本次设计采用的器件和芯片比较常见，即74LS160计数器，555定时器等都是较为常见的器件，总体来说性价比比较合适。

七、课设体会及合理化建议

通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。现在设计已经做好了，自己感觉还是比较好的，虽然花了很多的时间，但学到了很多东西。通过图书馆和上网查阅资料，分别查阅到相应资料。经过结合现有资料，制定基本框架，并基本定出电路图。在Multisim软件里经行电路仿真，来验证电路的正确性。做该设计时，参考了很多书，增强了自己对知识的理解，很多以前不是很懂的问题都得到了有效地解决，一些快被遗忘的知识点也温故知新了。往往一开始电路仿真不出结果，这就需要找出问题所在，一般是先看电路原理图是否正确，接着看一下元件参数是否合适。在这个过程中，要充分发挥主观能动性，将平时所学的理论知识和实际相结合，往往理论可行的东西，实际并不一定能出结果，这就需要同组人员讨论或者查阅资料和分析问题来进行解决。尝试着怎样把电路图和程序优化，弄得更简单。

课程设计有利于提高我们的动手能力，能把我们所学的书本知识运用到实际生活中去，同时也丰富了我们的业余生活，提高我们对知识的理解能力。

参考文献

[1].谢自美. 电子线路设计·实验·测试. [M]武汉：华中理工大学出版社，2000年

[2].阎石. 数字电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

[3].童诗白、华成英.模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年 [4].付家才. 电子实验与实践. [M]北京：高等教育出版社，2004年 [5].唐治德.2009数字电子技术基础.第1版.北京：科学出版社 [6].唐治德.2009模拟电子技术基础.第1版.北京：科学出版社 [7].周守昌.2004电路原理.第2版.北京：高等教育出版社

附录I 总图

图 12 完整电路图

附录II 元器件清单