数电课程设计

模拟与数字电子技术课程设计报告。

设计课题人体脉搏计。

专业班级：电气工程及其自动化0901

学生姓名：姜彩博。

指导教师：侯桂成郭秀梅刘金华崔今花。

设计时间： 2024年7月8日。

题目人体脉搏计。

设计者：姜彩博。

指导教师：侯桂成、郭秀梅、刘金华、崔今花。

摘要。人体脉搏由心脏驱动，血流沿动脉在人体内走过曲折而漫长的路径到达远离心脏的手腕动脉处。所以它不仅受到心脏状况的影响，同时受到内环境调控功能器官（脏器）状态所需血液参数以及系统状态参数等的影响。

因此人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中，即脉象中。脉搏测试仪三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。

脉搏测试仪由放大电路、有源滤波电路、整形电路、倍频电路、基准时间产生电路、计数、译码显示电路和控制电路组成，实现在15秒内测量1min的脉搏数，并显示其数字。通过对该系统的测试和实际应用表明：其性能稳定、工作可靠、升级方便。

关键词：健康状况；脉搏波；脉搏测试仪。

1.1任务。

设计一个脉搏计。

1.2要求。

实现在15s内测量1min的脉搏数，并且显示其数字。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。

1.2.1放大与整形电路。

放大电路：电压放大倍数ua约为11倍，选r4=100 kω，c1=100μf。试选择其它元件参数。

有源滤波电路：电压放大倍数选用1.6倍左右。运放可均采用lm324，也可选其它型号运放。

整形电路：选用滞回电压比较器，集成运放采用lm339，其电路参数如下： r10=5.1kω，r11=100 kω，r12=5.1 kω。

倍频电路：异或门选用可采用cc系列、也可采用ttl系列。

基准时间产生电路：试选择电路其它未知参数。

计数、译码、显示电路：试选择电路其它未知参数。

控制电路：试选择电路其它未知参数。

2 方案设计与论证。

随着人们生活水平的提高，心脏疾病的发病率呈上升趋势，已成为威胁人类身体健康的杀手之一。因为心脏病的发作具有突发性和随机性，所以为患者进行实时的测量监控已成为必然的趋势。随着电子科技的不断发展，生命科学和信息科学的结合越来越紧密，许多研究人员都投身于人类的健康事业之中。

心率：用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数，以第一声音为准。心电信号是一种非常弱且频率较低的信号，一般幅值在0.

05-5mv,频率在0.05-100hz。脉搏波：

人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流压力一波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。而心率的测量是一种评价病人生理状况很好的方法，心率与脉搏在身体正常的时候是相等的。

在房颤等心脏疾病时候可出现不等。因此心率测量问题可以转化为脉搏的测量，而脉搏的测量更容易实现特点，在实际应用中得到广泛运用。

满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面两种方案。

方案a ：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）放大与整形电路将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。

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）基准时间产生电路产生短时间的控制信号，以控制测量时间。

5）控制电路用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。

6）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。

7）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，误差也越大。

方案b 在计数器与脉搏产生器之间串联一个四倍频电路。这样我们在15秒内采集的脉冲个数就可以等效为一分钟的个数，另外再加一个计时控制电路，当计时为15秒时，让计数器停止计数，此时读出的数据就是一分钟的脉搏数。如需重新记数，只要清零即可。

2.2 方案比较。

方案a结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案b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a。

图2.1 确定后的脉搏计原理框图。

3 单元电路设计与参数计算。

3.1信号发生与采集。

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。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：

传感器工作原理的分类中物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩效应现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

这里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，其原理电路如图3.1所示。

图中，红外线发光管vd采用tln104，接收三极管v采用tlp104。用+5v电源供电，r1取500ω，r2取10kω。

由于传感器发出的信号很微弱，只有几毫伏左右，所以采用放大电路实现信号放大作用，由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，如图3.2所示，运放采用了 lm324，电源电压+5v，放大电路的电压放大倍数为 10倍左右。

3.3有源滤波电路。

采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图3.3所示，作用是把脉搏信号中的高频干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大，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。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数选用1.

6倍左右。集成运放采用lm324。

电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋于零时，由于c1的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，由于c2的电抗趋于零，因而up（s）趋于零。可以想象，只要正反馈引入得当，就可以在f=fo时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自己振荡。

因为同相输入端电位控制由集成运放和r1、r2组成的电压源，故称之为压控电压源滤波电路。

由图可知通带放大倍数。

aup=1+r2/r1式（3.3.6）

所以根据实际要求 aup=1.6

所以由q=｜1/(3-aup)｜和式（3.3.5）知。

au｜f=fo= q｜aup｜=0.7｜aup式（3.3.7）

因此，通带截止频率fp=fo=1khz

fo=1/2πrc=1khz

综上可以选取r1=10k，r=1k，所以 r2=r1（1.6-1）=6k

c=fo/2πr=16uf

3.4整形电路。

经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，这里选用了滞回电压比较器，如图4.1所示，其目的是为了提高抗干扰能力。集成运放采用了lm339。

滞回比较器。

参数设定：r1=100k，r2=5.1k，r3=5k

滞回比较器的电压传输特性。

如图4.1所示，二极管负端通过下拉电阻接地，当输出的电压大于0时，则二极管导通，输出高电平，当输出电压为负电压时，二极管截至，则输出0，满足计数器的脉冲信号。

由以上可以画出放大与整形电路模块的连接电路，如下图：

3.5 倍频器。

该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频，以便在15s内测出lmin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。

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，如图5.1所示。

gl和g2构成二倍频电路，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，输入输出波形如图5.2所示。

由两个二信频电路就构成了四倍频电路。电容器c的作用是为了增加延迟时间，从而加大而出脉冲宽度。异或门用cc4030。

参数设定： c4=＝33μf r13＝10 kω c5＝6.8μf r14＝10 kω

3.6 基准时间产生电路。

这里的基准时间产生电路用555定时器来实现，即需要一个周期为30s的矩形波信号。下面就将对如何实现何以信号进行具体分析：

555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制等多发面都得到了应用。。555定时电路有ttl集成定时电路和cmos集成定时电路，它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同。

双极型产品型号最后数码为555，cmos型产品型号最后数码为7555。

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